Udnytte den modificerede T-Maze for at vurdere funktionelle hukommelse resultater efter hjertestop
Summary
Denne protokol beskriver brugen af en modificeret T-maze at vurdere funktionelle indlæring/hukommelse i asfyksi hjertestop-induceret cerebral iskæmi.
Abstract
Baggrund: Evaluering af mild til moderat kognitiv svækkelse i en global cerebral iskæmi (dvs. hjertestop) model kan være vanskelig på grund af dårlig bevægelse efter operationen. Eksempelvis kan rats hvem gennemgå kirurgiske procedurer og udsættes for Morris vand labyrint ikke kunne svømme, dermed tømme eksperimentet.
Ny metode: Vi etableret en modificeret adfærdsmæssige spontan vekslen T-maze test. Den største fordel af den ændrede T-maze-protokol er dens relativt enkle design, der er stærkt nok til at vurdere funktionelle indlæring/hukommelse efter iskæmi. Derudover er dataanalyse enkel og ligetil. Vi brugte T-maze til at bestemme den rats’ indlæring/hukommelse underskud både i tilstedeværelse eller fravær af mild til moderat (6 min) asphyxial hjertestop (ACA). Rotter har en naturlig tendens til udforskning og udforske alternative armene i T-maze, der henviser til, at hippocampus-lesioned rotter har tendens til at vedtage en side-præference resulterer i nedsat spontan vekslen nøgletal, afslører den hippocampus-relaterede funktionel læring/hukommelse i tilstedeværelse eller fravær af ACA.
Resultater: ACA grupper har højere side-præference nøgletal og lavere vekslen i forhold til kontrol.
Sammenligning med eksisterende metode(r): The Morris vand og Barnes labyrint er mere fremtrædende for at vurdere læring/memory funktion. Morris vand labyrint er imidlertid mere stressende end andre labyrinter. Barnes labyrint er almindeligt anvendt til at måle reference (lang sigt) hukommelse, mens ACA-induceret neurokognitive underskud er mere tæt knyttet til arbejdet (korttidshukommelsen).
Konklusion: Vi har udviklet en enkel, men effektiv strategi for at afgrænse arbejder (korttidshukommelsen) via T-maze i vores global cerebral iskæmi model (ACA).
Introduction
Ifølge American Heart Association (2017), hjertestop (CA)-induceret dødelighed forekommer alle fire minutter, og påvirker over 400.000 mennesker om året i USA1. Det er veldokumenteret, at CA kan medføre neuronal hjerneskade som følge af utilstrækkelig blod perfusion2,3,4. CA-induceret hjerneskade opstår i regionen iskæmi-følsomme CA1 hippocampus5,6,7, der påvirker neuroner, der er afgørende for indlæring og hukommelse8,9, 10,11,12. Endvidere spiller tab af dendritiske rygsøjlen tæthed, iskæmisk betingelser i hippocampus (dvs. CA1 neuroner), en afgørende rolle i rumlig hukommelse værdiforringelse13,14,15. På grund af disse patologiske ændringer efter CA, adfærdsmæssige lidelser som: angst, depression, post-traumatisk stress disorder og hukommelsestab er mere udbredt. Selv om der har været fremskridt inden for medicinsk teknologi (dvs. effektiv ambulant service), der korrelerer med forbedret CA overlevelsesrater, undlader de fleste af de neuroprotektive behandlinger (undtagen hypotermi) at forbedre funktionelle resultater efter CA16 ,17. CA overlevende typisk har en dårlig livskvalitet, og er bebyrdet med incremental medicinsk udgifter16.
Kognitiv status vurderinger for cerebral iskæmi via adfærdsmæssige test er vigtige til at bestemme både narkotika effektivitet og i sidste ende udvikle et vellykket klinisk forsøg. I 1940 ‘ erne designet Edward Tolman den første adfærd retssag at studere hippocampus-baserede rumlig hukommelse18. Efterfølgende blev blev forskellige labyrinter (dvs. Morris vand labyrint, radial labyrint, T – eller Y-labyrint, og Barnes labyrint) udviklet for at evaluere hippocampus-baserede rumlige indlæring og hukommelse i rotter19,20,21,22 ,23. En af de mere udbredte adfærdsmæssige test er Morris vand labyrint, som undersøger rumlige læring og hukommelse i rotte modeller24. Morris vand labyrint kræver imidlertid rotte at svømme og udøve fuld motorik og kontrol. For iskæmi eksperimenter som asphyxial hjertestop (ACA, en rotte model af CA) model, cannulation af den femorale arterie/vene er forpligtet til at opnå afgørende blodtryk, blod gasser og indførelsen af forskellige lægemidler. Da femorale arterie/vene cannulation kan hæmme ben mobilitet rendering rottes evne til at svømme rigtigt, kan Morris vand labyrint ikke være den mest hensigtsmæssige til at teste kognitive funktionsnedsættelser under ACA.
Barnes labyrint er andre udbredte adfærdsmæssige test til at undersøge rumlige indlæring og hukommelse i gnavere modeller. Barnes labyrint kræver ingen anstrengelse af fuld motorik og kontrol, og dermed mindre stressende end Morris vand-labyrint. I fortiden, vi udførte eksperimenter ved hjælp af Barnes labyrinten til at bestemme, hvis funktionelle indlæring/hukommelse forskelle opstår mellem kontrol eller sham versus ACA-induceret rotter. Data indhentet for Barnes labyrint ikke har beslutningen om at teste kognitive funktionsnedsættelser efter mild til moderat ACA at Barnes labyrint er almindeligt anvendt til at måle reference (lang sigt) hukommelse25,26, mens ACA-induceret neurokognitive underskud mere nært beslægtet med arbejder (kortfristet) hukommelse27,28,29,30 tyder på, at Barnes labyrint er mindre rentabelt for vurdering af hukommelsesfunktion i vores ACA model.
Vi har således udviklet en modificeret T-maze ved hjælp af spontan vekslen test til at evaluere arbejder (korttidshukommelsen) efter ACA. Modificerede T-maze spontan vekslen testens største fordel er dens simpelhed og minimal stress på rotter i forhold til andre adfærdsmæssige test skyldes, at den modificerede T-maze ikke kræver forudgående dyretræning, som godt som tunge beregningsmæssige analyse eller sub rutiner (dvs. video billeddannelse af rotten) som krævet af Morris water maze og Barnes labyrint. Her viser vi, at den modificerede T-maze spontane vekslen test er en simpel og alligevel yderst effektiv adfærdsmæssige retssag paradigme, som kan tilbyde nok opløsning til præcist at detektere og evaluere hippocampus funktion i sygdomme, der forårsager kortsigtede hukommelsestab (dvs. ACA).
Protocol
Representative Results
Discussion
Ændringer blev foretaget i den nuværende undersøgelse i forhold til diakon og Rawlins’ protokol31. Den 3D printer blev brugt til at bygge T-maze. 3D-print giver overkommelig og omkostningseffektive alternativer til kommercialiseret T-maze. For at reducere rats’ angst under testen, blev T-maze udført i det mørke rum med minimum belysning. Når rotten indtastet en af de mål, blokeret vi forsigtigt den modsatte arm. Dette undgår mulige stress fra test, såvel som eventuelle skader til rats’ ha…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af den nationale institutter for sundhed/National Institute af neurologiske lidelser og slagtilfælde give 1R01NS096225-01A1, American Heart Association giver AHA-13SDG1395001413, AHA-17GRNT33660336, AHA-17POST33660174, den Louisiana State University Grant i støtte Forskningsråd, The Malcolm Feist kardiovaskulære Research Fellowship og Evelyn F. McKnight Brain-instituttet.
Materials
| 3D Printer | MakerBot | Replicator | Fifth generation |
| 3D Printer Filament | Hatchbox | PLA, 1.75 mm filament diameter | |
| 200 Proof Pure Ethanol | Koptec | V1005SG | |
| Sani-Chips | PJ Murphy-Forest Products | Size: 8 to 20 mesh; 2.2 cubic foot/package; autoclavable bags | |
| Rat | Charles River Laboratories | Sprague-Dawley | |
| Vecuronium bromide | Sun Pharmaceutical | 47335-931-40 | 10 mg |
| Epinephrine | Par Pharmaceutical | 42023-103-01 | Adrenalin Chloride Solution 1 mg/mL, 1:1000 |
| Buprenorphine Hydrochloride Injection | Pfizer | 00409-2012-32 | 0.3mg/mL |
| SketchUp | Trimble Inc. | 3D modeling software | |
| VentElite Small Animal Ventilator | Harvard Apparatus | 55-7040 | Animals raging in size from mouse to guinea pig (10g to 1kg) |
| PowerLab 8/35 | Adinstruments | PL3508 | 8 analog input channels – 4 of which can be used in differential mode. |
| Bio Amps | Adinstruments | FE132 | The Bio Amp is a galvanically isolated, high-performance differential bio amplifier optimized for the measurement of a wide variety of biological signals such as ECG, EMG and EEG recordings. |
| Quad Bridge Amp | Adinstruments | FE224 | A four-channel, non-isolated bridge amplifier designed to allow the PowerLab to connect to most DC bridge transducers. |
| LabChart 8 | Adinstruments | ||
| ABL80 FLEX CO-OX blood gas analyzer | Radiometer | pH / p CO2 / p O2 | |
| SURFLO Teflon I.V. Catheter | Terumo | sc-361556 | Only use the flexible thin wall catheter (49-mm long) |
| Pipet/Infusion Needle | Hamilton | 7748-03 | 17-gauge; 93-mm long; 10-degree angle |
| Classic T3 Vaporizer | SurgiVet | VCT302 | Classic T3 Isoflurane Funnel Fill |
| ENVIRO-PURE Charcoal Canister | SurgiVet | 32373B10 | Designed to absorb waste anesthetic gas |
| O2 single flowmeter | SurgiVet | 32375B1 | 0-1000 mL |
| N2O Flowmeter | VetEquip | 401721 | 0-4LPM |
| Clay Adams Intramedic Luer-Stub Adapter (Sterile) | Becton Dickinson | 427565 | 23 gauge |
| Micro Forceps | Black and Black surgical | B3FRC-18 RM-8 | 7 1/4" (18 cm), 8mm RH, counterweight w/ guide pin 2mm, platform 6 x .3 mm, curved. |
| Halstead Mosquito Forceps | Roboz | RS-7111 | Curved; 5" Length, 1.3 mm tip diameter, 2.1 mm jaw width |
| Mixter Forceps | Roboz | RS-7291 | 5.25" Curved Extra Delicate, 1.1 mm tips |
| Castroviejo Micro Dissecting Spring Scissors | Roboz | RS-5650 | Straight, Sharp Points; 9 mm Cutting Edge; 0.15 mm Tip Width; 3 1/2" Overall Length |
| Mayo-Stille Scissors | Roboz | RS-6891 | 5.5" Round Curved |
| Dumont #5 Forceps | Roboz | RS-5058 | 45 Deg Dumoxel Tip Size .10 x .06 mm |
| Olsen-Hegar Combination Scissor And Needle Holder | Roboz | RS-7884 | Cross Serration Tip; 5.5" Length |
| Moloney Forceps | Roboz | RS-8254 | Serrated; Slight Curve; 4.5" Length |
Referências
- Writing Group, M., et al. Heart Disease and Stroke Statistics-2016 Update: A Report From the American Heart Association. Circulation. 133, e38-e360 (2016).
- Beuret, P., et al. Cardiac arrest: prognostic factors and outcome at one year. Resuscitation. 25, 171-179 (1993).
- Kim, Y. J., et al. Long-term neurological outcomes in patients after out-of-hospital cardiac arrest. Resuscitation. 101, 1-5 (2016).
- Earnest, M. P., Yarnell, P. R., Merrill, S. L., Knapp, G. L. Long-term survival and neurologic status after resuscitation from out-of-hospital cardiac arrest. Neurology. 30, 1298-1302 (1980).
- Cerchiari, E. L., Safar, P., Klein, E., Cantadore, R., Pinsky, M. Cardiovascular function and neurologic outcome after cardiac arrest in dogs. The cardiovascular post-resuscitation syndrome. Resuscitation. 25, 9-33 (1993).
- Petito, C. K., Feldmann, E., Pulsinelli, W. A., Plum, F. Delayed hippocampal damage in humans following cardiorespiratory arrest. Neurology. 37, 1281-1286 (1987).
- Schmidt-Kastner, R., Freund, T. F. Selective vulnerability of the hippocampus in brain ischemia. Neurociência. 40, 599-636 (1991).
- Corkin, S. What’s new with the amnesic patient H.M.?. Nat Rev Neurosci. 3, 153-160 (2002).
- Scoville, W. B., Milner, B. Loss of recent memory after bilateral hippocampal lesions. 1957. J Neuropsychiatry Clin Neurosci. 12, 103-113 (2000).
- Smith, T. D., Calhoun, M. E., Rapp, P. R. Circuit and morphological specificity of synaptic change in the aged hippocampal formation. Neurobiol Aging. 20, 357-358 (1999).
- Gage, F. H., Dunnett, S. B., Bjorklund, A. Spatial learning and motor deficits in aged rats. Neurobiol Aging. 5, 43-48 (1984).
- Tulving, E., Markowitsch, H. J. Episodic and declarative memory: role of the hippocampus. Hippocampus. 8, 198-204 (1998).
- Neigh, G. N., et al. Cardiac arrest with cardiopulmonary resuscitation reduces dendritic spine density in CA1 pyramidal cells and selectively alters acquisition of spatial memory. Eur J Neurosci. 20, 1865-1872 (2004).
- Volpe, B. T., Davis, H. P., Towle, A., Dunlap, W. P. Loss of hippocampal CA1 pyramidal neurons correlates with memory impairment in rats with ischemic or neurotoxin lesions. Behav Neurosci. 106, 457-464 (1992).
- Astur, R. S., Taylor, L. B., Mamelak, A. N., Philpott, L., Sutherland, R. J. Humans with hippocampus damage display severe spatial memory impairments in a virtual Morris water task. Behav Brain Res. 132, 77-84 (2002).
- Lee, R. H., et al. Fatty acid methyl esters as a potential therapy against cerebral ischemia. OCL. 23, D108 (2016).
- Lee, R. H., Porto, L. F., et al. Chapter 1. Palmitic acid: occurrence, biochemistry and health effects. , 1-15 (2014).
- Tolman, E. C., Gleitman, H. Studies in spatial learning; place and response learning under different degrees of motivation. J Exp Psychol. 39, 653-659 (1949).
- Koopmans, G., Blokland, A., van Nieuwenhuijzen, P., Prickaerts, J. Assessment of spatial learning abilities of mice in a new circular maze. Physiol Behav. 79, 683-693 (2003).
- Barnes, C. A. Memory deficits associated with senescence: a neurophysiological and behavioral study in the rat. J Comp Psychol. 93, 74-104 (1979).
- Paul, C. M., Magda, G., Abel, S. Spatial memory: Theoretical basis and comparative review on experimental methods in rodents. Behav Brain Res. 203, 151-164 (2009).
- Vorhees, C. V., Williams, M. T. Assessing spatial learning and memory in rodents. ILAR J. 55, 310-332 (2014).
- Sharma, S., Rakoczy, S., Brown-Borg, H. Assessment of spatial memory in mice. Life Sci. 87, 521-536 (2010).
- Poon, T. P., et al. Spinal cord toxoplasma lesion in AIDS: MR findings. J Comput Assist Tomogr. 16, 817-819 (1992).
- Sunyer, B., Patil, S., Höger, H., Lubec, G. Barnes maze, a useful task to assess spatial reference memory in the mice. Nat Protoc. 390, (2007).
- Shoji, H., Hagihara, H., Takao, K., Hattori, S., Miyakawa, T. T-maze forced alternation and left-right discrimination tasks for assessing working and reference memory in mice. J Vis Exp. , (2012).
- Seeger, T., et al. M2 muscarinic acetylcholine receptor knock-out mice show deficits in behavioral flexibility, working memory, and hippocampal plasticity. J Neurosci. 24, 10117-10127 (2004).
- Olton, D. S., Feustle, W. A. Hippocampal function required for nonspatial working memory. Exp Brain Res. 41, 380-389 (1981).
- Hayashida, K., et al. Hydrogen inhalation during normoxic resuscitation improves neurological outcome in a rat model of cardiac arrest independently of targeted temperature management. Circulation. 130, 2173-2180 (2014).
- Dember, W. N., Richman, C. L. . Spontaneous alternation behavior. , (1989).
- Deacon, R. M., Rawlins, J. N. T-maze alternation in the rodent. Nature protocols. 1, 7-12 (2006).
- Wong, K. V., Hernandez, A. A review of additive manufacturing. ISRN Mechanical Engineering. 2012, (2012).
- Lin, H. W., et al. Derangements of post-ischemic cerebral blood flow by protein kinase C delta. Neurociência. 171, 566-576 (2010).
- Lin, H. W., et al. Fatty acid methyl esters and Solutol HS 15 confer neuroprotection after focal and global cerebral ischemia. Transl Stroke Res. 5, 109-117 (2014).
- Lee, R. H., et al. Interruption of perivascular sympathetic nerves of cerebral arteries offers neuroprotection against ischemia. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 312, H182-H188 (2017).
- Bali, Z. K., et al. Differential effects of alpha7 nicotinic receptor agonist PHA-543613 on spatial memory performance of rats in two distinct pharmacological dementia models. Behav Brain Res. 278, 404-410 (2015).
- McDonald, J. H. . Handbook of biological statistics. 2, (2009).
- Castellano, M. A., Diaz-Palarea, M. D., Rodriguez, M., Barroso, J. Lateralization in male rats and dopaminergic system: evidence of right-side population bias. Physiol Behav. 40, 607-612 (1987).
- Andrade, C., Alwarshetty, M., Sudha, S., Suresh Chandra, J. Effect of innate direction bias on T-maze learning in rats: implications for research. J Neurosci Methods. 110, 31-35 (2001).
