Summary

Generering af akutte og kroniske eksperimentelle modeller af motorisk tic expression hos rotter

Published: May 27, 2021
doi:

Summary

Vi præsenterer protokoller til generering af akutte og kroniske eksperimentelle modeller af tic udtryk i frit at opføre rotter. Modellerne er baseret på striatal kanyle implantation og efterfølgende GABAA antagonist ansøgning. Den akutte model bruger forbigående injektioner, mens den kroniske model udnytter langvarige infusioner via en subkutan implanteret mini-osmotisk pumpe.

Abstract

Motoriske tics er pludselige, hurtige, tilbagevendende bevægelser, der er de vigtigste symptomer på Tourettes syndrom og andre tic lidelser. Patofysiologien af tic generation er forbundet med unormal hæmning af basal ganglier, især dens primære inputstruktur, striatum. I dyremodeller af både gnavere og ikke-menneskelige primater fremkalder lokal anvendelse af GABA A-antagonister, såsom bikukullin og picrotoxin, i striatummotordelene lokal disinhibition, hvilket resulterer i ekspression af motorik.

Her præsenterer vi akutte og kroniske modeller af motorik hos rotter. I den akutte model fremkalder bikukuliske mikroinjections gennem en kanyle implanteret i dorsal striatum udtrykket af tics, der varer i korte perioder på op til en time. Den kroniske model er et alternativ, der gør det muligt at udvide tic udtryk til perioder på flere dage eller endda uger, udnytte kontinuerlig infusion af bicuculline via en sub-kutan mini-osmotisk pumpe.

Modellerne gør det muligt at studere de adfærdsmæssige og neurale mekanismer i tic generation i hele cortico-basal ganglier vej. Modellerne understøtter implantation af yderligere registrerings- og stimuleringsanordninger ud over injektionskanylerne, hvilket giver mulighed for en bred vifte af anvendelser såsom elektrisk og optisk stimulation og elektrofysiologiske optagelser. Hver metode har forskellige fordele og mangler: den akutte model gør det muligt at sammenligne bevægelsens kinemiske egenskaber og de tilsvarende elektrofysiologiske ændringer før, under og efter tic udtryk og virkningerne af kortsigtede modulatorer på tic udtryk. Denne akutte model er enkel at etablere; Den er dog begrænset til en kort periode. Den kroniske model, mens mere kompleks, gør det muligt at studere tic dynamik og adfærdsmæssige virkninger på tic udtryk over længere perioder. Således driver typen af empirisk forespørgsel valget mellem disse to komplementære modeller af tic-udtryk.

Introduction

Tics er det definerende symptom på Tourettes syndrom (TS) og andre tic lidelser. Tics beskrives som pludselige, hurtige, tilbagevendende bevægelser (motoriske tics), eller vokaliseringer (vokal tics)1. Tic udtryk typisk svinger i sin tidsmæssige (frekvens)2 og rumlige (intensitet, kropsplacering)3 egenskaber over flere tidsskalaer (timer, dage, måneder og år). Disse ændringer påvirkes af forskellige faktorer, såsom miljømæssige funktioner4,5, adfærdsmæssigetilstande 6,7og frivillig og midlertidig undertrykkelse8.

Selv om den neuronale mekanisme, der styrer motorik, stadig ikke er fuldt forstået, har et stigende antal teoretiske og eksperimentelle undersøgelser givet nye beviser for dens art9. I øjeblikket er patofysiologi af tic generation menes at inddrage cortico-basal ganglier (CBG) loop, og specifikt er forbundet med unormal hæmning af striatum, den primære basal ganglier input kerne10,11,12. Tidligere undersøgelser af gnavere og primater har vist , at striatum kan disinhibited ved lokal anvendelse af forskellige GABAA antagonister, såsom bicuculline og picrotoxin13,14,15,16,17,18. Denne farmakologiske intervention fører til forbigående motorisk udtryk i kontralateral side til injektionen, hvilket etablerer en robust akut model af tic lidelser med ansigt og konstruere gyldighed. Den akutte model er enkel at fremkalde og gør det muligt at studere virkningerne af kortsigtet graduering såsom elektrisk og optisk stimulation samtidig med elektrofysiologiske og kinemiske optagelser før, under og efter tic udtryk. Den akutte model er dog begrænset til den korte periode efter injektionen. Baseret på den akutte model foreslog vi for nylig en kronisk model af tic generation hos rotter, der bruger en langvarig, fast infusion af bicuculline til striatum via en subkutan-implanteret mini-osmotisk pumpe19. Denne model udvider perioden for tic-udtrykket til flere dage/uger. Den konstante frigivelse af bicuculline over en længere periode giver mulighed for undersøgelse af virkningerne af en række faktorer såsom farmakologiske behandlinger og adfærdsmæssige tilstande på tic udtryk.

Her præsenterer vi protokoller til generering af de akutte og kroniske modeller af tic udtryk hos rotter. Som en funktion af det specifikke forskningsspørgsmål muliggør protokollerne finjustering af parametrene, herunder ensidig versus bilateral implantation, tics sted (i henhold til striatums somatotopiske organisation)18 og implantatkanylens vinkel (afhængigt af placeringen af yderligere implanterede enheder). Den metode, der anvendes i den kroniske model er delvist baseret på kommercielle produkter, men med kritiske justeringer, der passer til tic model. Denne artikel beskriver de justeringer, der er nødvendige for at skræddersy disse tic-modeller.

Protocol

Alle procedurer blev godkendt og overvåget af Udvalget for Institutionel Dyrepleje og -brug og overholdt National Institutes of Health Guide for care and use of Laboratory Animals og Bar-Ilan University Guidelines for the Use and Care of Laboratory Animals in Research. Denne protokol blev godkendt af Sundhedsministeriets nationale komité for forsøg med dyr. BEMÆRK: Denne protokol udnytter kvindelige Long-Evans rotter (akutte og kroniske modeller) og kvindelige Sprague Dawley rotter (akut m…

Representative Results

Protokollerne for generering af de akutte og kroniske modeller for induktion hos rotter blev præsenteret ovenfor. Protokollerne dækker hele forberedelsen til kirurgi og eksperimenter(figur 1 for den akutte model, figur 2 for den kroniske model). Anvendelsen af bikuculline i striatummotorområderne resulterer i ekspression af igangværende motorik. Tics vises på den kontralaterale side til applikationen og er kendetegnet ved korte og gentagne muskelsammentræk…

Discussion

I dette manuskript detaljerede vi protokollerne for de akutte og kroniske modeller til tic induktion i en frit barberet rotte. Disse protokoller beskriver forberedelsen af alle komponenter, operationen og den eksperimentelle proces, der kan tilpasses tilpasningen for at imødekomme specifikke forskningsbehov. Det primære princip, der ligger til grund for disse modeller, er den direkte lokale anvendelse af bikuculline til striatumens motorområder, som er kendt for at spille en central rolle i patofysiologien af tic lide…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Denne undersøgelse blev delvist støttet af et tilskud fra Israel Science Foundation (ISF) (297/18). Forfatterne takker M. Bronfeld for at etablere den akutte gnavermodel og M. Israelashvili for hendes kommentarer.

Materials

Anchor screws Micro Fasteners SMPPS0002 #0 x 1/8 – Pan Head Sheet Metal Screws
Bicuculline methiodide Sigma Aldrich 14343
Cyanoacrylate (CA) accelerator Zap PT29
Cyanoacrylate (CA) glue BSI IC-2000 This glue was found to be stronger than others
Dental cement Coltene H00322 Hygenic Perm Repair Material Reline Resin Self Cure
Glue gel Loctite Ultra Gel Control
Hemostat WPI 501242 Any hemostat sized approximately 14 cm would be sufficient
Hypo-tube, extra-thin wall 25G Component supply company HTX-25X
Hypo-tube, regular wall 22G Component supply company HTX-22R
Hypo-tube, regular wall 30G Component supply company HTX-30R
Infusion pump machine New Era Pump Systems NE-1000
Mini-osmotic pump ALZET 2001 1.0µl per hour, 7 days
PE compatible adhesive CEYS Special difficult plastics (suitable for PE)
PE-10 Catheter Tubing ALZET PE-10 ID = 0.28mm, OD = 0.61mm
Precision glass microsyringe, 10µl Hamilton 80065 1701 RNR 10µl syr (22s/51/3)
Tissue adhesive 3M 1469Sb Vetbond
Tubing-adapter CMA 3409500
Tygon micro bore tubing, 0.02 inch ID * 0.06 OD Component supply company TND80-020
Wire 0.005-inch Component supply company GWX-0050
Wire 0.013-inch Component supply company GWX-0130

Referências

  1. American Psychiatric Association. DSM-5. American Psychiatric Association. , (2013).
  2. Peterson, B. S., Leckman, J. F. The temporal dynamics of tics in Gilles de la Tourette syndrome. Biol.Psychiatry. 44, 1337-1348 (1998).
  3. Ganos, C., et al. The somatotopy of tic inhibition: where and how much. Movement Disorders. , (2015).
  4. Barnea, M., et al. Subjective versus objective measures of tic severity in Tourette syndrome – The influence of environment. Psychiatry Research. 242, 204-209 (2016).
  5. Silva, R. R., Munoz, D. M., Barickman, J., Friedhoff, A. J. Environmental Factors and Related Fluctuation of Symptoms in Children and Adolescents with Tourette’s Disorder. Journal of Child Psychology and Psychiatry. 36 (2), 305-312 (1995).
  6. Rothenberger, A., et al. Sleep and Tourette syndrome. Advances in Neurology. 85, 245-259 (2001).
  7. Conelea, C. a., Woods, D. W., Brandt, B. C. The impact of a stress induction task on tic frequencies in youth with Tourette Syndrome. Behaviour Research and Therapy. 49 (8), 492-497 (2011).
  8. Ganos, C., Rothwell, J., Haggard, P. Voluntary inhibitory motor control over involuntary tic movements. Movement Disorders. 33 (6), 937-946 (2018).
  9. Yael, D., Vinner, E., Bar-Gad, I. Pathophysiology of tic disorders. Movement Disorders. 30 (9), 1171-1178 (2015).
  10. Kurvits, L., Martino, D., Ganos, C., Eddy, C. M. Clinical Features That Evoke the Concept of Disinhibition in Tourette Syndrome. Frontiers in Psychiatry. 11, 1-10 (2020).
  11. Mink, J. W. Basal ganglia dysfunction in Tourette’s syndrome: a new hypothesis. Pediatric Neurology. 25, 190-198 (2001).
  12. Bronfeld, M., Bar-Gad, I. Tic disorders: what happens in the basal ganglia. The Neuroscientist. 19 (1), 101-108 (2013).
  13. Tarsy, D., Pycock, C. J., Meldrum, B. S., Marsden, C. D. Focal contralateral myoclonus produced by inhibition of GABA action in the caudate nucleus of rats. Brain. 101 (1), 143-162 (1978).
  14. Crossman, A. R., Mitchell, I. J., Sambrook, M. A., Jackson, A. Chorea and Myoclonus in the Monkey Induced By Gamma-Aminobutyric Acid Antagonism in the Lentiform Complex. Brain. 111 (5), 1211-1233 (1988).
  15. McCairn, K. W., Bronfeld, M., Belelovsky, K., Bar-Gad, I. The neurophysiological correlates of motor tics following focal striatal disinhibition. Brain. 132 (8), 2125-2138 (2009).
  16. Worbe, Y., et al. Behavioral and movement disorders induced by local inhibitory dysfunction in primate striatum. Cerebral Cortex. 19 (8), 1844-1856 (2009).
  17. Pogorelov, V., Xu, M., Smith, H. R., Buchanan, G. F., Pittenger, C. Corticostriatal interactions in the generation of tic-like behaviors after local striatal disinhibition. Experimental Neurology. 265, 122-128 (2015).
  18. Bronfeld, M., Yael, D., Belelovsky, K., Bar-Gad, I. Motor tics evoked by striatal disinhibition in the rat. Frontiers in Systems Neuroscience. 7, 50 (2013).
  19. Vinner, E., Israelashvili, M., Bar-Gad, I. Prolonged striatal disinhibition as a chronic animal model of tic disorders. Journal of Neuroscience Methods. 292, 20-29 (2017).
  20. Paxinos, G., Watson, C. . The Rat Brain in Stereotaxic Coordinates. 6, (2007).
  21. Flecknell, P. Analgesia and Post-Operative Care. Laboratory Animal Anaesthesia. , (2016).
  22. Israelashvili, M., Bar-Gad, I. Corticostriatal divergent function in determining the temporal and spatial properties of motor tics. Journal of Neuroscience. 35 (50), 16340-16351 (2015).
  23. Bronfeld, M., Belelovsky, K., Bar-Gad, I. Spatial and temporal properties of tic-related neuronal activity in the cortico-basal ganglia loop. Journal of Neuroscience. 31 (24), 8713-8721 (2011).
  24. McCairn, K. W., et al. A Primary Role for Nucleus Accumbens and Related Limbic Network in Vocal Tics. Neuron. 89 (2), 300-307 (2016).
  25. Rizzo, F., et al. Aripiprazole Selectively Reduces Motor Tics in a Young Animal Model for Tourette’s Syndrome and Comorbid Attention Deficit and Hyperactivity Disorder. Frontiers in Neurology. 9, 1-11 (2018).
  26. Vinner, E., Matzner, A., Belelovsky, K., Bar-gad, I. Dissociation of tic expression from its neuronal encoding in the striatum during sleep. bioRxiv. , (2020).
  27. Webster, K. E. Cortico-striate interrelations in the albino rat. Journal of Anatomy. 95, 532-544 (1961).
  28. Ebrahimi, A., Pochet, R., Roger, M. Topographical organization of the projections from physiologically identified areas of the motor cortex to the striatum in the rat. Neuroscience Research. 14, 39-60 (1992).
  29. Brown, L. L., Sharp, F. R. Metabolic mapping of rat striatum: somatotopic organization of sensorimotor activity. Brain Research. 686, 207-222 (1995).
  30. Brown, L. L., Smith, D. M., Goldbloom, L. M. Organizing principles of cortical integration in the rat neostriatum: Corticostriate map of the body surface is an ordered lattice of curved laminae and radial points. Journal of Comparative Neurology. 392 (4), 468-488 (1998).
  31. Yael, D., Tahary, O., Gurovich, B., Belelovsky, K., Bar-Gad, I. Disinhibition of the nucleus accumbens leads to macro-scale hyperactivity consisting of micro-scale behavioral segments encoded by striatal activity. The Journal of Neuroscience. , 3120 (2019).
  32. Obeso, J. A., Rothwell, J. C., Marsden, C. D. The spectrum of cortical myoclonus. From focal reflex jerks to spontaneous motor epilepsy. Brain. 108, 124-193 (1985).
  33. Bronfeld, M., et al. Bicuculline-induced chorea manifests in focal rather than globalized abnormalities in the activation of the external and internal globus pallidus. Journal of Neurophysiology. 104 (6), 3261-3275 (2010).
check_url/pt/61743?article_type=t

Play Video

Citar este artigo
Vinner, E., Belelovsky, K., Bar-Gad, I. Generating Acute and Chronic Experimental Models of Motor Tic Expression in Rats. J. Vis. Exp. (171), e61743, doi:10.3791/61743 (2021).

View Video