Использование Operant Orofacial Устройство оценки боли (Opad) для определения изменений в болевое поведение
Summary
Мы представляем удобный, высокой пропускной оперантный системы для оценки боли у бодрствующих поведения, сознательное грызунов. Orofacial Устройство оценки боли (Opad) может оценить боль через награда / парадигмы конфликта таким образом обеспечивая более гуманный способ тестирования. Этот протокол будет давать более клинически значимым и трансляционные данных от грызунов.
Abstract
Мы представляем оперантный системы для обнаружения боли у бодрствующих, сознательное грызунов. Orofacial Устройство оценки боли (Opad) оценивает поведение боли в более клинически значимым образом не полагаясь на рефлекс на основе мер ноцицепции. Питания пост, голые (или бритой) грызунов помещают в камеру из плексигласа, которая имеет два Пельтье на основе термодатчиков, которые могут быть запрограммированы на любой температуре от 7 ° C до 60 ° C. Грызун обучается вступить в контакт с этими, чтобы получить доступ награду бутылку. Во время сеанса, ряд поведенческих результатов боли автоматически записываются и сохраняются. Эти меры включают в число активаций награду бутылку (облизывает) и лицевые стимулы контакт (лицом контакты), но такие меры, как пользовательские лизать / лица соотношение (общее количество лижет за сессию / общее количество контактов) также может быть создан. Стимул температуры может быть установлен на одной температуре или нескольких температурах в течение сеанса. Opadявляется высокой пропускной способностью, проста в использовании оперантного анализа, который приведет к улучшению перевод исследования боли в будущем, поскольку он включает в себя корковых ввода, вместо того чтобы полагаться на спинального рефлекса на основе ноцицептивных анализов.
Introduction
Хронический, неконтролируемая боль остается одной из основных проблем общественного здравоохранения и роман обезболивающее лечение часто не в состоянии переводить с скамьи к постели. Это отсутствие успеха Отчасти это связано с неэффективным использованием поведенческого анализа в рефлекс основан меры боли, которые не всегда и не полностью моделируют состояние человека 1,2 боли, и, в частности, отсутствие надежной, высокой пропускной способности, имеющиеся в продаже , в естественных условиях боль-тест для оценки крыс и мышей. Мы приведем здесь высокая пропускная способность, простой в использовании версией нашего анализа на основе оперантного ноцицепцию. Эта новая система основана на нашем предыдущем анализе оперантный орофациальная боль, которая была продемонстрирована быть чувствительным к обнаружению различных болевых включая жару, холод и механические 3,4,5. Из этих мер, широкий выбор полей были изучены, в том числе анальгетики 6,3,4,5,7, боль условиях, таких как воспаление, гипералгезии и аллодинии <sдо> 3,8, 9 невралгии тройничного нерва и периферических ноцицептивных модуляции по каналам ГТО капсаицин, резинифератоксина, ментол, и icillin 8,10,5,11. Психологические эффекты, такие как тревога-индуцированной модуляции боли 12 и эффект плацебо 13 также были продемонстрированы с орофациальная оперантный тестирования предполагая, может быть целесообразным для измерения полного переживания боли, а не просто ноцицепцию.
Orofacial Устройство оценки боли (Opad) использует вознаграждение / конфликт анализа, который позволяет грызунов выбрать между получением армирующего вознаграждение или выхода стимул отвращение таким регулированием количества боль он чувствует во время сеанса 14,15. Грызуны первой обучены нажимать их лица в контролируемой температурой термодатчиков для того, чтобы получить доступ к пищевому бутылку с жидкостью награду. После обучения, стимул температуру можно нагревать или охлаждать и различия в повторнойсоответствующая можете указать уровень ноцицепцию или обезболивания животных воспринимает. Opad также способен резким изменениям температуры, который позволяет тестирования базовых и оценка боли в горячих и холодных температур в рамках одного сеанса тестирования. Здесь мы представляем простой протокол, который подчеркивает способность Opad для обнаружения изменений в боли, вызванных жарой, холодом и TRPV1 агонистов капсаицин 16. Капсаицин ниже используется в качестве теплового сенсибилизирующим агентом, поскольку он имеет несколько преимуществ этого анализа, как он не является повреждение тканей и было показано ранее, чтобы вызвать лицевой аллодинии и гипералгезии на моделях грызунов 8. Мы продемонстрируем, как программное обеспечение Opad могут быстро получать, анализировать, графика, и выполнить статистический анализ на данных о поведении грызунов.
Protocol
Representative Results
Discussion
Система Opad является простым в использовании, высокая пропускная способность анализа способна обнаруживать изменения в восприятии боли у грызунов. Высокая пропускная способность природы этой системы означает, что многочисленные животные могут быть проверены в течение одного дня по одному человеку. Это связано с Opad системного программного обеспечения, так как позволяет до 16 коробок параллельное выполнение на одном компьютере. Это означает, что после первоначальной установки времени, около 48 оперантный трасс (в течение 18 мин за один цикл) могут быть выполнены в час, даже больше, если время сеанса устанавливается меньшим Время на сцене. Это позволяет боли тестирования в сотни животных в день. Это количество тестирования было бы нецелесообразно с большинством традиционных анализов боли.
В соответствии с нашей предыдущей работы, поведение грызунов переделан под болезненных состояний. Во время безвредными периоды грызуны обычно имеют длительные приступы питьевой, в которых они поддерживают контакт с термодатчиками. Во отвращение 45 ° C или 7 ° C условияхгрызунов имеют намного короче, приступы поскольку они не могут поддерживать контакт в течение длительного периода времени. Поэтому лизать / лица отношение (число лижет деленное на число лицевой контактов в течение сеанса) изменяется от боли. Капсаицин увеличивает чувствительность до нагреть боль как продемонстрировано ниже L / F соотношение в обработанной по сравнению с необработанными грызунов при 45 ° C температуры. Анальгетики могут вернуться в этой фразе / лица соотношении до уровней, не болезненные состояния 3. Хотя боль условиях, которые легко образуются на кожу (например, применение крема капсаицин) представляют собой простые методы обнаружения боль в этом анализе животных моделях более клинически значимых глубоко нейронной ткани боли, как невралгия тройничного нерва также может изменять поведение на оперантной орофациальная анализов 9 . Взятые вместе, эти данные поддерживают доказательства того, что Opad чувствительна к изменениям тепла и холода, боли порогов и вредные химические вещества, как капсаицин, в дополнение к оперантнойСпособность анализа орофациальная боль для обнаружения многих других условий боли и обезболивания 6,3,8,17,10,5,12,18,11,9.
Система Opad о измерительного боли является более клинически значимым, значимое, и гуманным методом обнаружения боли, чем рефлекс мер. Эти традиционные меры ноцицепции как лапу вывода с фон Фрей нитей 19 и хвост-фильм анализа 20 были использованы на протяжении более века, но они измеряют только ответ на экспериментатора нанесенные стимул. Животное практически не контролирует и "болевой" в основном локализуется в спинном мозге. Для людей, субъективное переживание боли также имеет важное значение, так как люди просто попросили сообщать о своих субъективных уровнях боли. Возможность для животных, чтобы сами сообщают свои боли в оперантный основе процедуры были бы прорывом для фундаментальных исследований боли 1. С Opad животным делают выбор того, отвечает на запросы при APainful стимул или нет. Если это слишком болезненно, животные просто уменьшить их попытки достичь награду и тем самым ограничить их воздействие на боль. Это гораздо более гуманной и менее напряженным анализа по сравнению с многими рефлекса на основе мер, в которых животные часто имеют свои движения ограничены и не имеют никакого контроля над количеством болевых стимулов, к которым они подвергаются. Нужно бежать от боли является неотъемлемым привода у всех животных и Opad включает это поведение, а не компенсировать его как любой другой ноцицептивных анализов. Движение от рефлекса мер, основанных на боли в оперантный задач становится все более распространенным в этой области. Другие группы используют не-рефлекс мер, основанных на еду как изучение продолжительности 21,22,23 и Термические боли побег парадигм 24 (Обзор других мер боль, которую мы предлагаем нашим первой ссылки 1). Opad умеет сочетать элементы этих в единую меру, Лик / лица соотношении, WHICH рассматривает потребление пищи и нужно бежать от болевого стимула. Другим преимуществом является то, что этот анализ может измерять боль в течение длительных периодов времени (1-2 месяца) без потери чувствительности 7,9. Из-за его преимуществ по сравнению с рефлексом на основе тестирования, это менее напряженным и более гуманные анализа хорошо приспособлен к измерению долгосрочные изменения в болевое поведение у грызунов.
Operant боли меры часто дают разные результаты по сравнению с рефлексом основе мер с точки зрения эффектов опиоидов дозы и болевой порог. В то время как высокие дозы опиоидов обычно используются для зеркальных мер, основанных на 25 Некоторые исследования показывают, что более низкие дозы необходимы для ответов на оперантный анализов 26,27,28. Высокие дозы препарата могут также столкнуться с оперантного но эти меры могут быть обнаружены с Opad 6. Другие исследования также показали, что пороговые значения для выхода из болезненного стимула различны для оперантного Versuс рефлексом основе мер 29,2,30 предполагая, основное различие между животными восприятие боли по сравнению с скорость их спинномозговые рефлексы. Преимуществом является то, что Opad грызун может выбрать, следует ли выполнить задачу, это позволяет грызунов выразить побега или избегающего поведения. Это сложное поведение требуется корковых принятия решений, чтобы контролировать количество ноцицепции грызун чувствует 14,29,15,30. В то время как побег и уклонение поведение может помешать рефлекс основан меры эти боли поведения являются неотъемлемым компонентом Opad. Различия в болевой порог и более низкие дозы опиоидов, необходимые для оперантной анализов предложить более высокую чувствительность к боли и аналгезии, чем традиционные рефлекс мер.
Хотя Opad может измерять боль более непосредственно, чем традиционные анализы несколько экспериментальных условиях и наркотиков может оказать негативное влияние на результаты анализа и которые необходимо контролировать. Изменениес в аппетитивную мотивация может изменить поведение на этом анализе. Это может быть отражено на разницу в награду себе 31 или мотивации вознаграждение 6. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы мотивация животного за наградой является постоянной, как многие препараты могут мешать мотивации. Например, высокие дозы морфина и других опиоидов может вызвать гиперфагия для сладкого, жирного вещества 32, который изменит отвечать на оперантный орофациальная анализа 6. Хотя это и предполагают, что это на основе оперантного награду конфликта парадигмы имеет более широкие последствия для использования, включая поля тревоги и наркомании (то есть изменения полезных аспектов в присутствии данного болевого раздражителя) важно контролировать аппетит изменения во время боли тестирование сессий. Эти изменения в мотивации не появляются на этих клинически значимых низких дозах, но обезболивающее действие остаются нетронутыми 3. Один из способов CONTрол для этого возможно смешивать является обеспечение дозы препарата дано не увеличивает поведение при нейтральном (33-37 ° С) температуре. Тестирование препарата против немедикаментозных группы при нейтральном температура должна быть первым шагом перед добавлением боль компонента. Кроме того, учитывая, что несколько сеансов базовой возможны в тестировании использованием Opad эти проблемы могут быть обнаружены и может управляться для пределах одного поведенческого сессии. Как поститься графика может изменить мотивацию на этом анализе важно сохранить это последовательно. Как правило, мы голодания в течение ночи, но и другие возможные графики. Например, мы экспериментировали с ежедневным короткий пост 6 часов, после чего (неопубликованные результаты). Это позволяет для тестирования ежедневно, а через день. Кроме того, ослабленные крыс также отреагировали также на анализе 9. Независимо от поста методы используются, это в основном важно держать его постоянной в течение всего тестирования для контроля мотивационные факторы.
<p class="Jove_content"> В заключение, Opad является простым в использовании оперантного анализа, который измеряет боли на уровне гораздо более похоже на состояние человека, чем традиционные анализы боли. Ключевой особенностью этой системы является интеграция экспериментальных параметров и протоколов, сбор данных, анализ и / результатов измерений с использованием программно-управляемых системой. Это обеспечит богатство управляемых пользователем опции и параметры для сбора и анализа многочисленных критериями оценки в высокой пропускной моды. Это контрастирует обычно используется боль-тестирования системы (например, резкие движения хвостом, фон Фрея нитей), которые не являются ни программным управлением, ни высокой пропускной способностью. Программным управлением система обеспечивает значительное улучшение для того, как поведенческих исследований разработаны и, как данные собраны и проанализированы и увеличение использования этого анализа позволит фундаментальных исследований боль, чтобы стать более клинически переводимые в будущем. Эта система, как ожидается, окажет существенное влияние на ADVAncing будущих исследованиях, связанных с болью, потому что эти оперантного поведенческие исследования могут предоставить необходимые ссылки для понимания влияния структуры высшего порядка на общее поведение боль.Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Национальный институт по злоупотреблению наркотиками, NIH грант 5R44DA026220-03
Materials
| Name of Reagent/Material | Company | Catalog Number | Comments |
| Sweetended Condensed Milk | Borden | 5272910108 | |
| Capzasin-HP 0.1% | Chattem, Inc. | 0032648-02 | |
| Isopropyl alcohol | CVS | 5042826245 | |
| Isoflurane | Piramal Healthcare | 66794-013-25 | |
| Opthalamic vet ointment | Dechra | 17033-211-38 | |
| Hair remover lotion | Church and Dwight Co., Inc | NRLBB-22339-04 | |
| OPAD System | Stoelting | 67500 | |
| Additional OPAD cages | Stoelting | 67501 | |
| Granulated cylinder | Cole-Parmer | EW-34512-11 | |
| Paper towels | ANY | ANY | |
| Cotton tipped applicators | Fisher | 23-400-101 | |
| Fluotec 4 Vaporizer | Ohmeda | 39711 | |
| Hair clippers | Oster | 78005-010 |
References
- Mogil, J. S. Animal models of pain: progress and challenges. Nat. Rev. Neurosci. 10, 283-294 (2009).
- Vierck, C. J., Hansson, P. T., Yezierski, R. P. Clinical and pre-clinical pain assessment: are we measuring the same thing. Pain. , 135-137 (2008).
- Neubert, J. K., Widmer, C. G., Malphurs, W., Rossi, H. L., Vierck, C. J., Caudle, R. M. Use of a novel thermal operant behavioral assay for characterization of orofacial pain sensitivity. Pain. 116, 386-395 (2005).
- Nolan, T. A., Hester, J., Bokrand-Donatelli, Y., Caudle, R. M., Neubert, J. K. Adaptation of a novel operant orofacial testing system to characterize both mechanical and thermal pain. Behav. Brain Res. 217, 477-480 (2011).
- Rossi, H. L., Vierck, C. J., Caudle, R. M., Neubert, J. K. Characterization of cold sensitivity and thermal preference using an operant orofacial assay. Mol. Pain. 2, 37 (2006).
- Anderson, E. M., Valle-Pinero, A. Y., Suckow, S. K., Nolan, T. A., Neubert, J. K., Caudle, R. M. Morphine and MK-801 administration leads to alternative N-methyl-d-aspartate receptor 1 splicing and associated changes in reward seeking behavior and nociception on an operant orofacial assay. Neuroscience. 214, 14-27 (2012).
- Anderson, E. M., Neubert, J. K., Caudle, R. M. Long-term changes in reward-seeking following morphine withdrawal are associated with altered N-methyl-d-aspartate receptor 1 splice variants in the amygdala. Neuroscience. 223, 45-55 (2012).
- Neubert, J. K., Rossi, H. L., Malphurs, W., Vierck, C. J., Caudle, R. M. Differentiation between capsaicin-induced allodynia and hyperalgesia using a thermal operant assay. Behav. Brain Res. 170, 308-315 (2006).
- Rossi, H. L., Jenkins, A. C., Kaufman, J., Bhattacharyya, I., Caudle, R. M., Neubert, J. K. Characterization of bilateral trigeminal constriction injury using an operant facial pain assay. Neuroscience. 224, 294-306 (2012).
- Neubert, J. K., King, C., Malphurs, W., Wong, F., Weaver, J. P., Jenkins, A. C., Rossi, H. L., Caudle, R. M. Characterization of mouse orofacial pain and the effects of lesioning TRPV1-expressing neurons on operant behavior. Mol. Pain. 4, 43 (2008).
- Rossi, H. L., Vierck, C. J., Caudle, R. M., Yezierski, R. P., Neubert, J. K. Dose-dependent effects of icilin on thermal preference in the hindpaw and face of rats. J. Pain. 10, 646-653 (2009).
- Rossi, H. L., Neubert, J. K. Effects of environmental enrichment on thermal sensitivity in an operant orofacial pain assay. Behav. Brain Res. 187, 478-482 (2008).
- Nolan, T. A., Price, D. D., Caudle, R. M., Murphy, N. P., Neubert, J. K. Placebo-induced analgesia in an operant pain model in rats. Pain. , (2012).
- Dubner, R., Beitel, R. E., Brown, F. J., Weisenberg, M., Tursky, B. A behavioral animal model for the study of pain mechanisms in primates. Pain: New Perspectives in Therapy and Research. , 155-170 (1976).
- Vierck, C. J., Hamilton, D. M., Thornby, J. I. Pain reactivity of monkeys after lesions to the dorsal and lateral columns of the spinal cord. Exp. Brain Res. 13, 140-158 (1971).
- Caterina, M. J., Schumacher, M. A., Tominaga, M., Rosen, T. A., Levine, J. D., Julius, D. The capsaicin receptor: a heat-activated ion channel in the pain pathway. Nature. 389, 816-824 (1997).
- Neubert, J. K., Rossi, H. L., Pogar, J., Jenkins, A. C., Caudle, R. M. Effects of mu- and kappa-2 opioid receptor agonists on pain and rearing behaviors. Behav. Brain Funct. 3, 49 (2007).
- Rossi, H. L., Neubert, J. K. Effects of hot and cold stimulus combinations on the thermal preference of rats. Behav. Brain Res. 203, 240-246 (2009).
- von Frey, M. Untersuchungen über die Sinnesfunctionen der menschlichen Haut. Abh. Sachs. Ges. Wiss. 23, 175-266 .
- D’Amour, F. E., Smith, D. L. A method for determining loss of pain sensation. J. Pharmacol. Exp. Ther. 75, 74-79 (1941).
- Kerins, C. A., Carlson, D. S., Hinton, R. J., Hutchins, B., Grogan, D. M., Marr, K., Kramer, P. R., Spears, R. D., Bellinger, L. L. Specificity of meal pattern analysis as an animal model of determining temporomandibular joint inflammation/pain. Int. J. Oral Maxillofac. Surg. 34, 425-431 (2005).
- Kramer, P. R., He, J., Puri, J., Bellinger, L. L. A non-invasive model for measuring nociception after tooth pulp exposure. J. Dent. Res. 91, 883-887 (2012).
- Thut, P. D., Hermanstyne, T. O., Flake, N. M., Gold, M. S. An operant conditioning model to assess changes in feeding behavior associated with temporomandibular joint inflammation in the rat. J. Orofac. Pain. 21, 7-18 (2007).
- Vierck, C. J., Acosta-Rua, A. J., Johnson, R. D. Bilateral chronic constriction of the sciatic nerve: a model of long-term cold hyperalgesia. J. Pain. 6, 507-517 (2005).
- Trujillo, K. A., Akil, H. Inhibition of morphine tolerance and dependence by the NMDA receptor antagonist MK-801. Science. 251, 85-87 (1991).
- King, C. D., Devine, D. P., Vierck, C. J., Mauderli, A., Yezierski, R. P. Opioid modulation of reflex versus operant responses following stress in the rat. Neuroscience. 147, 174-182 (2007).
- Morgan, D., Carter, C. S., DuPree, J. P., Yezierski, R. P., Vierck, C. J. Evaluation of prescription opioids using operant-based pain measures in rats. Exp. Clin. Psychopharmacol. 16, 367-375 (2008).
- Vincler, M., Maixner, W., Vierck, C. J., Light, A. R. Effects of systemic morphine on escape latency and a hindlimb reflex response in the rat. J. Pain. 2, 83-90 (2001).
- Mauderli, A. P., Acosta-Rua, A., Vierck, C. J. An operant assay of thermal pain in conscious, unrestrained rats. J. Neurosci. Methods. 97, 19-29 (2000).
- Vierck, C. J., Kline, R., Wiley, R. G. Comparison of operant escape and innate reflex responses to nociceptive skin temperatures produced by heat and cold stimulation of rats. Behav. Neurosci. 118, 627-635 (2004).
- Nolan, T. A., Caudle, R. M., Neubert, J. K. Effect of caloric and non-caloric sweet reward solutions on thermal facial operant conditioning. Behav. Brain Res. 216, 723-725 (2011).
- Taha, S. A., Katsuura, Y., Noorvash, D., Seroussi, A., Fields, H. L. Convergent, not serial, striatal and pallidal circuits regulate opioid-induced food intake. Neuroscience. 161, 718-733 (2009).
