Met behulp van de gewijzigde T-Maze om te beoordelen van functionele geheugen resultaten na hartstilstand
Summary
Dit protocol beschrijft het gebruik van een gemodificeerde T-maze om te evalueren van functionele leren/geheugen in verstikking hartstilstand-geïnduceerde cerebrale ischemie.
Abstract
Achtergrond: Evaluatie van milde tot matige cognitief stoornis in een globale cerebrale ischemie (d.w.z. hartstilstand)-model kan worden moeilijk te wijten aan slechte motoriek na de operatie. Bijvoorbeeld, ratten die chirurgische ingrepen ondergaan en zijn onderworpen aan de Morris water maze niet mogelijk om te zwemmen, het experiment dus ongeldig te verklaren.
Nieuwe methode: We vastgesteld een gemodificeerde gedrags spontane afwisseling T-maze test. Het grote voordeel van het gewijzigde T-maze-protocol is het relatief eenvoudig ontwerp dat krachtig genoeg is om te beoordelen van functionele leren/geheugen na ischemie. Bovendien is de data-analyse is eenvoudig en ongecompliceerd. We gebruikten de T-maze om te bepalen van de ratten leren/geheugen tekorten zowel in de aan- of afwezigheid van milde tot matige (6 min) asphyxial hartstilstand (ACA). Ratten hebben een natuurlijke neiging voor exploratie en zal de alternatieve armen in de T-maze, terwijl hippocampal-lesioned ratten de neiging te nemen een zijde-voorkeur wat resulteert in verminderde spontane afwisseling verhoudingen, onthullen de hippocampal-gerelateerde functioneel leren/geheugen in de aanwezigheid of afwezigheid van ACA.
Resultaten: ACA groepen hebben hogere kant-voorkeur-ratio’s en lagere afwisseling in vergelijking met controle.
Vergelijking met bestaande methode(n): de Morris water en Barnes doolhof zijn meer prominente voor het beoordelen van leren/geheugenfunctie. De Morris water maze is echter meer belastend dan andere doolhoven. De Barnes-doolhof wordt veel gebruikt voor het meten van de verwijzing (lange termijn) geheugen, terwijl ACA-geïnduceerde Neurocognitieve tekorten meer verwant zijn aan het werken (korte termijn) geheugen.
Conclusies: We hebben een eenvoudige, maar effectieve strategie om het af te bakenen (korte termijn) geheugen via de T-maze werken in ons model voor wereldwijde cerebrale ischemie (ACA) ontwikkeld.
Introduction
Volgens de American Heart Association (2017), hartstilstand (CA)-geïnduceerde sterfte vindt elke vier minuten plaats, en beïnvloedt meer dan 400.000 mensen per jaar in de Verenigde Staten1. Het is goed gedocumenteerd dat CA neuronale hersenletsel als gevolg van onvoldoende bloed perfusie,2,,3,4kan veroorzaken. CA-geïnduceerde hersenletsel treedt op in de ischemie-gevoelige CA1-regio van de hippocampus5,6,7, op het gebied van neuronen die essentieel voor leren en geheugen8,9zijn, 10,11,12. Bovendien, het verlies van Dendritische spine dichtheid, ischemische omstandigheden in de hippocampus (d.w.z. CA1 neuronen), speelt een cruciale rol in het ruimtelijke geheugen bijzondere waardevermindering13,14,15. Als gevolg van deze pathologische veranderingen na CA, gedragsmatige stoornissen zoals: angst, depressie, posttraumatische stress-stoornis en geheugenverlies zijn vaker. Hoewel er vooruitgang in medische technologie (dat wil zeggen de efficiënte ambulante dienst) die met verbeterde CA overlevingskansen correleren, mislukken allermeest naar de neuroprotectieve behandelingen (met uitzondering van hypothermie) om functionele uitkomsten na CA16 ,17. CA overlevenden meestal hebben een slechte kwaliteit van leven, en zijn belast met incrementele medische uitgaven van16.
De status van de cognitieve beoordeling voor cerebrale ischemie via gedrags proeven zijn belangrijk voor het bepalen van de werkzaamheid van beide drugs en uiteindelijk het ontwikkelen van een succesvolle klinische proef. In de jaren 1940 ontwierp Edward Tolman de eerste proef van het probleem te bestuderen van de ruimtelijke geheugen hippocampus gebaseerde18. Vervolgens werden verschillende doolhoven (d.w.z. Morris water maze, radiale doolhof, T – of Y-doolhof, en Barnes doolhof) ontwikkeld om te evalueren van de hippocampal gebaseerde ruimtelijke leren en geheugen in ratten19,20,21,22 ,23. Een van de meer gebruikte gedrags test is de Morris water maze, die ruimtelijke leren onderzoekt en geheugen in rat modellen24. De Morris water maze vereist echter de rat om te zwemmen en de volledige motor functie en controle uitoefenen. Bij ischemie experimenten zoals het model van asphyxial hartstilstand (ACA, een rat-model voor CA), zijn cannulation van de femorale slagader/ader die nodig is om vitale bloeddruk, bloed gassen en invoering van verschillende drugs te verkrijgen. Aangezien de femorale slagader/veneuze cannulation kan remmen been mobiliteit waardoor de rat’s kunnen goed zwemmen, wellicht de Morris water maze niet het meest geschikt voor het testen van cognitieve waardeverminderingen onder ACA.
De doolhof Barnes is de andere gebruikte gedrags test ruimtelijke leren en geheugen in knaagdier modellen te onderzoeken. De doolhof Barnes hoeft niet de inspanning van volledige motor functie en controle, en dus minder stress dan de Morris water maze. In het verleden hebben we uitgevoerd experimenten met behulp van de Barnes doolhof om te bepalen als functionele leren/geheugen verschillen tussen optreden controle of sham versus ACA-geïnduceerde ratten. De gegevens verkregen voor de Barnes doolhof niet de resolutie hadden voor het testen van cognitieve beperkingen na milde tot matige ACA wijten aan het feit dat de Barnes-doolhof veel gebruikt wordt voor het meten van de verwijzing (lange termijn) geheugen25,26, terwijl ACA-geïnduceerde Neurocognitieve tekorten meer verwant aan het werken (korte termijn) geheugen27,28,29,30 suggereert dat de Barnes doolhof minder levensvatbaar is is voor de beoordeling van de geheugenfunctie in onze ACA model.
Dus ontwikkelden we een gewijzigde T-maze met behulp van spontane afwisseling test om te beoordelen (korte termijn) geheugen na ACA. De gewijzigde T-maze spontane afwisseling test van groot voordeel is de eenvoud en de minimale belasting van de ratten in vergelijking met andere gedrags tests wijten aan het feit dat de gewijzigde T-maze geen voorafgaande dierlijke training, als ook zo zwaar computationele vereist Analysis of subroutines (dat wil zeggen de video weergave van de rat) zoals vereist door de Morris water maze en Barnes doolhof. Hier laten we zien dat de gewijzigde T-maze spontane afwisseling test is een eenvoudige en toch zeer efficiënt gedrags proef paradigma die kan bieden voldoende resolutie om te nauwkeurig detecteren en evalueren van hippocampal functie in ziekten die leiden korte termijn geheugenverlies tot (d.w.z. ACA).
Protocol
Representative Results
Discussion
Wijzigingen werden aangebracht in de huidige studie in vergelijking tot diaken en Rawlins’ protocol31. De 3D-printer werd gebruikt voor het bouwen van de T-maze. De 3D-printing biedt betaalbare en kosteneffectieve alternatieven voor gecommercialiseerd T-maze. Verklein ratten angst tijdens de test en werd de T-maze uitgevoerd in de donkere kamer met minimale verlichting. Eenmaal de rat een van de takken van het doel, we zachtjes de tegengestelde arm geblokkeerd. Dit voorkomt mogelijk stress uit de …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gesteund door de nationale instituten van gezondheid/National Institute of Neurological Disorders en beroerte verlenen 1R01NS096225-01A1, de American Heart Association verleent AHA-13SDG1395001413, AHA-17GRNT33660336, AHA-17POST33660174, de Louisiana State University Grant in steun Onderzoeksraad, The Malcolm Feist cardiovasculaire Research Fellowship, en het Evelyn F. McKnight hersenen Instituut.
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 |
References
- 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. Neuroscience. 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. Neuroscience. 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).
