Utilizzando il t-labirinto modificate per valutare i risultati funzionali di memoria dopo arresto cardiaco
Summary
Questo protocollo descrive l’uso di un t-labirinto modificato per valutare l’apprendimento/memoria funzionale nell’ischemia cerebrale indotta da arresto cardiaco di asfissia.
Abstract
Priorità bassa: Valutazione da lieve a moderata danno conoscitivo in un modello di ischemia cerebrale globale (cioè arresto cardiaco) può essere difficile dovuto povera locomozione dopo la chirurgia. Ad esempio, ratti che subiscono le procedure chirurgiche e sono sottoposti a labirinto dell’acqua di Morris non possono essere in grado di nuotare, quindi invalidare l’esperimento.
Nuovo metodo: Abbiamo stabilito un test t-labirinto di alternanza spontanea del comportamento modificato. Il principale vantaggio del protocollo t-labirinto modificato è il suo design relativamente semplice che è abbastanza potente per valutare la memoria/apprendimento funzionale dopo ischemia. Inoltre, l’analisi dei dati è semplice e lineare. Abbiamo usato il t-labirinto per determinare i deficit di memoria e apprendimento dei ratti sia in presenza o assenza di lieve a moderata (6 min) arresto cardiaco asphyxial (ACA). Ratti hanno una naturale tendenza per esplorazione ed esploreranno le braccia alternative in t-il labirinto, mentre ratti hippocampal-lesi tendono ad adottare un lato-preferenza con conseguente rapporti di alternanza spontanea in diminuzione, rivelando il hippocampal-correlate memoria/apprendimento funzionale in presenza o assenza di ACA.
Risultati: ACA gruppi hanno maggiori rapporti di preferenza di lato e alternanze inferiore rispetto al controllo.
Confronto con metodi esistenti: The Morris acqua e labirinto di Barnes sono più prominenti per valutare le funzioni di memoria e apprendimento. Tuttavia, il labirinto di acqua di Morris è più stressante di altri labirinti. Il labirinto di Barnes è ampiamente usato per misurare la memoria di riferimento (lungo termine), mentre i deficit neurocognitivi ACA-indotta sono più strettamente connesse all’utilizzo di memoria (a breve termine).
CONCLUSIONI: Abbiamo sviluppato una strategia semplice, ma efficace per delineare la memoria (a breve termine) tramite il t-labirinto di lavoro nel nostro modello di ischemia cerebrale globale (ACA).
Introduction
Secondo l’American Heart Association (2017), arresto cardiaco (CA)-indotto mortalità si verifica ogni quattro minuti e colpisce oltre 400.000 persone all’anno in Stati Uniti d’America1. È ben documentato che CA può causare lesioni di un neurone del cervello a seguito di sangue insufficiente perfusione2,3,4. Lesione cerebrale indotta da CA si verifica nella regione CA1 ischemia-sensibile del ippocampo5,6,7, che interessa i neuroni che sono fondamentali per apprendimento e memoria8,9, 10,11,12. Inoltre, la perdita di densità di spine dendritiche, in condizioni ischemiche nell’ippocampo (cioè neuroni CA1), svolge un ruolo critico nella memoria spaziale danno13,14,15. A causa di queste alterazioni patologiche dopo CA, disturbi comportamentali come: ansia, depressione, disturbo post-traumatico da stress e perdita di memoria sono più prevalenti. Anche se ci sono stati progressi nella tecnologia medica (cioè efficiente servizio ambulatoriale) che correlano con i tassi di sopravvivenza migliorati di CA, la maggior parte dei trattamenti neuroprotettivi (ad eccezione di ipotermia) non riescono a migliorare i risultati funzionali dopo CA16 ,17. Superstiti di CA in genere hanno una scarsa qualità di vita e sono gravati con incrementale medical spendendo16.
Le valutazioni dello stato cognitivo per ischemia cerebrale tramite test comportamentali sono importanti per determinare sia l’efficacia dei farmaci e infine sviluppare un successo clinico. Nel 1940, Edward Tolman progettato la prima prova di comportamento per studiare la memoria spaziale ippocampo-based18. Successivamente, sono stati sviluppati diversi labirinti (cioè Morris acqua labirinto, labirinto radiale, T – o Y-labirinto e labirinto di Barnes) per valutare l’apprendimento spaziale basato su hippocampal e memoria in ratti19,20,21,22 ,23. Uno dei test comportamentali più ampiamente usato è il labirinto di acqua di Morris, che esamina l’apprendimento spaziale e memoria nel ratto modelli24. Tuttavia, il labirinto di Morris acqua richiede il ratto di nuotare e di esercitare controllo e funzione integrale del motore. Per esperimenti di ischemia come il modello di asphyxial arresto cardiaco (ACA, un modello del ratto di CA), incannulazione della vena/arteria femorale sono necessaria per ottenere la pressione del sangue vitale, di gas del sangue e introduzione di varie droghe. Poiché l’incannulamento dell’arteria femorale/vena può inibire la mobilità gamba rendering capacità del ratto di nuotare correttamente, il labirinto di Morris acqua non può essere la più appropriata verificare i danni conoscitivi sotto ACA.
Il labirinto di Barnes è l’altro test comportamento ampiamente usato per esaminare l’apprendimento spaziale e memoria nei modelli del roditore. Il labirinto di Barnes non richiede l’esercizio della funzione integrale del motore e controllo e quindi meno stressante che il labirinto dell’acqua di Morris. In passato, abbiamo effettuato esperimenti utilizzando il labirinto di Barnes per determinare se si verificano differenze di memoria/apprendimento funzionale tra controllo o della falsità contro i ratti ACA-indotta. I dati ottenuti per il labirinto di Barnes non ha avuto la risoluzione per verificare i danni conoscitivi, seguito da lieve a moderata ACA dovuta al fatto che il labirinto di Barnes è ampiamente usato per misurare il riferimento (lungo termine) memoria25,26, mentre Deficit neurocognitive ACA-indotta più strettamente correlati al lavoro (a breve termine) memoria27,28,29,30 suggerendo che il labirinto di Barnes è meno praticabile per la valutazione della funzione di memoria nel nostro ACA modello.
Abbiamo così sviluppato un t-labirinto modificato utilizzando alternanza spontanea test per valutare la memoria (a breve termine) di lavoro dopo ACA. Il vantaggio principale di test modificato per la spontanea alternanza t-labirinto è sua semplicità e il minimo stress sui ratti rispetto ad altre prove del comportamento dovuto al fatto che il t-labirinto modificata non richiede precedente formazione animale, come ben pesante computazionale analisi o sub-routines (cioè dei video imaging del ratto) come richiesto dal labirinto dell’acqua di Morris e labirinto di Barnes. Qui indichiamo che il test di alternanza spontanea t-labirinto modificato è un paradigma di prova del comportamento semplice e ancora altamente efficiente che può offrire una risoluzione sufficiente per accuratamente rilevare e valutare la funzione hippocampal nelle malattie che causano perdita di memoria a breve termine (cioè ACA).
Protocol
Representative Results
Discussion
Nello studio presente rispetto al diacono e ‘Rawlins protocollo31sono state apportate modifiche. La stampante 3D è stata utilizzata per costruire il t-labirinto. La stampa 3D fornisce alternative economica e remunerativa per commercializzato t-labirinto. Per ridurre l’ansia dei ratti durante la prova, il t-labirinto è stato effettuato in camera oscura con illuminazione minima. Una volta che il topo inserito uno dei bracci di obiettivo, abbiamo bloccato delicatamente il braccio opposto. Questo ev…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato supportato dall’istituti di salute nazionale Istituto nazionale di disturbi neurologici e colpo concedere 1R01NS096225-01A1, l’American Heart Association concede AHA-13SDG1395001413, 17GRNT33660336 AHA, AHA-17POST33660174, il Louisiana State University Grant nel Consiglio di ricerca di aiuto, la compagnia ricerca cardiovascolare Malcolm Feist ed Evelyn F. McKnight Brain Institute.
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).
