Erstellung akuter und chronischer experimenteller Modelle der motorischen Tic-Expression bei Ratten
Summary
Wir präsentieren Protokolle zur Erstellung akuter und chronischer experimenteller Modelle der Tic-Expression bei sich frei verhaltenden Ratten. Die Modelle basieren auf der Implantation von Striatalkanülen und der anschließenden GABA A-Antagonistenanwendung. Das akute Modell verwendet transiente Injektionen, während das chronische Modell verlängerte Infusionen über eine subkutan implantierte Mini-Osmotikpumpe verwendet.
Abstract
Motorische Tics sind plötzliche, schnelle, wiederkehrende Bewegungen, die die Schlüsselsymptome des Tourette-Syndroms und anderer Tic-Störungen sind. Die Pathophysiologie der Tic-Generation ist mit einer abnormalen Hemmung der Basalganglien verbunden, insbesondere ihrer primären Inputstruktur, dem Striatum. In Tiermodellen sowohl von Nagetieren als auch von nichtmenschlichen Primaten induziert die lokale Anwendung vonGABA-A-Antagonisten wie Bicuculline und Picrotoxin in die motorischen Teile des Striatums eine lokale Enthemmung, was zur Expression motorischer Tics führt.
Hier stellen wir akute und chronische Modelle motorischer Tics bei Ratten vor. Im akuten Modell lösen bikukulline Mikroinjektionen durch eine in das dorsale Striatum implantierte Kanüle die Expression von Tics aus, die für kurze Zeiträume von bis zu einer Stunde anhalten. Das chronische Modell ist eine Alternative, die die Verlängerung der Tic-Expression auf Zeiträume von mehreren Tagen oder sogar Wochen ermöglicht, wobei eine kontinuierliche Infusion von Bikukullin über eine subkutane Mini-Osmotik-Pumpe verwendet wird.
Die Modelle ermöglichen die Untersuchung der Verhaltens- und neuronalen Mechanismen der Tic-Generation im gesamten cortico-basalen Ganglienweg. Die Modelle unterstützen die Implantation zusätzlicher Aufnahme- und Stimulationsgeräte zusätzlich zu den Injektionskanülen und ermöglichen so eine Vielzahl von Anwendungen wie elektrische und optische Stimulation und elektrophysiologische Aufzeichnungen. Jede Methode hat unterschiedliche Vor- und Nachteile: Das akute Modell ermöglicht den Vergleich der kinematischen Eigenschaften der Bewegung und der entsprechenden elektrophysiologischen Veränderungen vor, während und nach der Tic-Expression sowie der Auswirkungen von Kurzzeitmodulatoren auf die Tic-Expression. Dieses akute Modell ist einfach zu etablieren; Es ist jedoch auf einen kurzen Zeitraum beschränkt. Das chronische Modell ist zwar komplexer, ermöglicht jedoch die Untersuchung der Tic-Dynamik und der Verhaltenseffekte auf die Tic-Expression über längere Zeiträume. Somit bestimmt die Art der empirischen Abfrage die Wahl zwischen diesen beiden komplementären Modellen der Tic-Expression.
Introduction
Tics sind das bestimmende Symptom des Tourette-Syndroms (TS) und anderer Tic-Störungen. Tics werden als plötzliche, schnelle, wiederkehrende Bewegungen (motorische Tics) oder Vokalisierungen (Vocal Tics)beschrieben 1. Der Tic-Ausdruck schwankt typischerweise in seinen zeitlichen (Frequenz)2 und räumlichen (Intensität, Körperposition)3 Eigenschaften über mehrere Zeitskalen (Stunden, Tage, Monate und Jahre). Diese Veränderungen werden durch verschiedene Faktoren beeinflusst, wie z. B. Umweltmerkmale4,5, Verhaltenszustände6,7und freiwillige und vorübergehende Unterdrückung8.
Obwohl der neuronale Mechanismus, der die motorischen Tics steuert, noch nicht vollständig verstanden ist, haben immer mehr theoretische und experimentelle Studien neue Beweise für seine Natur geliefert9. Derzeit wird angenommen, dass die Pathophysiologie der Tic-Generation die Kortiko-Basalganglien-Schleife (CBG) umfasst und insbesondere mit einer abnormalen Hemmung des Striatums, des primären Basalganglien-Eingangskerns10,11,12, verbunden ist . Frühere Studien an Nagetieren und Primaten haben gezeigt, dass das Striatum durch lokale Anwendung verschiedenerGABA-A-Antagonisten wie Bikukullin und Picrotoxin13 , 14,15,16,17,18enthemmt werden kann . Dieser pharmakologische Eingriff führt zu einer transienten motorischen Expression auf der kontralateralen Seite der Injektion und etabliert so ein robustes akutes Modell von Tic-Störungen mit Gesichts- und Konstruktvalidität. Das akute Modell ist einfach zu induzieren und ermöglicht es, die Auswirkungen der kurzfristigen Modulation wie elektrische und optische Stimulation gleichzeitig mit elektrophysiologischen und kinematischen Aufzeichnungen vor, während und nach der Tic-Expression zu untersuchen. Das akute Modell ist jedoch auf den kurzen Zeitraum nach der Injektion beschränkt. Basierend auf dem akuten Modell haben wir kürzlich ein chronisches Modell der Tic-Erzeugung bei Ratten vorgeschlagen, das eine verlängerte, festverzinsliche Infusion von Bikukullin in das Striatum über eine subkutan implantierte Mini-Osmotikpumpeverwendet 19. Dieses Modell erweitert den Zeitraum der Tic-Expression auf mehrere Tage/Wochen. Die konstante Freisetzung von Bikukullin über einen längeren Zeitraum ermöglicht die Untersuchung der Auswirkungen einer Vielzahl von Faktoren wie pharmakologischen Behandlungen und Verhaltenszuständen auf die Tic-Expression.
Hier stellen wir Protokolle zur Generierung der akuten und chronischen Modelle der Tic-Expression bei Ratten vor. In Abhängigkeit von der spezifischen Forschungsfrage ermöglichen die Protokolle die Feinabstimmung der Parameter einschließlich der einseitigen versus bilateralen Implantation, der Stelle der Tics (entsprechend der somatotopischen Organisation des Striatums)18 und des Winkels der Implantatkanüle (abhängig von der Lage der zusätzlichen implantierten Geräte). Die im chronischen Modell verwendete Methode basiert teilweise auf kommerziellen Produkten, jedoch mit kritischen Anpassungen an das Tic-Modell. In diesem Artikel werden die Anpassungen aufgeführt, die erforderlich sind, um diese Tic-Modelle individuell anzupassen.
Protocol
Representative Results
Discussion
In diesem Manuskript haben wir die Protokolle der akuten und chronischen Modelle für die Tic-Induktion bei einer sich frei verhaltenden Ratte detailliert beschrieben. Diese Protokolle beschreiben die Vorbereitung aller Komponenten, die Operation und den experimentellen Prozess, der für die Anpassung an spezifische Forschungsbedürfnisse angepasst werden kann. Das Hauptprinzip, das diesen Modellen zugrunde liegt, ist die direkte lokale Anwendung von Bicuculline auf die motorischen Bereiche des Striatums, von dem bekannt…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Studie wurde teilweise durch ein Stipendium der Israel Science Foundation (ISF) unterstützt (297/18). Die Autoren danken M. Bronfeld für die Etablierung des akuten Nagetiermodells und M. Israelashvili für ihre Kommentare.
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 |
References
- American Psychiatric Association. DSM-5. American Psychiatric Association. , (2013).
- Peterson, B. S., Leckman, J. F. The temporal dynamics of tics in Gilles de la Tourette syndrome. Biol.Psychiatry. 44, 1337-1348 (1998).
- Ganos, C., et al. The somatotopy of tic inhibition: where and how much. Movement Disorders. , (2015).
- Barnea, M., et al. Subjective versus objective measures of tic severity in Tourette syndrome – The influence of environment. Psychiatry Research. 242, 204-209 (2016).
- 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).
- Rothenberger, A., et al. Sleep and Tourette syndrome. Advances in Neurology. 85, 245-259 (2001).
- 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).
- Ganos, C., Rothwell, J., Haggard, P. Voluntary inhibitory motor control over involuntary tic movements. Movement Disorders. 33 (6), 937-946 (2018).
- Yael, D., Vinner, E., Bar-Gad, I. Pathophysiology of tic disorders. Movement Disorders. 30 (9), 1171-1178 (2015).
- 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).
- Mink, J. W. Basal ganglia dysfunction in Tourette’s syndrome: a new hypothesis. Pediatric Neurology. 25, 190-198 (2001).
- Bronfeld, M., Bar-Gad, I. Tic disorders: what happens in the basal ganglia. The Neuroscientist. 19 (1), 101-108 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- Worbe, Y., et al. Behavioral and movement disorders induced by local inhibitory dysfunction in primate striatum. Cerebral Cortex. 19 (8), 1844-1856 (2009).
- 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).
- 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).
- 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).
- Paxinos, G., Watson, C. . The Rat Brain in Stereotaxic Coordinates. 6, (2007).
- Flecknell, P. Analgesia and Post-Operative Care. Laboratory Animal Anaesthesia. , (2016).
- 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).
- 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).
- McCairn, K. W., et al. A Primary Role for Nucleus Accumbens and Related Limbic Network in Vocal Tics. Neuron. 89 (2), 300-307 (2016).
- 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).
- Vinner, E., Matzner, A., Belelovsky, K., Bar-gad, I. Dissociation of tic expression from its neuronal encoding in the striatum during sleep. bioRxiv. , (2020).
- Webster, K. E. Cortico-striate interrelations in the albino rat. Journal of Anatomy. 95, 532-544 (1961).
- 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).
- Brown, L. L., Sharp, F. R. Metabolic mapping of rat striatum: somatotopic organization of sensorimotor activity. Brain Research. 686, 207-222 (1995).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
