יצירת מודלים ניסיוניים אקוטיים וכרוניים של ביטוי טיק מוטורי בחולדות
Summary
אנו מציגים פרוטוקולים ליצירת מודלים ניסיוניים אקוטיים וכרוניים של ביטוי טיק בחולדות שמתנהגות בחופשיות. הדגמים מבוססים על השתלת קנולה סטריאטלית ויישום אנטגוניסט גאבא עוקב. המודל החריף משתמש בזריקות ארעיות ואילו המודל הכרוני משתמש בחליטות ממושכות באמצעות משאבה מיני-אוסמוטית מושתלת תת עורית.
Abstract
טיקים מוטוריים הם תנועות פתאומיות, מהירות, חוזרות ונשנות שהן הסימפטומים העיקריים של תסמונת טורט והפרעות טיק אחרות. הפתופיזיולוגיה של דור הטיק קשורה לעיכוב חריג של הגרעינים הבסיסיים, במיוחד מבנה הקלט העיקרי שלה, הסטריאטום. במודלים של בעליחיים של מכרסמים ופרימטים שאינם אנושיים, יישום מקומי של גאבא אנטגוניסטים, כגון bicuculline ו picrotoxin, לתוך החלקים המוטוריים של הסטריאטום גורם disinhibition המקומי וכתוצאה מכך ביטוי של טיקים מוטוריים.
כאן, אנו מציגים מודלים אקוטיים וכרוניים של טיקים מוטוריים בחולדות. במודל החריף, microinjections bicuculline דרך קנולה מושתל בסטריאטום הגב לעורר את הביטוי של טיקים שנמשך פרקי זמן קצרים של עד שעה. המודל הכרוני הוא חלופה המאפשרת הארכה של ביטוי טיק לתקופות של מספר ימים או אפילו שבועות, תוך שימוש עירוי מתמשך של bicuculline באמצעות משאבה מיני עורית.
המודלים מאפשרים לחקור את המנגנונים ההתנהגותיים והנוירונים של דור הטיק לאורך מסלול הגרעינים הקורטיקו-בזל. המודלים תומכים בהשתלת מכשירי הקלטה וגירוי נוספים בנוסף לקאנולות ההזרקה, ובכך מאפשרים מגוון רחב של שימושים כגון גירוי חשמלי ואופטי והקלטות אלקטרופיזיולוגיות. לכל שיטה יתרונות וחסרונות שונים: המודל החריף מאפשר השוואה בין תכונות התנועה הקינטמטיות לבין השינויים האלקטרופיזיולוגיים המתאימים לפני, במהלך ואחרי ביטוי טיק וההשפעות של מאפננים לטווח קצר על ביטוי טיק. מודל אקוטי זה הוא פשוט להקים; עם זאת, הוא מוגבל לתקופה קצרה של זמן. המודל הכרוני, אף שהוא מורכב יותר, הופך את המחקר של דינמיקת טיק והשפעות התנהגותיות על ביטוי טיק על פני תקופות ממושכות. לפיכך, סוג השאילתה האמפירית מניע את הבחירה בין שני מודלים משלימים אלה של ביטוי טיק.
Introduction
טיקים הם הסימפטום המגדיר של תסמונת טורט (TS) והפרעות טיק אחרות. טיקים מתוארים כתנועות פתאומיות, מהירות, חוזרות ונשנות (טיקים מוטוריים), או ניקוד (טיקים קוליים)1. ביטוי טיק משתנה בדרך כלל בזמן (תדירות)2 ומרחבי (אינטנסיביות, מיקום הגוף)3 מאפיינים על פני סולמות זמן מרובים (שעות, ימים, חודשים, ושנים). שינויים אלה מושפעים מגורמים שונים, כגון תכונות סביבתיות4,5, מצבים התנהגותיים6,7, ודיכוי מרצון וזמני8.
למרות המנגנון העצבי השולט טיקים מוטוריים עדיין לא מובן לחלוטין, מספר גדל והולך של מחקרים תיאורטיים וניסיוניים סיפקו ראיות חדשות על טבעו9. כיום, הפתופיזיולוגיה של דור הטיק נחשבת כרוכה בלולאה הגרעינית הקורטיקו-בסיסית (CBG), ובמיוחד קשורה לעיכוב חריג של הסטריאטום, גרעין הקלט העיקרי של הגרעינים הבסיסיים10,11,12. מחקרים קודמים מכרסמים ופרימטים הראו כי הסטריאטום יכול להיות מנוכה על ידי יישום מקומי של אנטגוניסטים שונים גאבאA, כגון bicuculline ו picrotoxin13,14,15,16,17,18. התערבות פרמקולוגית זו מובילה לביטוי טיק מוטורי חולף בצד הנגדי להזרקה, ובכך ליצור מודל אקוטי חזק של הפרעות טיק עם פנים ולבנות תוקף. המודל החריף הוא פשוט כדי לגרום ומאפשר ללמוד את ההשפעות של אפנון לטווח קצר כגון גירוי חשמלי ואופטי במקביל הקלטות אלקטרופיזיולוגיות ו קינמטיות לפני, במהלך ואחרי ביטוי טיק. עם זאת, המודל החריף מוגבל לתקופת הזמן הקצרה שלאחר ההזרקה. בהתבסס על המודל החריף, הצענו לאחרונה מודל כרוני של דור טיק בחולדות המשתמש עירוי ממושך, קבוע של bicuculline כדי striatum באמצעות משאבה מיני אוסמוטית מושתל תת עורית19. מודל זה מאריך את התקופה של ביטוי טיק למספר ימים/שבועות. שחרור מתמיד של bicuculline על פני תקופה ארוכה של זמן מאפשר בדיקה של ההשפעות של מגוון רחב של גורמים כגון טיפולים תרופתיים מצבים התנהגותיים על ביטוי טיק.
כאן, אנו מציגים פרוטוקולים ליצירת מודלים אקוטיים וכרוניים של ביטוי טיק בחולדות. כפונקציה של שאלת המחקר הספציפית, הפרוטוקולים מאפשרים כוונון עדין של הפרמטרים כולל השתלה חד צדדית לעומת דו-צדדית, אתר הטיקים (על פי הארגון הסומטוטופי של הסטריאטום)18 וזווית השתיל-קנולה (בהתאם למיקום של מכשירים מושתלים נוספים). השיטה המשמשת במודל הכרוני מבוססת בחלקה על מוצרים מסחריים אך עם התאמות קריטיות שיתאימו לדגם הטיק. מאמר זה מפרט את ההתאמות הדרושות להתאמה אישית של דגמי טיק אלה.
Protocol
Representative Results
Discussion
בכתב יד זה, פירטנו את הפרוטוקולים של המודלים החריפים וה הכרוניים לאיחוי טיק בחולדה שמתנהגת בחופשיות. פרוטוקולים אלה מתארים את הכנת כל הרכיבים, הניתוח ואת התהליך הניסיוני אשר ניתן להתאים להתאמה אישית כדי לענות על צרכי מחקר ספציפיים. העיקרון העיקרי שבבסיס מודלים אלה הוא יישום מקומי ישיר של …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה נתמך בחלקו על ידי מענק של הקרן הלאומית למדע (ISF) (297/18). המחברים מודים למ’ ברונפלד על הקמת מודל המכרסמים החריף ולמר ישראלשווילי על דבריה.
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).
