Создание острых и хронических экспериментальных моделей моторной тиковой экспрессии у крыс
Summary
Представлены протоколы генерации острых и хронических экспериментальных моделей тиковой экспрессии у свободно ведущие себя крысы. Модели основаны на имплантации стриатальной канюли и последующем применении антагонистаГАМК А. Острая модель использует переходные инъекции, тогда как хроническая модель использует длительные инфузии через подкожно-имплантированный мини-осмотический насос.
Abstract
Двигательные тики — это внезапные, быстрые, повторяющиеся движения, которые являются ключевыми симптомами синдрома Туретта и других тиковых расстройств. Патофизиология генерации тиков связана с аномальным торможением базальных ганглиев, в частности их первичной входной структуры, полосатого тела. В животных моделях как грызунов, так и нечеловеческих приматов местное применение антагонистов ГАМКА, таких как бикукультин и пикротоксин, в двигательные части полосатого тела вызывает местную растормаживание, приводящую к экспрессии двигательных тиков.
Здесь мы представляем острые и хронические модели двигательных тиков у крыс. В острой модели бикукуллинные микроинъекции через канюлю, имплантированную в дорсальное полосатое тело, вызывают экспрессию тиков, длящихся в течение коротких периодов времени до часа. Хроническая модель является альтернативой, позволяющей продлить экспрессию тиков до периодов в несколько дней или даже недель, используя непрерывную инфузию бикукульлина через подкужную мини-осмотическую помпу.
Модели позволяют изучать поведенческие и нейронные механизмы генерации тиков на протяжении кортико-базального пути ганглия. Модели поддерживают имплантацию дополнительных записывающих и стимулирующих устройств в дополнение к инъекционным канюлям, что позволяет использовать широкий спектр применений, таких как электрическая и оптическая стимуляция и электрофизиологические записи. Каждый метод имеет различные преимущества и недостатки: острая модель позволяет сравнивать кинематические свойства движения и соответствующие электрофизиологические изменения до, во время и после тиковой экспрессии и влияние кратковременные модуляторы на тиковую экспрессию. Эту острую модель легко установить; однако он ограничен коротким периодом времени. Хроническая модель, хотя и более сложная, делает возможным изучение динамики тиков и поведенческих эффектов на экспрессию тиков в течение длительных периодов времени. Таким образом, тип эмпирического запроса управляет выбором между этими двумя взаимодополняющими моделями тикового выражения.
Introduction
Тики являются определяющим симптомом синдрома Туретта (TS) и других тиковых расстройств. Тики описываются как внезапные, быстрые, повторяющиеся движения (двигательные тики) или вокализации (вокальные тики)1. Тиковая экспрессия обычно колеблется в своих временных (частота)2 и пространственных (интенсивность, расположение тела)3 свойствах в течение нескольких временных масштабов (часы, дни, месяцы и годы). На эти изменения влияют различные факторы, такие как особенности окружающей среды4,5,поведенческие состояния6,7и добровольное и временное подавление8.
Хотя нейронный механизм, управляющий двигательными тиками, до сих пор не полностью понят, все большее число теоретических и экспериментальных исследований предоставили новые доказательства его природы9. В настоящее время патофизиология генерации тиков считается связанной с кортико-базальными ганглиями (CBG) петлей, и конкретно связана с аномальным ингибированием полосатого тела, первичного базального ганглия входного ядра10,11,12. Предыдущие исследования на грызунах и приматах показали, что полосатое тело может быть расторможено при местном применении различных антагонистов ГАМКА, таких как бикукультин и пикротоксин13,14,15,16,17,18. Это фармакологическое вмешательство приводит к транзиторной моторной тиковой экспрессии в контралатеральной стороне к инъекции, тем самым устанавливая надежную острую модель тиковых расстройств с лицевой и конструктной валидностью. Острая модель проста в индуцировании и позволяет изучать эффекты кратковременной модуляции, такие как электрическая и оптическая стимуляция, одновременно с электрофизиологическими и кинематическими записями до, во время и после тиковой экспрессии. Однако острая модель ограничена коротким периодом времени после инъекции. Основываясь на острой модели, мы недавно предложили хроническую модель генерации тик у крыс, которая использует длительную, фиксированную инфузию бикукуллина в полосатое тело через подкожно-имплантированный мини-осмотический насос19. Эта модель продлевает период выражения тик до нескольких дней/недель. Постоянное высвобождение бикукулина в течение длительного периода времени позволяет иследовать влияние различных факторов, таких как фармакологическое лечение и поведенческие состояния, на выражение тиков.
Здесь мы представляем протоколы генерации острой и хронической моделей экспрессии тиков у крыс. В зависимости от конкретного исследовательского вопроса протоколы позволяют точно настроить параметры, включая одностороннюю и двустороннюю имплантацию, место тиков (в соответствии с соматотопической организацией полосатого тела)18 и угол имплантата-канюли (в зависимости от расположения дополнительных имплантированных устройств). Метод, используемый в хронической модели, частично основан на коммерческих продуктах, но с критическими корректировками в соответствии с моделью ТИК. В этой статье подробно описываются корректировки, необходимые для индивидуальной адаптации этих моделей TIC.
Protocol
Representative Results
Discussion
В этой рукописи мы подробно описали протоколы острой и хронической моделей для индукции тиков у свободно ведящей себя крысы. Эти протоколы описывают подготовку всех компонентов, операцию и экспериментальный процесс, которые могут быть адаптированы для настройки в соответствии с конк?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование было частично поддержано грантом Израильского научного фонда (ISF) (297/18). Авторы благодарят М. Бронфельда за создание модели острых грызунов и М. Исраэлашвили за ее комментарии.
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).
