Метрический тест для оценки пространственной рабочей памяти у взрослых крыс после черепно-мозговой травмы
Summary
Черепно-мозговая травма (ЧМТ) обычно связана с ухудшением памяти. Здесь мы представляем протокол для оценки пространственной рабочей памяти после ЧМТ с помощью метрической задачи. Метрический тест является полезным инструментом для изучения нарушения пространственной рабочей памяти после ЧМТ.
Abstract
Нарушения сенсорной, кратковременной и долговременной памяти являются распространенными побочными эффектами после черепно-мозговой травмы (ЧМТ). Из-за этических ограничений исследований на людях модели на животных предоставляют подходящие альтернативы методам тестирования методов лечения и изучению механизмов и связанных с ними осложнений состояния. Экспериментальные модели грызунов исторически были наиболее широко использованы из-за их доступности, низкой стоимости, воспроизводимости и проверенных подходов. Метрический тест, который проверяет способность вспоминать размещение двух объектов на разных расстояниях и углах друг от друга, является методом изучения нарушений пространственной рабочей памяти (SWM) после ЧМТ. К существенным преимуществам метрических задач можно отнести возможность динамического наблюдения, низкую стоимость, воспроизводимость, относительную простоту выполнения и низкую стрессовую среду. Здесь мы представляем протокол метрического теста для измерения нарушения SWM у взрослых крыс после ЧМТ. Этот тест обеспечивает реальный способ более эффективной оценки физиологии и патофизиологии функции мозга.
Introduction
Распространенность неврологических дефицитов, таких как внимание, исполнительная функция и некоторые дефициты памяти после умеренной черепно-мозговой травмы (ЧМТ), составляет более 50 процентов1,2,3,4,5,6,7,8. ЧМТ может привести к серьезным нарушениям пространственной кратковременной, долгосрочной и рабочей памяти9. Эти нарушения памяти наблюдались у грызунов, моделей ЧМТ. Модели грызунов позволили разработать методы тестирования памяти, что позволило глубже идентиировать влияние ЧМТ на обработку памяти в нейронных системах памяти.
Два теста, связанные с топологической и метрической обработкой пространственной информации соответственно, помогают измерить пространственную рабочую память (SWM). Топологический тест зависит от изменения размера пространства окружающей среды или связанных пространств связи или ограждения вокруг объекта, в то время как метрический тест оценивает изменения углов или расстояния между объектами10,11. Goodrich-Hunsaker et al. впервые адаптировали топологический тест человека для крыс10 и применили метрическую задачу для диссоциатов ролей теменной коры (ПК) и дорсального гиппокампа в пространственной обработке информации11. Аналогичным образом, Гуркофф и его коллеги оценили метрические, топологические и временные задачи по упорядочению памяти после боковой жидкостной перкуссионной травмы9. Существует корреляция между повреждением определенных областей мозга и ухудшением метрической или топологической памяти. Было высказано предположение, что метрическое ухудшение памяти связано с поражениями в двусторонней дорсальной дентитовой извилине и подрайоне рога аммониса (CA) CA3 гиппокампа, и что топологическое ухудшение памяти связано с двусторонними поражениями теменной коры10,12.
Целью этого протокола является оценка дефицита пространственной памяти в популяции крыс с помощью метрической задачи. Этот метод является подходящей альтернативой для исследования механизмов SWM после черепно-мозговой травмы, и его преимущества включают относительную простоту реализации, высокую чувствительность, низкую стоимость воспроизводимости, возможность динамического наблюдения и низкую стрессовую среду. По сравнению с другими поведенческимизадачами,такими как лабиринт Барнса13,14,задача водной навигации Морриса15,16,17или пространственный лабиринт18,19,этот метрический тест менее сложен. Из-за простоты выполнения метрический тест требует более короткого и менее напряженного периода обучения и проходит всего в течение 2дней 9: 1 день для привыкания и 1 день для задачи. Более того, предлагаемый нами тест легче выполнить, чем другие тесты с низким уровнем стресса, такие как задача распознавания новых объектов (NOR), и не требует дополнительного дня привыкания20.
В этой статье представлена простая модель для оценки SWM после черепно-мозговой травмы. Эта оценка пост-ЧМТ SWM может помочь в более всестороннем исследовании его патофизиологии.
Protocol
Representative Results
Discussion
Специально ориентируясь на процесс метрической пространственной информации, этот метрический тест предоставляет необходимый инструмент для понимания дефицита памяти после ЧМТ. Протокол, представленный в данной работе, является модификацией ранее описанных поведенческих задач<sup clas…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарим профессора Елену Севериновскую; Марина Кущерьява M.Sc; Максим Кривоносов M.Sc; Дарина Якуменко M.Sc; Евгения Гончарык M.Sc; и Ольга Шаповал, кандидат физиологических наук кафедры биологии, экологии и медицины Днепровского университета имени Олеся Гончара, Днепр, Украина, за их поддерживающий и полезный вклад. Данные были получены в рамках кандидатской диссертации Дмитрия Франка.
Materials
| 2% chlorhexidine in 70% alcohol solution | SIGMA – ALDRICH | 500 cc | For general antisepsis of the skin in the operatory field |
| Bupivacaine 0.1 % | |||
| 4 boards of different thicknesses (1.5cm, 2.5cm, 5cm and 8.5cm) | This is to evaluate neurological defect | ||
| 4-0 Nylon suture | 4-00 | ||
| Bottles | Techniplast | ACBT0262SU | 150 ml bottles filled with 100 ml of water and 100 ml 1%(w/v) sucrose solution |
| Bottlses (four) for topological an metric tasks | For objects used two little bottles, first round (height 13.5 cm) and second faceted (height 20 cm) shape and two big faceted bottles, first 9×6 cm (height 21 cm) and second 7×7 cm (height 21 cm). | ||
| Diamond Hole Saw Drill 3mm diameter | Glass Hole Saw Kit | Optional. | |
| Digital Weighing Scale | SIGMA – ALDRICH | Rs 4,000 | |
| Dissecting scissors | SIGMA – ALDRICH | Z265969 | |
| Ethanol 99.9 % | Pharmacy | 5%-10% solution used to clean equipment and remove odors | |
| EthoVision XT (Video software) | Noldus, Wageningen, Netherlands | Optional | |
| Fluid-percussion device | custom-made at the university workshop | No specific brand is recommended. | |
| Gauze Sponges | Fisher | 22-362-178 | |
| Gloves (thin laboratory gloves) | Optional. | ||
| Heater with thermometer | Heatingpad-1 | Model: HEATINGPAD-1/2 | No specific brand is recommended. |
| Horizon-XL | Mennen Medical Ltd | ||
| Isofluran, USP 100% | Piramamal Critical Care, Inc | NDC 66794-017 | Anesthetic liquid for inhalation |
| Office 365 ProPlus | Microsoft | – | Microsoft Office Excel |
| Olympus BX 40 microscope | Olympus | ||
| Operating forceps | SIGMA – ALDRICH | ||
| Operating Scissors | SIGMA – ALDRICH | ||
| PC Computer for USV recording and data analyses | Intel | Intel® core i5-6500 CPU @ 3.2GHz, 16 GB RAM, 64-bit operating system | |
| Plexiglass boxes linked by a narrow passage | Two transparent 30 cm × 20 cm × 20 cm plexiglass boxes linked by a narrow 15 cm × 15 cm × 60 cm passage | ||
| Purina Chow | Purina | 5001 | Rodent laboratory chow given to rats, mice and hamster is a life-cycle nutrition that has been used in biomedical researc for over 5 |
| Rat cages (rat home cage or another enclosure) | Techniplast | 2000P | No specific brand is recommended |
| Scalpel blades 11 | SIGMA – ALDRICH | S2771 | |
| SPSS | SPSS Inc., Chicago, IL, USA | 20 package | |
| Stereotaxic Instrument | custom-made at the university workshop | No specific brand is recommended | |
| Timing device | Interval Timer:Timing for recording USV's | Optional. Any timer will do, although it is convenient to use an interval timer if you are tickling multiple rats | |
| Topological and metric tasks device | Self made in Ben Gurion University of Negev | White circular platform 200 cm in diameter and 1 cm thick on table | |
| Video camera | Logitech | C920 HD PRO WEBCAM | Digital video camera for high definition recording of rat behavior under plus maze test |
| Windows 10 | Microsoft | ||
References
- Binder, L. M. Persisting symptoms after mild head injury: A review of the postconcussive syndrome. Journal of Clinical and Experimental Neuropsychology. 8 (4), 323-346 (1986).
- Binder, L. M. A review of mild head trauma. Part II: Clinical implications. Journal of Clinical and Experimental Neuropsychology. 19 (3), 432-457 (1997).
- Binder, L. M., Rohling, M. L., Larrabee, G. J. A review of mild head trauma. Part I: Meta-analytic review of neuropsychological studies. Journal of Clinical and Experimental Neuropsychology. 19 (3), 421-431 (1997).
- Leininger, B. E., Gramling, S. E., Farrell, A. D., Kreutzer, J. S., Peck, E. A. Neuropsychological deficits in symptomatic minor head injury patients after concussion and mild concussion. Journal of Neurology, Neurosurgery & Psychiatry. 53 (4), 293-296 (1990).
- Levin, H. S., et al. Neurobehavioral outcome following minor head injury: a three-center study. Journal of Neurosurgery. 66 (2), 234-243 (1987).
- McMillan, T. M. Minor head injury. Current Opinion in Neurology. 10 (6), 479-483 (1997).
- Millis, S. R., et al. Long-term neuropsychological outcome after traumatic brain injury. The Journal of Head Trauma Rehabilitation. 16 (4), 343-355 (2001).
- Stuss, D., et al. Reaction time after head injury: fatigue, divided and focused attention, and consistency of performance. Journal of Neurology, Neurosurgery & Psychiatry. 52 (6), 742-748 (1989).
- Gurkoff, G. G., et al. Evaluation of metric, topological, and temporal ordering memory tasks after lateral fluid percussion injury. Journal of Neurotrauma. 30 (4), 292-300 (2013).
- Goodrich-Hunsaker, N. J., Howard, B. P., Hunsaker, M. R., Kesner, R. P. Human topological task adapted for rats: Spatial information processes of the parietal cortex. Neurobiology of Learning and Memory. 90 (2), 389-394 (2008).
- Goodrich-Hunsaker, N. J., Hunsaker, M. R., Kesner, R. P. Dissociating the role of the parietal cortex and dorsal hippocampus for spatial information processing. Behavioral Neuroscience. 119 (5), 1307 (2005).
- Goodrich-Hunsaker, N. J., Hunsaker, M. R., Kesner, R. P. The interactions and dissociations of the dorsal hippocampus subregions: how the dentate gyrus, CA3, and CA1 process spatial information. Behavioral Neuroscience. 122 (1), 16 (2008).
- Rosenfeld, C. S., Ferguson, S. A. Barnes maze testing strategies with small and large rodent models. Journal of Visualized Experiments:JoVE. (84), e51194 (2014).
- O’leary, T. P., Brown, R. E. The effects of apparatus design and test procedure on learning and memory performance of C57BL/6J mice on the Barnes maze. Journal of Neuroscience Methods. 203 (2), 315-324 (2012).
- Bromley-Brits, K., Deng, Y., Song, W. Morris water maze test for learning and memory deficits in Alzheimer’s disease model mice. Journal of Visualized Experiments:JoVE. (53), e2920 (2011).
- Smith, C., Rose, G. M. Evidence for a paradoxical sleep window for place learning in the Morris water maze. Physiology & Behavior. 59 (1), 93-97 (1996).
- Roof, R. L., Zhang, Q., Glasier, M. M., Stein, D. G. Gender-specific impairment on Morris water maze task after entorhinal cortex lesion. Behavioural Brain Research. 57 (1), 47-51 (1993).
- Deacon, R. M., Rawlins, J. N. P. T-maze alternation in the rodent. Nature Protocols. 1 (1), 7 (2006).
- Penley, S. C., Gaudet, C. M., Threlkeld, S. W. Use of an eight-arm radial water maze to assess working and reference memory following neonatal brain injury. Journal of Visualized Experiments:JoVE. (82), e50940 (2013).
- Davis, A. R., Shear, D. A., Chen, Z., Lu, X. -. C. M., Tortella, F. C. A comparison of two cognitive test paradigms in a penetrating brain injury model. Journal of Neuroscience Methods. 189 (1), 84-87 (2010).
- Jones, N. C., et al. Experimental traumatic brain injury induces a pervasive hyperanxious phenotype in rats. Journal of Neurotrauma. 25 (11), 1367-1374 (2008).
- Kabadi, S. V., Hilton, G. D., Stoica, B. A., Zapple, D. N., Faden, A. I. Fluid-percussion-induced traumatic brain injury model in rats. Nature Protocols. 5 (9), 1552 (2010).
- Ohayon, S., et al. Cell-free DNA as a marker for prediction of brain damage in traumatic brain injury in rats. Journal of Neurotrauma. 29 (2), 261-267 (2012).
- Frank, D., et al. Induction of Diffuse Axonal Brain Injury in Rats Based on Rotational Acceleration. Journal of Visualized Experiments:JoVE. (159), e61198 (2020).
- Hunter, A., et al. Functional assessments in mice and rats after focal stroke. Neuropharmacology. 39 (5), 806-816 (2000).
- Yarnell, A. M., et al. The revised neurobehavioral severity scale (NSS-R) for rodents. Current Protocols in Neuroscience. 75, 1-16 (2016).
- Fujimoto, S. T., Longhi, L., Saatman, K. E., McIntosh, T. K. Motor and cognitive function evaluation following experimental traumatic brain injury. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 28 (4), 365-378 (2004).
- Hausser, N., et al. Detecting behavioral deficits in rats after traumatic brain injury. Journal of Visualized Experiments:JoVE. (131), e56044 (2018).
- Ma, C., et al. Sex differences in traumatic brain injury: a multi-dimensional exploration in genes, hormones, cells, individuals, and society. Chinese Neurosurgical Journal. 5 (1), 1-9 (2019).
- Shahrokhi, N., Khaksari, M., Soltani, Z., Mahmoodi, M., Nakhaee, N. Effect of sex steroid hormones on brain edema, intracranial pressure, and neurologic outcomes after traumatic brain injury. Canadian Journal of Physiology and Pharmacology. 88 (4), 414-421 (2010).
- Farace, E., Alves, W. M. Do women fare worse: a metaanalysis of gender differences in traumatic brain injury outcome. Journal of Neurosurgery. 93 (4), 539-545 (2000).
- Basso, M. R., Harrington, K., Matson, M., Lowery, N. FORUM sex differences on the WMS-III: findings concerning verbal paired associates and faces. The Clinical Neuropsychologist. 14 (2), 231-235 (2000).
- Janowsky, J. S., Chavez, B., Zamboni, B. D., Orwoll, E. The cognitive neuropsychology of sex hormones in men and women. Developmental Neuropsychology. 14 (2-3), 421-440 (1998).
- Halari, R., et al. Sex differences and individual differences in cognitive performance and their relationship to endogenous gonadal hormones and gonadotropins. Behavioral Neuroscience. 119 (1), 104 (2005).
- Rowe, R. K., Griffiths, D., Lifshitz, J. . Pre-Clinical and Clinical Methods in Brain Trauma Research. , 97-110 (2018).
- Kabadi, S. V., Hilton, G. D., Stoica, B. A., Zapple, D. N., Faden, A. I. Fluid-percussion-induced traumatic brain injury model in rats. Nature Protocols. 5 (9), 1552-1563 (2010).
- Losurdo, M., Davidsson, J., Sköld, M. K. Diffuse axonal injury in the rat brain: axonal injury and oligodendrocyte activity following rotational injury. Brain Sciences. 10 (4), 229 (2020).
- Kuts, R., et al. A novel method for assessing cerebral edema, infarcted zone and blood-brain barrier breakdown in a single post-stroke rodent brain. Frontiers in Neuroscience. 13, 1105 (2019).
