Travmatik Beyin Hasarından Sonra Yetişkin Sıçanlarda Mekansal Çalışma Belleğini Değerlendirmek için Bir Metrik Test
Summary
Travmatik beyin hasarı (TBI) genellikle hafıza bozukluğu ile ilişkilidir. Burada, TBI’dan sonra mekansal çalışma belleğini bir metrik görev aracılığıyla değerlendirmek için bir protokol sunuyoruz. Metrik test, TBI’dan sonra mekansal çalışma belleği bozukluğunu incelemek için yararlı bir araçtır.
Abstract
Duyusal, kısa süreli ve uzun süreli hafıza bozuklukları travmatik beyin hasarından (TBI) sonra yaygın yan etkilerdir. İnsan çalışmalarının etik sınırlamaları nedeniyle, hayvan modelleri test tedavi yöntemlerine ve durumun mekanizmalarını ve ilgili komplikasyonlarını incelemek için uygun alternatifler sağlar. Deneysel kemirgen modelleri, erişilebilirlik, düşük maliyet, tekrarlanabilirlik ve doğrulanmış yaklaşımları nedeniyle tarihsel olarak en yaygın kullanılan model olmuştur. İki nesnenin bir birinden çeşitli mesafe ve açılarda yerleştirilmesini hatırlama yeteneğini test eden bir metrik test, TBI’dan sonra mekansal çalışma belleğindeki (SWM) bozukluğu incelemek için kullanılan bir tekniktir. Ölçüm görevlerinin önemli avantajları arasında dinamik gözlem imkanı, düşük maliyet, tekrarlanabilirlik, göreceli uygulama kolaylığı ve düşük stres ortamı sayılabilir. Burada, TBI’dan sonra yetişkin sıçanlarda SWM bozukluğunu ölçmek için bir metrik test protokolü sunuyoruz. Bu test, beyin fonksiyonlarının fizyolojisini ve patofizyolojisini daha etkili bir şekilde değerlendirmek için uygulanabilir bir yol sağlar.
Introduction
Orta travmatik beyin hasarı (TBI) sonrası dikkat, yönetici fonksiyonu ve bazı hafıza açıkları gibi nörolojik açıkların yaygınlığı yüzde 50’den fazladır1, 2,3,4,5,6,7,8. TBI, mekansal kısa süreli, uzun süreli ve çalışma belleğinde ciddi bozukluklara yol açabilir9. Bu hafıza bozuklukları TBI kemirgen modellerinde gözlenmiştir. Kemirgen modelleri, belleği test etmek için tekniklerin geliştirilmesini sağlayarak, TBI’ın sinirsel bellek sistemlerinde bellek işleme üzerindeki etkisine daha derin incelemeler yapılmasına izin verir.
Sırasıyla topolojik ve metrik mekansal bilgi işleme ile ilgili iki test, uzamsal çalışma belleğinin (SWM) ölçülmesine yardımcı oluyor. Topolojik test, bir nesnenin etrafındaki çevresel alanın veya ilgili bağlantı veya muhafaza alanlarının boyutunu değiştirmeye bağlıdır, metrik test ise nesneler arasındaki açılardaki veya uzaklıktaki değişiklikleri değerlendirir10,11. Goodrich-Hunsaker ve ark. ilk olarak sıçanlar için insan topolojik testiniuyarladı 10 ve mekansal bilgi işlemede parietal korteks (PC) ve dorsal hipokampus rollerini ayrıştırmak için metrik görevi uyguladı11. Benzer şekilde, Gurkoff ve meslektaşları lateral sıvı perküsyon yaralanmasından sonra metrik, topolojik ve zamansal sıralama bellek görevlerini değerlendirdi9. Beynin belirli bölgelerindeki hasar ile metrik veya topolojik hafıza bozukluğu arasında bir korelasyon vardır. Metrik hafıza bozukluğunun hipokampüsün bilateral dorsal dentat girus ve cornu ammonis (CA) alt bölgesi CA3’teki lezyonlarla ilişkili olduğu, topolojik hafıza bozukluğunun bilateral parietal korteks lezyonları10,12ile ilişkili olduğu ileri sürlenmiştir.
Bu protokolün amacı, bir sıçan popülasyonundaki mekansal bellek açığını metrik bir görevle değerlendirmektir. Bu yöntem, beyin hasarından sonra SWM mekanizmalarını araştırmak için uygun bir alternatiftir ve avantajları arasında göreceli uygulama kolaylığı, yüksek hassasiyet, düşük tekrarlanabilirlik maliyeti, dinamik gözlem olasılığı ve düşük stres ortamı bulunur. Barnes labirenti13 , 14, Morris su navigasyon görevi15,16,17veya uzamsal labirent görevleri18,19gibi diğer davranışsal görevlerlekarşılaştırıldığında,bu ölçüm testi daha az karmaşıktır. Uygulama kolaylığı nedeniyle, metrik test daha kısa ve daha az stresli bir eğitim süresi gerektirir ve sadece 2 günboyunca gerçekleşir 9: alışkanlık için 1 gün ve görev için 1 gün. Ayrıca, önerdiğimiz testin gerçekleştirilmesi, yeni nesne tanıma (NOR) görevi gibi diğer düşük stres testlerinden daha kolaydır ve fazladan alışkanlık günü gerektirmez20.
Bu makale, beyin hasarından sonra SWM’yi değerlendirmek için basit bir model sunmaktadır. TBI sonrası SWM’nin bu değerlendirmesi patofizyolojisinin daha kapsamlı bir şekilde araştırılmasına yardımcı olabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ölçüm uzamsal bilgi sürecini özellikle hedefleyerek, bu ölçüm testi TBI’dan sonra bellek eksikliğini anlamak için gerekli bir araç sağlar. Bu makalede sunulan protokol, daha önce açıklanan davranışsal görevlerin bir değişikliğidir11. Daha önce açıklanan bir ölçüm görevi, her biri üç alışkanlık oturumu ve bir test oturumundan oluşan iki farklı paradigma kullandı. İlk paradigma, alışılmış nesneleri alışkanlıktan sonra birbirine yaklaştırmaktan ve ikinci…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Profesör Olena Severynovska’ya teşekkür ederiz; Maryna Kuscheriava M.Sc; Maksym Kryvonosov M.Sc; Daryna Yakumenko M.Sc; Evgenia Goncharyk M.Sc; ve Olha Shapoval, Fizyoloji Bölümü, Biyoloji, Ekoloji ve Tıp Fakültesi doktora adayı, Oles Honchar Dnipro Üniversitesi, Dnipro, Ukrayna destekleyici ve yararlı katkılarından dolayı. Veriler Dmitry Frank’in doktora tezinin bir parçası olarak elde edildi.
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).
