Summary

Vagusnervstimulation als Instrument zur Plastizität in Pathways Relevant für Extinction Learning herbei

Published: August 21, 2015
doi:

Summary

Vagusnervstimulation (VNS) hat sich als Instrument zur zielgerichteten synaptischen Plastizität im Vorderhirn zu veranlassen, eine Reihe von Verhaltensweisen ändern entstanden. Dieses Protokoll beschreibt, wie die Umsetzung VNS, um die Konsolidierung der Angst Aussterben Speicher zu erleichtern.

Abstract

Extinction describes the process of attenuating behavioral responses to neutral stimuli when they no longer provide the reinforcement that has been maintaining the behavior. There is close correspondence between fear and human anxiety, and therefore studies of extinction learning might provide insight into the biological nature of anxiety-related disorders such as post-traumatic stress disorder, and they might help to develop strategies to treat them. Preclinical research aims to aid extinction learning and to induce targeted plasticity in extinction circuits to consolidate the newly formed memory. Vagus nerve stimulation (VNS) is a powerful approach that provides tight temporal and circuit-specific release of neurotransmitters, resulting in modulation of neuronal networks engaged in an ongoing task. VNS enhances memory consolidation in both rats and humans, and pairing VNS with exposure to conditioned cues enhances the consolidation of extinction learning in rats. Here, we provide a detailed protocol for the preparation of custom-made parts and the surgical procedures required for VNS in rats. Using this protocol we show how VNS can facilitate the extinction of conditioned fear responses in an auditory fear conditioning task. In addition, we provide evidence that VNS modulates synaptic plasticity in the pathway between the infralimbic (IL) medial prefrontal cortex and the basolateral complex of the amygdala (BLA), which is involved in the expression and modulation of extinction memory.

Introduction

Klassische Angstkonditionierung stellt eine weit verbreitete Tiermodell, um die biologischen Grundlagen von Angststörungen zu untersuchen. Während der Furchtkonditionierung, ein aversiven Reiz (der unbedingten Reiz, USA, zum Beispiel ein Fuß-Schock) wird in Verbindung mit einem neutralen Reiz, wie eine Ton und / oder einem Kontext (; CS der bedingten Reiz) präsentiert. Während der Furchtkonditionierung, Verbände zwischen der CS und den USA ausgebildet. Schließlich wird die Präsentation des CS allein löst eine Angstreaktion (die konditionierte Reaktion; CR). In Furchtextinktion wird der CS wiederholt in der Abwesenheit der USA dargestellt, wodurch die CR allmählich verringern 1. So ist vom Aussterben konditionierter Angst ein aktiver Prozess, bei dem ängstlichen Verhaltensreaktionen auf neutrale Reize gedämpft werden, wenn sie nicht mehr aversive Ergebnisse vorherzusagen. Extinction konditionierter Reaktionen erfordert Konsolidierung neuer Erinnerungen, die mit gelernt Verbände konkurrieren. Ein Markenzeichen von Angststörungen ist impaired Aussterben 2-4. Somit dient Extinktion konditionierter Furcht in Tiermodellen als wichtiges Paradigma sowohl inhibitorische Lernen und als Verhaltensmodell für die menschliche Therapie von Angststörungen 5,6.

Da gibt es enge Korrespondenz zwischen Angst und menschliche Angst, wird angenommen, dass diese Studien können Einblick in die biologische Natur der Angst-Erkrankungen wie posttraumatische Belastungsstörung liefern und helfen, Strategien zu entwickeln, um sie zu behandeln. Ein wichtiges Ziel der präklinischen Forschung ist zum Aussterben Lernen zu unterstützen und um zielgerichtete Plastizität in Aussterben Schaltungen zu veranlassen, vom Aussterben Lernen zu festigen. Vagusnervstimulation (VNS) ist eine minimal-invasive neuroprothetischer Ansatz, der verwendet werden könnte, um enge zeitliche und Kreislauf-spezifische Modulation von Gehirnbereichen und Synapsen in fortlaufende Aufgabe beschäftigt ist. Eine Reihe von aktuellen Studien von Michael Kilgard Gruppe an der University of Texas at Dallas habengezeigt, dass die Paarung VNS mit diskreten sensorische oder motorische Reize (zB ein Ton oder ein Hebel ziehen) ist hoch wirksam bei der Förderung der kortikale Plastizität zur Behandlung von Tinnitus 7 oder motorische Defizite zu überwinden, nach Schlaganfall 8-10. Darüber hinaus Nicht-Kontingent VNS, die innerhalb eines kurzen Zeitfenster nach dem Lernen erfolgt in ähnlicher Weise fördert die kortikale Plastizität und verbessert die Gedächtniskonsolidierung bei Ratten und beim Menschen 11-13.

In Anbetracht der Rolle des Vagus in der parasympathischen Weges, ist es nicht verwunderlich, dass es bei der Modulation der Erinnerungen und der synaptischen Plastizität zu beteiligen. Hoch emotionalen Ereignisse neigen dazu, stärker Erinnerungen als Nicht-emotionalen Erinnerungen zu produzieren. Dies ist durch den Einfluss von Stresshormonen auf die Gedächtniskonsolidierung wahrscheinlich. Posttraining Verwaltung des Stresshormons Adrenalin erhöht die Speicherkonsolidierung in menschlichen und nicht-menschlichen Tieren, aber Adrenalin nicht die Blut-Hirn-Schranke 14, 15 kreuzen </sup>. Daher muss spannungsinduzierte Adrenalinausschüttung das Gehirn indirekt Einfluss auf die Gedächtniskonsolidierung zu verbessern. Starke Hinweise darauf, dass der Vagus kann die Verbindung zwischen zirkulierenden Adrenalin und dem Gehirn. Miyashita und Williams 16 festgestellt, dass die systemische Verabreichung von Adrenalin erhöht Vagusnerv Brennen, und erhöhte Noradrenalin in der Amygdala 17. Die systemische Verabreichung von Adrenalin nicht verbessern Gedächtniskonsolidierung, wenn β-adrenergen Rezeptoren in der Amygdala 18 was darauf hindeutet, dass der Vagus spielt eine Rolle bei der Bahn, die emotional erregende Erfahrungen verwandelt sich in Langzeitgedächtnis blockiert.

So Paarung VNS mit Ausbildung hat das Potenzial, um die Veränderungen im Gehirn, die Gedächtniskonsolidierung und der Exposition gegenAnlage Cues unterstützt in der Abwesenheit von Verstärkung erhöht die Konsolidierung des Aussterbens Lernen bei Ratten 19,20 verbessern. Hier beschreiben wir die Verwendung von VNS asa-Tool, um kortikale Plastizität fördern und Erlöschen einer konditionierten Angstreaktion zu erleichtern.

Protocol

Alle in diesem Protokoll beschriebenen Verfahren werden nach dem NIH Leitfaden für die Pflege und Verwendung von Labortieren durchgeführt, und sie wurden von der Institutional Animal Care und Verwenden Ausschuss der Universität von Texas in Dallas genehmigt. 1. Konstruktion des VNS Cuffs Erstellen Sie ein Bohrwerkzeug durch Absägen das scharfe Ende einer 22 ½ G Nadel. Führen Sie das jetzt stumpfen Ende der 22 ½ G Nadel über einem Metall Datei mehrmals, um sie zu …

Representative Results

In diesem Abschnitt werden Beispiele für Ergebnisse, die durch die Verwendung VNS in Kombination mit vom Aussterben Lernen, um die Expression des konditionierten Angstreaktion in Ratten zu verringern gewonnen werden können. Für den Tagen 1 und 2 (Auditory Angst Anlage) wurden die Ratten auf einem Gehörfurchtkonditionierung Aufgabe, in der Fußschocks wurden mit einem Ton, gepaart geschult. Am Tag 3 (Pre-Behandlung Test), wurden Töne in der Abwesenheit von Fußschocks, um ein Einfrieren zu messen und zu schließen A…

Discussion

Wir stellen Ihnen hier ein Protokoll, das verwendet wird, um vom Aussterben konditionierter Angst während einer einzigen Sitzung der Exposition gegenüber konditionierten Signale 19 zu erleichtern und die Plastizität in den Weg zwischen dem infralimbischen Kortex und der basolateralen Amygdala, die vermitteln können Aussterben Lernen 20 zu modulieren. Ein entscheidender Schritt für den Erfolg dieses Protokolls ist die ordnungsgemäße Lieferung der VNS bei Aussterben Ausbildung. Daher sollte be…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This research was supported by the National Institute of Mental Health MH 086960-01A1 (Christa K. McIntyre).

Materials

Alcohol
Atropine Fisher A0132-5G
Betadine Henry Schein 69066950
Hydrogen peroxide  CVS 209478
Ketamine Henry Schein  1129300
Marcaine Henry Schein 6312615
Mineral Oil CVS 152355
Neosporin CVS 629451
Oxygen Home Depot 304179
Pennicillin Fisher PENNA-10MU
Propane Home Depot 304182
Xylazine Henry Schein 4019308
Tools
Jewelery Torch Smith Equipment 23-1001D
Sewing Needle Walgreens 441831
#5 Forceps (2) Fine Science Tools 11254-20
Soldering Iron Home Depot  203525863
AmScope SM-4TX-144A 3.5X-45X Circuit Board Boom Stereo Microscope + 144 LED AmScope SM-4TX-144A
Helping Hands A-M Systems  726200
Scalpel Blade Holder Fine Science Tools 10003-12
Metal File Home Depot 6601
Ruler Home Deopt 202035324
Curved Hemostats  Fine Science Tools 130009-12
Fine Scissors Fine Science Tools 14058-09
Spatula Fine Science Tools
Small Screwdriver Home Depot 646507
Magnetic Fixator Retraction System Fine Science Tools 18200-04, 18200-01, 18200-05
Heating Pad Walgreens 30294
Clippers Walgreens 277966
Sharpie Staples 125328
Ring Forceps Fine Science Tools 11103-09
Custom Micropipette Glass Tools (J shape and Straight) – Borosilicate glass Sutter Instrument B150-110-10
Adson Forceps Fine Science Tools 11006-12
Cuffs
Tubing Braintree Scientific Inc MRE-065
Platinum Iridium Wire Medwire 10IR9/49T
Gold Pins Mill-Max 1001-0-15-15-30-27-04-0
Suture Thread Henry Schein 100-5797
22 G Needles Fisher  14-815-525
Paper Tape Fisher  03-411-602
Solder Home Deopt 327793
Flux  Home Deopt 300142
Scalpel Blade, 10 or 15 Stoelting 52173-10
Silastic Laboratory Tubing .51 mm ID x .94 mm OD Fisher  508-002
Headcaps
Connector Pieces (male) Omnetics Connector Corporation A25001-004
Headcap pieces (female) Omnetics Connector Corporation A24001-004
Teets Dental Acrylic, Liquid and Powder A-M Systems 525000, 526000
26 Gauge Solid Copper Wire Staples 1016882  
Surgery
Bone Screws Stoelting+CB33:C61 51457
Scalpel Blades, 10 or 15 Stoelting 52173-10
1 ml syringes Fisher 14-826-261
22 G Needles Fisher  14-815-525
27 G Needles Fisher 14-826-48
2" x 2" Gauze Fisher 22-362-178
Swabs Fisher 19-120-472
Puppy Pads PetCo 1310747
Kim Wipes Fisher 06-666-A
Chamber and Behavioral Setting 
Husky Metal Front Base Cabinet (30WX19DX34H) Home Depot 100607961
Quiet Barrier­ HD Soundproofing Material (Sheet) (PSA) soundproofcow.com 10203041
Convoluted Acoustic Foam Panel soundproofcow.com 10432400
Isolated Pulse Stimulator Model 2100 A-M Systems 720000
Digital Camera – Logitech Webcam C210 Logitech B003LVZO88
MatLab Mathworks.com
Sinometer 10MHz Single Channel Oscilloscope Sinometer CQ5010C
OxyLED T-01 DIY Stick-on Anywhere 4-LED Touch Tap Light OXYLED B00GD8OKY0
5k ohm potentiomter Alpha Electronics B00CTWDHIO
Extech 407730 40-to-130-Decibel Digital Sound Level Meter Extech Instruments B000EWY67W
DSCK-C Dual Output, scrambled shocker Kinder Scientific Co

References

  1. Quirk, G. J., Mueller, D. Neural mechanisms of extinction learning and retrieval. Neuropsychopharmacol. 33 (1), 56-72 (1038).
  2. Milad, M. R., Orr, S. P., Lasko, N. B., Chang, Y., Rauch, S. L., Pitman, R. K. Presence and acquired origin of reduced recall for fear extinction in PTSD: results of a twin study. J Psychiat Res. 42 (7), 515-520 (2008).
  3. Jovanovic, T., Norrholm, S. D., Blanding, N. Q., Davis, M., Duncan, E., Bradley, B., Ressler, K. J. Impaired fear inhibition is a biomarker of PTSD but not depression. Depress Anxiety. 27 (3), 244-251 (2010).
  4. Norrholm, S. D., et al. Fear extinction in traumatized civilians with posttraumatic stress disorder: relation to symptom severity. Biol Psychiat. 69 (6), 556-563 (2011).
  5. Phelps, E. A., LeDoux, J. E. Contributions of the amygdala to emotion processing: from animal models to human behavior. Neuron. 48 (2), 175-187 (2005).
  6. Pape, H. C., Paré, D. Plastic synaptic networks of the amygdala for the acquisition, expression, and extinction of conditioned fear. Physiol Rev. 90 (2), 419-463 (2010).
  7. Engineer, N. D., et al. Reversing pathological neural activity using targeted plasticity. Nature. 470 (7332), 101-104 (2011).
  8. Porter, B. A., et al. Repeatedly pairing vagus nerve stimulation with a movement reorganizes primary motor cortex. Cereb Cortex. 22 (10), 2365-2374 (2012).
  9. Hays, S. A., et al. Vagus nerve stimulation during rehabilitative training improves functional recovery after intracerebral hemorrhage. Stroke. 45, 3097-3100 (2014).
  10. Khodaparast, N., et al. Vagus nerve stimulation delivered during motor rehabilitation improves recovery in a rat model of stroke. Neurorehab Neural Re. 28 (7), 698-706 (2014).
  11. Clark, K. B., Krahl, S. E., Smith, D. C., Jensen, R. A. Post‐training unilateral vagal stimulation enhances retention performance in the rat. Neurobiol Learn Mem. 63 (3), 213-216 (1995).
  12. Clark, K. B., Smith, D. C., Hassert, D. L., Browning, R. A., Naritoku, D. K., Jensen, R. A. Posttraining electrical stimulation of vagal afferents with concomitant vagal efferent inactivation enhances memory storage processes in the rat. Neurobiol Learn Mem. 70 (3), 364-373 (1998).
  13. Clark, K. B., Naritoku, D. K., Smith, D. C., Browning, R. A., Jensen, R. A. Enhanced recognition memory following vagus nerve stimulation in human subjects. Nat. Neurosci. 2, 94-98 (1999).
  14. McGaugh, J. L. amygdala modulates the consolidation of memories of emotionally arousing experiences. Annu Rev Neurosci. 27, 1-28 (2004).
  15. McGaugh, J. L., Roozendaal, B. Role of adrenal stress hormones in forming lasting memories in the brain. Curr Opin Neurobiol. 12, 205-210 (2002).
  16. Miyashita, T., Williams, C. L. Epinephrine administration increases neural impulses propagated along the vagus nerve: Role of peripheral beta-adrenergic receptors. Neurobiol Learn Mem. 85 (2), 116-124 (2006).
  17. Williams, C. L., Men, D., Clayton, E. C., Gold, P. E. Norephinephrine release in the amygdala after systemic injection of epinephrine or escapable footshock: contribution of the nucleus of the solitary tract. Behavioral Neurosci. 112 (6), 1414-1422 (1998).
  18. Liang, K. C., Juler, R. G., McGaugh, J. L. Modulating effects of post-training epinephrine on memory: involvement of the amygdala noradrenergic system. Brain Res. 368 (1), 125-133 (1986).
  19. Peña, D. F., Engineer, N. D., McIntyre, C. K. Rapid remission of conditioned fear expression with extinction training paired with vagus nerve stimulation. Biol Psychiat. 73 (11), 1071-1077 (2013).
  20. Peña, D. F., Childs, J. E., Willett, S., Vital, A., McIntyre, C. K., Kroener, S. Vagus nerve stimulation enhances extinction of conditioned fear and modulates plasticity in the pathway from the ventromedial prefrontal cortex to the amygdala. Front Behav Neurosci. 8 (327), (2014).
  21. Maren, S. Overtraining does not mitigate contextual fear conditioning deficits produced by neurotoxic lesions of the basolateral amygdala. J Neurosci. 18 (8), 3088-3097 (1998).
  22. Blanchard, R. J., Blanchard, D. C. Crouching as an index of fear. J Comp Physiol Psych. 67 (3), 370-375 (1969).
  23. Maroun, M. Stress reverses plasticity in the pathway projecting from the ventromedial prefrontal cortex to the basolateral amygdala. Eur J Neurosci. 24 (10), 2917-2922 (2006).
  24. Moussawi, K., et al. N-Acetylcysteine reverses cocaine-induced metaplasticity. Nat Neurosci. 12, 182-189 (2009).
  25. Paintal, A. S. Vagal sensory receptors and their reflex effects. Physiol. Rev. 53 (1), 159-227 (1973).
  26. Aalbers, M., Vles, J., Klinkenberg, S., Hoogland, G., Majoie, M., Rijkers, K. Animal models for vagus nerve stimulation in epilepsy. Exp Neurol. 230 (2), 167-175 (2011).
  27. Ricardo, J. A., Koh, E. T. Anatomical evidence of direct projections from the nucleus of the solitary tract to the hypothalamus, amygdala, and other forebrain structures in the rat. Brain Res. 153, 1-26 (1978).
  28. Takigawa, M., Mogenson, G. J. A study of inputs to antidromically identified neurons of the locus coeruleus. Brain Res. 135 (2), 217-230 (1977).
  29. Groves, D. A., Bowman, E. M., Brown, V. J. Recordings from the rat locus coeruleus during acute vagal nerve stimulation in the anaesthetised rat. Neurosci Lett. 379 (3), 174-179 (2005).
  30. Manta, S., Dong, J., Debonnel, G., Blier, P. Enhancement of the function of rat serotonin and norepinephrine neurons by sustained vagus nerve stimulation. J Psychiatr Neurosci. 34 (4), 272-280 (2009).
  31. Manta, S., El Mansari, M., Debonnel, G., Blier, P. Electrophysiological and neurochemical effects of long-term vagus nerve stimulation on the rat monoaminergic systems. Int J Neuropsychoph. 16 (2), 459-470 (2013).
  32. Dorr, A. E., Debonnel, G. Effect of vagus nerve stimulation on serotonergic and noradrenergic transmission. J Pharmacol Exp Ther. 318, 890-898 (2006).
  33. Follesa, P., et al. Vagus nerve stimulation increases norepinephrine concentration and the gene expression of BDNF and bFGF in the rat brain. Brain Res. 1179 (7), 28-34 (2007).
  34. Biggio, F., et al. Chronic vagus nerve stimulation induces neuronal plasticity in the rat hippocampus. Int J Neuropsychoph. 12 (9), 1209-1221 (1017).
  35. Nichols, J. A., Nichols, A. R., Smirnakis, S. M., Engineer, N. D., Kilgard, M. P., Atzori, M. Vagus nerve stimulation modulates cortical synchrony and excitability through the activation of muscarinic receptors. Neuroscience. 189, 207-214 (2011).
  36. Peters, J., Kalivas, P. W., Quirk, G. J. Extinction circuits for fear and addiction overlap in prefrontal cortex. Learn Memory. 16, 279-288 (2009).
  37. Ji, J., Maren, S. Hippocampal involvement in contextual modulation of fear extinction. Hippocampus. 17 (9), 749-758 (2007).
  38. Roosevelt, R. W., Smith, D. C., Clough, R. W., Jensen, R. A., Browning, R. A. Increased extracellular concentrations of norepinephrine in cortex and hippocampus following vagus nerve stimulation in the rat. Brain Res. 1119 (1), 124-132 (2006).
  39. Hassert, D. L., Miyashita, T., Williams, C. L. The effects of peripheral vagal nerve stimulation at a memory-modulating intensity on norepinephrine output in the basolateral amygdala. Behav Neurosci. 118 (1), 79-88 (2004).
  40. Ura, H., et al. Vagus nerve stimulation induced long-lasting enhancement of synaptic transmission and decreased granule cell discharge in the hippocampal dentate gyrus of urethane-anesthetized rats. Brain Res. 1492, 63-71 (2013).
  41. Zuo, Y., Smith, D. C., Jensen, R. A. Vagus nerve stimulation potentiates hippocampal LTP in freely-moving rats. Physiol Behav. 90 (4), 583-589 (2007).
  42. Shen, H., Fuchino, Y., Miyamoto, D., Nomura, H., Matsuki, N. Vagus nerve stimulation enhances perforant path-CA3 synaptic transmission via the activation of β-adrenergic receptors and the locus coeruleus. Int J Neuropsychophl. 15 (4), 523-530 (2012).
  43. Fibiger, H. C., Mason, S. T. The effects of dorsal bundle injections of 6-hydroxydopamine on avoidance responding in rats. Bitr J Pharmacol. 64 (4), 601-605 (1978).
  44. Mason, S. T. Fibiger H.C. 6-OHDA lesion of the dorsal noradrenergic bundle alters extinction of passive avoidance. Brain Res. 152, 209-214 (1978).
  45. McGaugh, J. L. Memory consolidation and the amygdala: a systems perspective. Trends Neurosci. 25 (9), 456-461 (2002).
  46. LaLumiere, R. T., Niehoff, K. E., Kalivas, P. W. The infralimbic cortex regulates the consolidation of extinction after cocaine self-administration. Learn Memory. 17, 168-175 (2010).
  47. Mueller, D., Cahill, S. P. Noradrenergic modulation of extinction learning and exposure therapy. Behav Brain Res. 208 (1), 1-11 (2010).
  48. Smith, R. J., Aston-Jones, G. α(2) Adrenergic and imidazoline receptor agonists prevent cue-induced cocaine seeking. Biol Psychiat. 70 (8), 712-719 (2011).
  49. Buffalari, D. M., Baldwin, C. K., See, R. E. Treatment of cocaine withdrawal anxiety with guanfacine: relationships to cocaine intake and reinstatement of cocaine seeking in rats. Psychopharmacol. (Berl). 223 (2), 179-190 (2012).
  50. De Ridder, D., Vanneste, S., Engineer, N. D., Kilgard, M. P. Safety and efficacy of vagus nerve stimulation paired with tones for the treatment of tinnitus: a case series). Neuromodulation. 17 (2), 170-179 (2014).
  51. Hays, S. A., et al. The timing and amount of vagus nerve stimulation during rehabilitative training affect poststroke recovery of forelimb strength. Neuroreport. 25, 676-682 (2014).

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Childs, J. E., Alvarez-Dieppa, A. C., McIntyre, C. K., Kroener, S. Vagus Nerve Stimulation as a Tool to Induce Plasticity in Pathways Relevant for Extinction Learning. J. Vis. Exp. (102), e53032, doi:10.3791/53032 (2015).

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