Summary

Стимуляция блуждающего нерва как инструмент, чтобы побудить пластичность Подготовка актуальным для вымирания обучения

Published: August 21, 2015
doi:

Summary

Стимуляция блуждающего нерва (ВНС) появился в качестве инструмента, чтобы вызвать адресную синаптическую пластичность в переднем мозге, чтобы изменить выбор поведения. Этот протокол описывает, как реализовать ВНС содействовать консолидации страха вымирания памяти.

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

Классическая кондиционирования страх обеспечивает широко используется животную модель для изучения биологических основ тревожных расстройств. Во время страх кондиционирования, отвращение раздражитель (безусловный раздражитель, США, например, Footshock) представлена ​​в сочетании с нейтральным стимулом, например, тона и / или контексте (условный раздражитель; CS). Во время страх кондиционирования, ассоциации между CS и США формируются. В конце концов презентация CS одиночку вызывает реакцию страха (условный рефлекс; CR). В страхе исчезновения, CS повторно представлены в отсутствие США, в результате чего CR постепенно уменьшается 1. Таким образом, исчезновение условного страха активный процесс, в котором страшные поведенческие реакции в нейтральных раздражителей ослабляется, когда они больше не прогнозируют отвращение результатов. Вымирание условных реакций требует консолидации новых воспоминаний, которые конкурируют с учеными объединений. Отличительной чертой тревожных расстройств является ИТПМIRED вымирание 2-4. Таким образом, исчезновение условного страха на животных моделях служит важным парадигмы как для тормозного обучения и в качестве модели поведенческой терапии расстройств 5,6 тревожных человека.

Потому что есть тесная между страхом и тревогой человека, он думал, что эти исследования могут дать представление о биологической природе тревожных расстройств, связанных с такими, как посттравматический стресс и поможет разработать стратегии, чтобы лечить их. Важной задачей доклинических исследований является помощь исчезновения обучения и побудить целевую пластичность вымирания схем консолидации исчезновения обучения. Блуждающий нерв стимуляции (ВНС) является минимально инвазивной neuroprosthetic подход, который может быть использован для обеспечения плотно временную и схемы конкретных модуляции областей головного мозга и синапсов, участвующих в текущей задаче. Серия недавних исследований с группой Майкла Kilgard в университете Техаса в ДалласеПоказано, что спаривание ВНС с дискретными сенсорными или моторных раздражителей (например, тон или рычаг тянуть) является весьма эффективным в продвижении корковой пластичности для лечения шума в ушах 7, или для преодоления дефицита моторных следующие инсульта 8-10. Кроме того, не контингент ВНС, что происходит в течение короткого временного окна, узнав же способствует корковой пластичности и усиливает консолидацию памяти у крыс и у человека 11-13.

Учитывая роль блуждающего нерва в парасимпатической пути, это не удивительно, что она может участвовать в модуляции воспоминания и синаптическую пластичность. Высоко эмоциональные события, как правило, производят сильные воспоминания, чем не-эмоциональные воспоминания. Это, вероятно, связано с влиянием стрессовых гормонов на консолидации памяти. Posttraining администрация гормона стресса адреналина повышает консолидации памяти в человека и нечеловеческих животных, но адреналин не проникает через гематоэнцефалический барьер 14, 15 </suр>. Таким образом, стресс-индуцированный выброс адреналина должен повлиять на мозг косвенно повышения консолидации памяти. Сильный данные свидетельствуют о том, что блуждающий нерв может быть связь между циркулирующим и адреналина в головном мозге. Мияшита и Уильямс 16 обнаружили, что системное введение адреналина увеличивается блуждающим нервом стрельбу, и увеличенные уровни норадреналина в миндалине 17. Системное введение адреналина не способствует консолидации памяти, когда β-адренорецепторов блокируются в миндалине 18 предполагая, что блуждающий нерв играет важную роль в пути, который превращает эмоционально возбуждающих опытом в долгосрочной памяти.

Таким образом, спаривание ВНС обучение имеет потенциал для повышения мозговые изменения, которые поддерживают консолидацию памяти и воздействия условных сигналов при отсутствии подкрепления усиливает консолидацию исчезновения обучения у крыс 19,20. Здесь мы опишем использование ВНС аса инструмент для продвижения корковой пластичности и облегчить вымирание условного реакции страха.

Protocol

Все процедуры, описанные в этом протоколе осуществляется в соответствии с Руководством по NIH по уходу и использованию лабораторных животных, и они были одобрены уходу и использованию комитета Институциональная животных из Университета Техаса в Далласе в. 1. Строительств…

Representative Results

В этом разделе приведены примеры результатов, которые могут быть получены с помощью ВНС в сочетании с вымиранию обучения, чтобы уменьшить выражение условной реакции страха у крыс. Для Дни 1 и 2 (слуховой Страх кондиционирования), крысы обучались на слуховой задачи страх кондиционирован?…

Discussion

Мы представляем здесь протокол, который используется для облегчения вымирание условного страха во время одного сеанса воздействия условного киев 19 и модулировать пластичность в пути между infralimbic коры и миндалины базолатеральную, которые могут опосредовать вымирание обучения <s…

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).

Play Video

Cite This Article
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).

View Video