Een metrische test voor het beoordelen van ruimtelijk werkgeheugen bij volwassen ratten na traumatisch hersenletsel
Summary
Traumatisch hersenletsel (TBI) wordt vaak geassocieerd met geheugenstoornissen. Hier presenteren we een protocol om het ruimtelijk werkgeheugen na TBI te beoordelen via een metrische taak. Een metrische test is een nuttig hulpmiddel om ruimtelijke werkgeheugenstoornissen na TBI te bestuderen.
Abstract
Stoornissen in het sensorische, kortetermijn- en langetermijngeheugen zijn veel voorkomende bijwerkingen na traumatisch hersenletsel (TBI). Vanwege de ethische beperkingen van menselijke studies bieden diermodellen geschikte alternatieven voor testbehandelingsmethoden en om de mechanismen en gerelateerde complicaties van de aandoening te bestuderen. Experimentele knaagdiermodellen zijn historisch gezien het meest gebruikt vanwege hun toegankelijkheid, lage kosten, reproduceerbaarheid en gevalideerde benaderingen. Een metrische test, die het vermogen test om de plaatsing van twee objecten op verschillende afstanden en hoeken van elkaar te herinneren, is een techniek om stoornissen in het ruimtelijk werkgeheugen (SWM) na TBI te bestuderen. De belangrijke voordelen van metrische taken zijn de mogelijkheid van dynamische observatie, lage kosten, reproduceerbaarheid, relatief implementatiegemak en een omgeving met weinig stress. Hier presenteren we een metriek testprotocol om de aantasting van SWM bij volwassen ratten na TBI te meten. Deze test biedt een haalbare manier om de fysiologie en pathofysiologie van de hersenfunctie effectiever te evalueren.
Introduction
De prevalentie van neurologische tekorten zoals aandacht, uitvoerende functie en bepaalde geheugentekorten na matig traumatisch hersenletsel (TBI) is meer dan 50 procent1,2,3,4,5,6,7,8. TBI kan leiden tot ernstige stoornissen in het ruimtelijke korte-, langetermijn- en werkgeheugen9. Deze geheugenstoornissen zijn waargenomen in knaagdiermodellen van TBI. Knaagdiermodellen hebben de ontwikkeling van technieken mogelijk gemaakt om het geheugen te testen, waardoor dieper onderzoek mogelijk is naar het effect van TBI op geheugenverwerking in neurale geheugensystemen.
Twee tests, respectievelijk gerelateerd aan topologische en metrische ruimtelijke informatieverwerking, helpen bij het meten van ruimtelijk werkgeheugen (SWM). De topologische test is afhankelijk van het veranderen van de grootte van de omgevingsruimte of gerelateerde verbindingsruimten of omheining rond een object, terwijl de metrische test veranderingen in hoeken of afstand tussen objectenbeoordeelt 10,11. Goodrich-Hunsaker et al. pasten eerst de menselijke topologische test voor ratten10 aan en pasten de metrische taak toe om de rollen van de pariëtale cortex (PC) en dorsale hippocampus in ruimtelijke informatieverwerking te dissociëren11. Evenzo evalueerden Gurkoff en collega’s metrische, topologische en temporele ordeningsgeheugentaken na laterale vloeistofpercussieletsel9. Er is een verband tussen schade aan bepaalde delen van de hersenen en aantasting van het metrische of topologische geheugen. Er is gesuggereerd dat metrische geheugenstoornissen gerelateerd zijn aan laesies in bilaterale dorsale dentaat gyrus en cornu ammonis (CA) subregio CA3 van de hippocampus, en dat topologische geheugenstoornissen gerelateerd zijn aan bilaterale pariëtale cortexlaesies10,12.
Het doel van dit protocol is om het ruimtelijk geheugentekort in een rattenpopulatie te beoordelen via een metrische taak. Deze methode is een geschikt alternatief om mechanismen van SWM na hersenletsel te onderzoeken, en de voordelen zijn onder meer het relatieve gemak van implementatie, hoge gevoeligheid, lage kosten van reproduceerbaarheid, de mogelijkheid van dynamische observatie en een omgeving met weinig stress. In vergelijking met andere gedragstaken zoals het Barnes-doolhof13,14,Morris-waternavigatietaak15,16,17of ruimtelijke doolhoftaken18,19,is deze metrische test minder ingewikkeld. Vanwege het gemak van implementatie vereist de metrische test een kortere en minder stressvolle trainingsperiode en vindt plaats over slechts 2 dagen9:1 dag voor gewenning en 1 dag voor de taak. Bovendien is onze voorgestelde test gemakkelijker uit te voeren dan andere lage stresstests, zoals de taak voor nieuwe objectherkenning (NOR), en vereist deze niet de extra dag van gewenning20.
Dit artikel biedt een eenvoudig model voor het evalueren van SWM na hersenletsel. Deze beoordeling van post-TBI SWM kan helpen bij een uitgebreider onderzoek van de pathofysiologie.
Protocol
Representative Results
Discussion
Door zich specifiek te richten op het metrische ruimtelijke informatieproces, biedt deze metrische test een noodzakelijk hulpmiddel om geheugentekort na TBI te begrijpen. Het protocol dat in dit artikel wordt gepresenteerd, is een wijziging van eerder beschreven gedragstaken11. Een eerder beschreven metrische taak gebruikte twee verschillende paradigma’s, elk bestaande uit drie gewenningssessies en één testsessie. Het eerste paradigma bestond uit het dichter bij elkaar brengen van de bekende obj…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wij danken professor Olena Severynovska; Maryna Kuscheriava M.Sc; Maksym Kryvonosov M.Sc; Daryna Yakumenko M.Sc; Evgenia Goncharyk M.Sc; en Olha Shapoval, promovendus bij de afdeling Fysiologie, Faculteit Biologie, Ecologie en Geneeskunde, Oles Honchar Dnipro University, Dnipro, Oekraïne voor hun ondersteunende en nuttige bijdragen. De gegevens zijn verkregen als onderdeel van het proefschrift van Dmitry Frank.
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).
