Um teste métrico para avaliar a memória espacial de trabalho em ratos adultos após lesão cerebral traumática
Summary
Lesão cerebral traumática (TCE) é comumente associada com prejuízo de memória. Aqui, apresentamos um protocolo para avaliar a memória de trabalho espacial após o TBI através de uma tarefa métrica. Um teste métrico é uma ferramenta útil para estudar o prejuízo de memória de trabalho espacial após o TBI.
Abstract
Prejuízos à memória sensorial, de curto e longo prazo são efeitos colaterais comuns após lesão cerebral traumática (TCE). Devido às limitações éticas dos estudos humanos, os modelos animais fornecem alternativas adequadas para testar métodos de tratamento e estudar os mecanismos e complicações relacionadas da condição. Modelos experimentais de roedores têm sido historicamente os mais utilizados devido à sua acessibilidade, baixo custo, reprodutibilidade e abordagens validadas. Um teste métrico, que testa a capacidade de recordar a colocação de dois objetos a várias distâncias e ângulos um do outro, é uma técnica para estudar o comprometimento na memória de trabalho espacial (SWM) após o TBI. As vantagens significativas das tarefas métricas incluem a possibilidade de observação dinâmica, baixo custo, reprodutibilidade, relativa facilidade de implementação e ambiente de baixo estresse. Aqui, apresentamos um protocolo de teste métrico para medir o comprometimento do SWM em ratos adultos após a TBI. Este teste fornece uma maneira viável de avaliar a fisiologia e a fisiopatologia da função cerebral de forma mais eficaz.
Introduction
A prevalência de déficits neurológicos como atenção, função executiva e certos déficits de memória após lesão cerebral traumática moderada (TCE) é superior a 50%1,2,3,4,5,6,7,8. O TCE pode levar a graves prejuízos na memória espacial de curto prazo, de longo prazo e de trabalho9. Estes prejuízos de memória têm sido observados em modelos de roedores de TCE. Os modelos de roedores permitiram o desenvolvimento de técnicas para testar a memória, permitindo exames mais profundos sobre o efeito do TBI no processamento da memória em sistemas de memória neural.
Dois testes, relacionados ao processamento de informações espaciais topológicas e métricas, respectivamente, auxiliam na medição da memória de trabalho espacial (SWM). O teste topológico depende da alteração do tamanho do espaço ambiental ou dos espaços relacionados de conexão ou gabinete ao redor de um objeto, enquanto o teste métrico avalia alterações nos ângulos ou distância entre os objetos10,11. Goodrich-Hunsaker et al. adaptaram pela primeira vez o teste topológico humano para ratos10 e aplicaram a tarefa métrica para dissociar os papéis do córtex parietal (PC) e do hipocampo dorsal no processamento de informações espaciais11. Da mesma forma, Gurkoff e colegas avaliaram tarefas de memória métrica, topológica e temporal após lesão de percussão de fluido lateral9. Há uma correlação entre danos a determinadas regiões do cérebro e comprometimento da memória métrica ou topológica. Tem sido sugerido que o prejuízo de memória métrica está relacionado a lesões em giros dentados dorsais bilaterais e amonose de cornu (CA) sub-região CA3 do hipocampo, e que o prejuízo de memória topológica está relacionado às lesões parietal corxais bilaterais10,12.
O objetivo deste protocolo é avaliar o déficit de memória espacial em uma população de ratos através de uma tarefa métrica. Este método é uma alternativa adequada para investigar mecanismos de SWM após lesão cerebral, e suas vantagens incluem a relativa facilidade de implementação, alta sensibilidade, baixo custo de reprodutibilidade, possibilidade de observação dinâmica e um ambiente de baixo estresse. Comparado com outras tarefas comportamentais como o labirinto Barnes13,14, Morris tarefa de navegação aquática15,16,17, ou tarefas de labirinto espacial18,19, este teste métrico é menos complicado. Devido à sua facilidade de implementação, o teste métrico requer um período de treinamento mais curto e menos estressante e ocorre durante apenas 2 dias9: 1 dia para habituação e 1 dia para a tarefa. Além disso, nosso teste proposto é mais fácil de realizar do que outros testes de baixo estresse, como a tarefa de reconhecimento de objetos novos (NOR), e não requer o dia extra de habitação20.
Este artigo fornece um modelo simples para avaliar SWM após lesão cerebral. Essa avaliação do PÓS-TBI SWM pode auxiliar em uma investigação mais abrangente de sua fisiopatologia.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ao direcionar especificamente o processo de informações espaciais métricas, este teste métrico fornece uma ferramenta necessária para entender a deficiência de memória após o TBI. O protocolo apresentado neste artigo é uma modificação das tarefas comportamentais descritas anteriormente11. Uma tarefa métrica descrita anteriormente utilizou dois paradigmas diferentes, cada um consistindo de três sessões de habituação e uma sessão de teste. O primeiro paradigma consistia em aproximar…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos à Professora Olena Severynovska; Maryna Kuscheriava M.Sc; Maksym Kryvonosov M.Sc; Daryna Yakumenko M.Sc; Evgenia Goncharyk M.Sc; e Olha Shapoval, doutorando no Departamento de Fisiologia, Faculdade de Biologia, Ecologia e Medicina, Universidade Oles Honchar Dnipro, Dnipro, Ucrânia por suas contribuições solidárias e úteis. Os dados foram obtidos como parte da dissertação de doutorado de 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).
