Ici, il est démontré comment un modèle de traumatisme crânien fermé éveillé peut être utilisé pour examiner les effets des lésions cérébrales traumatiques légères répétées (r-mTBI) sur la plasticité synaptique dans l’hippocampe. Le modèle reproduit des caractéristiques importantes du r-mTBI chez les patients et est utilisé conjointement avec l’électrophysiologie in vitro .
Les traumatismes crâniens légers (TCC) sont un problème de santé répandu en Amérique du Nord. Il y a une pression croissante pour utiliser des modèles écologiquement valides de TCL à tête fermée dans le contexte préclinique afin d’accroître la translatabilité à la population clinique. Le modèle de lésion à tête fermée éveillée (ACHI) utilise un impacteur cortical contrôlé modifié pour administrer une blessure à tête fermée, induisant des déficits comportementaux cliniquement pertinents sans avoir besoin d’une craniotomie ou de l’utilisation d’un anesthésique.
Cette technique n’induit normalement pas de décès, de fractures du crâne ou de saignements cérébraux, et est plus compatible avec une blessure légère. En effet, la nature légère de la procédure ACHI la rend idéale pour les études portant sur les TCL répétitifs (r-mTBI). De plus en plus de preuves indiquent que le r-mTBI peut entraîner une blessure cumulative qui produit des symptômes comportementaux, des changements neuropathologiques et une neurodégénérescence. Le TCLm r est fréquent chez les jeunes qui pratiquent des sports, et ces blessures surviennent pendant une période de réorganisation synaptique robuste et de myélinisation, ce qui rend la population plus jeune particulièrement vulnérable aux influences à long terme du TCL-r.
En outre, le TCLm se produit dans les cas de violence entre partenaires intimes, une condition pour laquelle il existe peu de mesures de dépistage objectives. Dans ces expériences, la fonction synaptique a été évaluée dans l’hippocampe chez des rats juvéniles qui avaient subi un TCL-r à l’aide du modèle ACHI. Après les blessures, une trancheuse tissulaire a été utilisée pour fabriquer des tranches d’hippocampe afin d’évaluer la plasticité synaptique bidirectionnelle dans l’hippocampe 1 ou 7 jours après le r-mTBI. Dans l’ensemble, le modèle ACHI fournit aux chercheurs un modèle écologiquement valide pour étudier les changements dans la plasticité synaptique après un TCL et un TCLr.
Les traumatismes crâniens (LCT) constituent un problème de santé important, avec ~2 millions de cas au Canada et aux États-Unis chaque année 1,2. Les traumatismes crâniens touchent tous les groupes d’âge et tous les sexes et ont un taux d’incidence supérieur à toute autre maladie, notamment le cancer du sein, le sida, la maladie de Parkinson et la sclérose en plaques3. Malgré la prévalence des traumatismes crâniens, leur physiopathologie reste mal comprise et les options de traitement sont limitées. Cela s’explique en partie par le fait que 85 % de tous les traumatismes crâniens sont classés comme légers (TCLm) et que l’on pensait auparavant que les TCL ne produisaient que des changements comportementaux limités et transitoires sans conséquences neuropsychiatriques à long terme 4,5. Il est maintenant reconnu que la récupération des TCL peut prendre des semainesà 5,6 ans, précipiter des affections neurologiques plus graves4, et que même des impacts répétés « sous-commotionnels » affectent le cerveau7. C’est alarmant, car les athlètes dans des sports tels que le hockey / football ont >10 impacts subcommotionnels à la tête par match / séance d’entraînement 7,8,9,10.
Les adolescents ont la plus forte incidence de traumatismes crâniens et, au Canada, environ un adolescent sur 10 consultera un médecin chaque année pour une commotion cérébrale liée au sport11,12. En réalité, tout impact sous-commotionnel à la tête ou TCL peut causer des dommages diffus au cerveau, ce qui pourrait également créer un état plus vulnérable pour des blessures ultérieures et / ou des affections neurologiques plus graves 13,14,15,16,17. Au Canada, il est reconnu légalement par la loi de Rowan que les blessures antérieures peuvent accroître la vulnérabilité du cerveau à d’autres lésions18, mais la compréhension mécaniste du TCLm en r-m demeure terriblement inadéquate. Il est clair, cependant, que le TCLm unique et le TCL-r peuvent avoir un impact sur la capacité d’apprentissage au cours des années scolaires19,20, avoir des résultats spécifiques au sexe 21,22,23,2 4 et nuire à la capacité cognitive plus tard dans la vie 16,25,26. En effet, les analyses de cohorte associent fortement le r-mTBI tôt dans la vie à la démence plus tard27,28. Le TCL-r est également potentiellement associé à l’encéphalopathie traumatique chronique (ETC), caractérisée par l’accumulation de protéine tau hyperphosphorylée et une atrophie corticale progressive et précipitée par une inflammation importante 27,29,30,31. Bien que les liens entre le TCLm et le CTE soient actuellement controversés32, ce modèle permettra de les explorer plus en détail dans un contexte préclinique.
Un TCL est souvent décrit comme une « blessure invisible », car il se produit dans un crâne fermé et est difficile à détecter, même avec des techniques d’imagerie modernes33,34. Un modèle expérimental précis de TBI doit adhérer à deux principes. Tout d’abord, il devrait récapituler les forces biomécaniques normalement observées dans la population clinique35. Deuxièmement, le modèle devrait induire des résultats comportementaux hétérogènes, ce qui est également très répandu dans les populations cliniques36,37,38. Actuellement, la majorité des modèles précliniques ont tendance à être plus sévères, impliquant une craniotomie, un appuie-tête stéréotaxique, une anesthésie et des impacts corticaux contrôlés (ICC) qui produisent des dommages structurels importants et des déficits comportementaux plus importants que ceux normalement observés cliniquement33. Une autre préoccupation avec de nombreux modèles précliniques de commotion cérébrale qui impliquent des craniotomies est que cette procédure elle-même crée une inflammation dans le cerveau, ce qui peut exacerber les symptômes du TCL et la neuropathologie de toute blessure ultérieure39,40. L’anesthésie introduit également plusieurs facteurs de confusion complexes, notamment la réduction de l’inflammation 41,42,43, la modulation de la fonction microgliale 44, la libération de glutamate45, l’entrée de Ca2+ par les récepteurs NMDA 46, la pression intracrânienne et le métabolisme cérébral 47. L’anesthésie introduit en outre des confusions en augmentant la perméabilité de la barrière hémato-encéphalique (BHE), l’hyperphosphorylation tau et les niveaux de corticostéroïdes, tout en réduisant la fonction cognitive 48,49,50,51. De plus, les traumatismes crâniens diffus et fermés représentent la grande majorité des TCL cliniques52. Ils permettent également de mieux étudier la multitude de facteurs qui peuvent influencer les résultats comportementaux, y compris le sexe21, l’âge 53, l’intervalle inter-blessures15, la gravité54 et le nombre de blessures23.
La direction des forces accélératives / décélératives (verticales ou horizontales) est également une considération importante pour les résultats comportementaux et moléculaires. Les recherches de Mychasiuk et de ses collègues ont comparé deux modèles de TCL diffus à tête fermée : la perte de poids (forces verticales) et l’impact latéral (forces horizontales)55. Les analyses comportementales et moléculaires ont révélé des résultats hétérogènes dépendants du modèle et du sexe après un TCL. Ainsi, les modèles animaux qui aident à éviter les interventions chirurgicales, tout en incorporant des forces linéaires et rotationnelles, sont plus représentatifs des conditions physiologiques dans lesquelles ces blessures surviennent normalement33,56. Le modèle ACHI a été créé en réponse à ce besoin, permettant l’induction rapide et reproductible de TCL chez le rat tout en évitant les procédures (c.-à-d. l’anesthésie) connues pour biaiser les différences entre les sexes57.
La plupart des recherches précliniques ont utilisé des modèles de TCL qui ne récapitulent pas les forces biomécaniques observées dans la population clinique. Ici, il est montré comment le modèle ACHI peut être utilisé pour induire des r-mTBI chez les rats juvéniles. Ce modèle fermé de r-mTBI présente des avantages significatifs par rapport aux procédures plus invasives. Premièrement, l’ACHI ne provoque normalement pas de fractures du crâne, de saignements cérébraux ou de décès, qui seraient tous de…
The authors have nothing to disclose.
Nous remercions tous les membres du Laboratoire Christie de l’Université de Victoria, passés et présents, pour leur contribution à l’élaboration de ce protocole. Ce projet a été financé par les Instituts de recherche en santé du Canada (IRSC : FRN 175042) et le CRSNG (RGPIN-06104-2019). Le graphique du crâne de la figure 1 a été créé avec BioRender.
3D-printed helment | Designed and constructed by Christie laboratory (See Specifications in Christie et al. (2019), Current Protocols in Neuroscience) | ||
Agarose | Fisher Scientific (BioReagents) | BP160500 | |
Anesthesia chamber | Home Made | N/A | Plexiglass Container |
Automatic Heater Controller | Warner Electric | TC-324B | |
Axon Digidata | Molecular Devices | 1440A | Low-noise Data Acquisition System |
Balance beam | Can be constructed or purchased (100 cm long x 2 cm wide x 0.75 cm thick) | ||
Calcium Chloride | Bio Basic Canada Inc. | CD0050 | For aCSF |
Camera | Dage MTI | NC-70 | |
Carbogen tank | Praxair | MM OXCD5C-K | Carbon Dioxide 5%, Oxygen 95% |
Clampex Software | Molecular Devices | Clampex 10.5 Version | |
Compresstome Vibrating Microtome | Precisionary | VF 310-0Z | |
Concentric Bipolar Electrode | FHC Inc. | CBAPC75 | |
Dextrose (D-Glucose) | Fisher Scientific (Chemical) | D16-3 | aCSF |
Digital Stimulus Isolation Amplifier | Getting Instruments, Inc. | Model 4D | |
Disodium Phosphate | Fisher Scientific (Chemical) | S373-500 | PBS |
Dissection Tools | |||
Feather Double Edge Blade | Electron Microscopy Sciences | 72002-10 | |
Filter Paper | Whatman 1 | 1001-055 | |
Flaming/Brown Micropipette Puller | Sutter Instrument | P-1000 | |
Hair Claw Clip | Can be obtained from any department store | ||
Home and Recovery Cages | Normal rat cages from animal care unit. | ||
Hum Bug Noise Eliminator | Quest Scientific | 726300 | |
Isoflurane USP | Fresenius Kabi | CP0406V2 | |
Isotemp 215 Digital Water Bath | Fisher Scientific | 15-462-15 | |
Leica Impact One CCI unit | Leica Biosystems | Tip is modified to hold 7mm rubber impact tip | |
Long-Evans rats, male | Charles River Laboratories (St. Constant, PQ) | ||
Low-Density Foam Pad | 3" polyurethane foam sheet | ||
Magnesium Chloride | Fisher Scientific (Chemical) | M33-500 | aCSF |
Male Long Evans Rats | Charles River Laboratories | Animals ordered from Charles River Laboratories, or pups bred at the University of Victoria | |
MultiClamp 700B Amplifier | Molecular Devices | Model 700B | |
pH Test Strips | VWR Chemicals BDH | BDH83931.601 | |
Potassium Chloride | Fisher Scientific (Chemical) | P217-500 | aCSF, PBS |
Potassium Phosphate | Sigma | P9791-500G | PBS |
Push Button Controller | Siskiyou Corporation | MC1000e | Four-axis Closed Loop Controller Push-Button |
Sample Discs | ELITechGroup | SS-033 | For use with Vapor Pressure Osmometer |
Small towel | |||
Sodium Bicarbonate | Fisher Scientific (Chemical) | S233-500 | aCSF |
Sodium Chloride | Fisher Scientific (Chemical) | S271-3 | For aCSF, PBS |
Sodium Phosphate | Fisher Scientific (Chemical) | S369-500 | aCSF |
Soft Plastic Restraint Cones | Braintree Scientific | model DC-200 | |
Stopwatch | Many lab members use their iPhone for this | ||
Table or large cart with raised edges | For NAP and ACHI | ||
Thin Wall Borosilicate Glass (with Filament) | Sutter Instrument | BF150-110-10 | Outside diameter: 1.5 mm; Inside diameter: 1.10 mm; Length: 10 cm |
Upright Microscope | Olympus | Olympus BX5OWI | 5x MPlan 0.10 NA Objective lens |
Vapor Pressure Osmometer | Vapro | Model 5600 | aCSF should be 300-310 mOSM |
Vetbond Tissue Adhesive | 3M | 1469SB | |
Vibraplane Vibration Isolation Table | Kinetic Systems | 9101-01-45 |