Het genereren van acute en chronische experimentele modellen van motorische tic expressie bij ratten
Summary
We presenteren protocollen voor het genereren van acute en chronische experimentele modellen van tic expressie bij vrijdragende ratten. De modellen zijn gebaseerd op striatale canule implantatie en daaropvolgende GABAA antagonist toepassing. Het acute model maakt gebruik van voorbijgaande injecties, terwijl het chronische model langdurige infusies gebruikt via een subcutane geïmplanteerde mini-osmotische pomp.
Abstract
Motorische tics zijn plotselinge, snelle, terugkerende bewegingen die de belangrijkste symptomen zijn van het Tourette-syndroom en andere tic-stoornissen. De pathofysiologie van de tic-generatie wordt geassocieerd met abnormale remming van de basale ganglia, met name de primaire inputstructuur, het striatum. In diermodellen van zowel knaagdieren als niet-menselijke primaten induceert lokale toepassing van GABA A-antagonisten, zoals bicuculline en picrotoxine, in de motorische delen van het striatum lokale desinhibitie, wat resulteert in de expressie van motorische tics.
Hier presenteren we acute en chronische modellen van motorische tics bij ratten. In het acute model, bicuculline micro-injections door een canule geïmplanteerd in het dorsale striatum wekken de expressie van tics die voor korte tijd periodes van maximaal een uur duren. Het chronische model is een alternatief dat de uitbreiding van tic-expressie tot perioden van meerdere dagen of zelfs weken mogelijk maakt, met behulp van continue infusie van bicuculline via een sub-cutane mini-osmotische pomp.
De modellen maken de studie van de gedrags- en neurale mechanismen van tic-generatie mogelijk gedurende de cortico-basale ganglia-route. De modellen ondersteunen de implantatie van extra opname- en stimulatieapparaten naast de injectie canules, waardoor een breed scala aan toepassingen mogelijk is, zoals elektrische en optische stimulatie en elektrofysiologische opnames. Elke methode heeft verschillende voordelen en tekortkomingen: het acute model maakt het mogelijk om de kinematische eigenschappen van beweging en de bijbehorende elektrofysiologische veranderingen voor, tijdens en na tic-expressie en de effecten van kortetermijnmodulatoren op tic-expressie te vergelijken. Dit acute model is eenvoudig vast te stellen; het is echter beperkt tot een korte periode. Het chronische model, hoewel complexer, maakt de studie van tic dynamica en gedragseffecten op tic expressie over langere periodes haalbaar. Het type empirische query stimuleert dus de keuze tussen deze twee complementaire modellen van tic-expressie.
Introduction
Tics zijn het bepalende symptoom van tourettesyndroom (TS) en andere tic-stoornissen. Tics worden beschreven als plotselinge, snelle, terugkerende bewegingen (motorische tics) of vocalisaties (vocale tics)1. Tic-expressie fluctueert meestal in zijn tijd (frequentie)2 en ruimtelijke (intensiteit, lichaamslocatie)3 eigenschappen over meerdere tijdschalen (uren, dagen, maanden en jaren). Deze veranderingen worden beïnvloed door verschillende factoren, zoals omgevingskenmerken4,5, gedragstoestanden6,7en vrijwillige en tijdelijke onderdrukking8.
Hoewel het neuronale mechanisme voor motorische tics nog steeds niet volledig wordt begrepen, hebben een toenemend aantal theoretische en experimentele studies nieuw bewijs geleverd met betrekking tot de aard ervan9. Momenteel wordt aangenomen dat de pathofysiologie van de tic-generatie de cortico-basale ganglia (CBG) lus omvat, en specifiek wordt geassocieerd met abnormale remming van het striatum, de primaire basale ganglia-inputkern10,11,12. Eerdere studies bij knaagdieren en primaten hebben aangetoond dat het striatum kan worden gedesinhibiteerd door lokale toepassing van verschillende GABA A-antagonisten, zoals bicuculline en picrotoxine13,14,15,16,17,18. Deze farmacologische interventie leidt tot voorbijgaande motorische expressie in de contralaterale kant van de injectie, waardoor een robuust acuut model van tic-stoornissen met gezichts- en constructvaliditeit wordt vastgesteld. Het acute model is eenvoudig te induceren en maakt het mogelijk om de effecten van kortetermijnmodulatie te bestuderen, zoals elektrische en optische stimulatie gelijktijdig met elektrofysiologische en kinematische opnames voor, tijdens en na tic-expressie. Het acute model is echter beperkt tot de korte periode na de injectie. Op basis van het acute model hebben we onlangs een chronisch model van tic-generatie bij ratten voorgesteld dat een langdurige infusie met vaste snelheid van bicuculline naar het striatum gebruikt via een subcutaan geïmplanteerde mini-osmotische pomp19. Dit model verlengt de periode van tic-expressie tot meerdere dagen/weken. De constante afgifte van bicuculline over een lange periode maakt het mogelijk om de effecten van een verscheidenheid aan factoren zoals farmacologische behandelingen en gedragstoestanden op tic-expressie te onderzoeken.
Hier presenteren we protocollen voor het genereren van de acute en chronische modellen van tic expressie bij ratten. Als functie van de specifieke onderzoeksvraag maken de protocollen het mogelijk om de parameters te verfijnen, waaronder unilaterale versus bilaterale implantatie, de locatie van de tics (volgens de somatotopic organisatie van het striatum)18 en de hoek van de implantaat-canule (afhankelijk van de locatie van extra geïmplanteerde apparaten). De methode die in het chronische model wordt gebruikt, is gedeeltelijk gebaseerd op commerciële producten, maar met kritische aanpassingen om in het tic-model te passen. In dit artikel worden de aanpassingen beschrijft die nodig zijn om deze tic-modellen op maat te maken.
Protocol
Representative Results
Discussion
In dit manuscript hebben we de protocollen beschreven van de acute en chronische modellen voor tic-inductie bij een vrijdragende rat. Deze protocollen beschrijven de voorbereiding van alle componenten, de operatie en het experimentele proces dat kan worden aangepast aan specifieke onderzoeksbehoeften. Het primaire principe dat aan deze modellen ten grondslag ligt , is de directe lokale toepassing van bicuculline op de motorische gebieden van het striatum , waarvan bekend is dat het een sleutelrol speelt in de pathofysiol…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Deze studie werd gedeeltelijk ondersteund door een Israel Science Foundation (ISF) subsidie (297/18). De auteurs danken M. Bronfeld voor het vaststellen van het acute knaagdiermodel en M. Israelashvili voor haar opmerkingen.
Materials
| Anchor screws | Micro Fasteners | SMPPS0002 | #0 x 1/8 – Pan Head Sheet Metal Screws |
| Bicuculline methiodide | Sigma Aldrich | 14343 | |
| Cyanoacrylate (CA) accelerator | Zap | PT29 | |
| Cyanoacrylate (CA) glue | BSI | IC-2000 | This glue was found to be stronger than others |
| Dental cement | Coltene | H00322 | Hygenic Perm Repair Material Reline Resin Self Cure |
| Glue gel | Loctite | Ultra Gel Control | |
| Hemostat | WPI | 501242 | Any hemostat sized approximately 14 cm would be sufficient |
| Hypo-tube, extra-thin wall 25G | Component supply company | HTX-25X | |
| Hypo-tube, regular wall 22G | Component supply company | HTX-22R | |
| Hypo-tube, regular wall 30G | Component supply company | HTX-30R | |
| Infusion pump machine | New Era Pump Systems | NE-1000 | |
| Mini-osmotic pump | ALZET | 2001 | 1.0µl per hour, 7 days |
| PE compatible adhesive | CEYS | Special difficult plastics (suitable for PE) | |
| PE-10 Catheter Tubing | ALZET | PE-10 | ID = 0.28mm, OD = 0.61mm |
| Precision glass microsyringe, 10µl | Hamilton | 80065 | 1701 RNR 10µl syr (22s/51/3) |
| Tissue adhesive | 3M | 1469Sb | Vetbond |
| Tubing-adapter | CMA | 3409500 | |
| Tygon micro bore tubing, 0.02 inch ID * 0.06 OD | Component supply company | TND80-020 | |
| Wire 0.005-inch | Component supply company | GWX-0050 | |
| Wire 0.013-inch | Component supply company | GWX-0130 |
References
- American Psychiatric Association. DSM-5. American Psychiatric Association. , (2013).
- Peterson, B. S., Leckman, J. F. The temporal dynamics of tics in Gilles de la Tourette syndrome. Biol.Psychiatry. 44, 1337-1348 (1998).
- Ganos, C., et al. The somatotopy of tic inhibition: where and how much. Movement Disorders. , (2015).
- Barnea, M., et al. Subjective versus objective measures of tic severity in Tourette syndrome – The influence of environment. Psychiatry Research. 242, 204-209 (2016).
- Silva, R. R., Munoz, D. M., Barickman, J., Friedhoff, A. J. Environmental Factors and Related Fluctuation of Symptoms in Children and Adolescents with Tourette’s Disorder. Journal of Child Psychology and Psychiatry. 36 (2), 305-312 (1995).
- Rothenberger, A., et al. Sleep and Tourette syndrome. Advances in Neurology. 85, 245-259 (2001).
- Conelea, C. a., Woods, D. W., Brandt, B. C. The impact of a stress induction task on tic frequencies in youth with Tourette Syndrome. Behaviour Research and Therapy. 49 (8), 492-497 (2011).
- Ganos, C., Rothwell, J., Haggard, P. Voluntary inhibitory motor control over involuntary tic movements. Movement Disorders. 33 (6), 937-946 (2018).
- Yael, D., Vinner, E., Bar-Gad, I. Pathophysiology of tic disorders. Movement Disorders. 30 (9), 1171-1178 (2015).
- Kurvits, L., Martino, D., Ganos, C., Eddy, C. M. Clinical Features That Evoke the Concept of Disinhibition in Tourette Syndrome. Frontiers in Psychiatry. 11, 1-10 (2020).
- Mink, J. W. Basal ganglia dysfunction in Tourette’s syndrome: a new hypothesis. Pediatric Neurology. 25, 190-198 (2001).
- Bronfeld, M., Bar-Gad, I. Tic disorders: what happens in the basal ganglia. The Neuroscientist. 19 (1), 101-108 (2013).
- Tarsy, D., Pycock, C. J., Meldrum, B. S., Marsden, C. D. Focal contralateral myoclonus produced by inhibition of GABA action in the caudate nucleus of rats. Brain. 101 (1), 143-162 (1978).
- Crossman, A. R., Mitchell, I. J., Sambrook, M. A., Jackson, A. Chorea and Myoclonus in the Monkey Induced By Gamma-Aminobutyric Acid Antagonism in the Lentiform Complex. Brain. 111 (5), 1211-1233 (1988).
- McCairn, K. W., Bronfeld, M., Belelovsky, K., Bar-Gad, I. The neurophysiological correlates of motor tics following focal striatal disinhibition. Brain. 132 (8), 2125-2138 (2009).
- Worbe, Y., et al. Behavioral and movement disorders induced by local inhibitory dysfunction in primate striatum. Cerebral Cortex. 19 (8), 1844-1856 (2009).
- Pogorelov, V., Xu, M., Smith, H. R., Buchanan, G. F., Pittenger, C. Corticostriatal interactions in the generation of tic-like behaviors after local striatal disinhibition. Experimental Neurology. 265, 122-128 (2015).
- Bronfeld, M., Yael, D., Belelovsky, K., Bar-Gad, I. Motor tics evoked by striatal disinhibition in the rat. Frontiers in Systems Neuroscience. 7, 50 (2013).
- Vinner, E., Israelashvili, M., Bar-Gad, I. Prolonged striatal disinhibition as a chronic animal model of tic disorders. Journal of Neuroscience Methods. 292, 20-29 (2017).
- Paxinos, G., Watson, C. . The Rat Brain in Stereotaxic Coordinates. 6, (2007).
- Flecknell, P. Analgesia and Post-Operative Care. Laboratory Animal Anaesthesia. , (2016).
- Israelashvili, M., Bar-Gad, I. Corticostriatal divergent function in determining the temporal and spatial properties of motor tics. Journal of Neuroscience. 35 (50), 16340-16351 (2015).
- Bronfeld, M., Belelovsky, K., Bar-Gad, I. Spatial and temporal properties of tic-related neuronal activity in the cortico-basal ganglia loop. Journal of Neuroscience. 31 (24), 8713-8721 (2011).
- McCairn, K. W., et al. A Primary Role for Nucleus Accumbens and Related Limbic Network in Vocal Tics. Neuron. 89 (2), 300-307 (2016).
- Rizzo, F., et al. Aripiprazole Selectively Reduces Motor Tics in a Young Animal Model for Tourette’s Syndrome and Comorbid Attention Deficit and Hyperactivity Disorder. Frontiers in Neurology. 9, 1-11 (2018).
- Vinner, E., Matzner, A., Belelovsky, K., Bar-gad, I. Dissociation of tic expression from its neuronal encoding in the striatum during sleep. bioRxiv. , (2020).
- Webster, K. E. Cortico-striate interrelations in the albino rat. Journal of Anatomy. 95, 532-544 (1961).
- Ebrahimi, A., Pochet, R., Roger, M. Topographical organization of the projections from physiologically identified areas of the motor cortex to the striatum in the rat. Neuroscience Research. 14, 39-60 (1992).
- Brown, L. L., Sharp, F. R. Metabolic mapping of rat striatum: somatotopic organization of sensorimotor activity. Brain Research. 686, 207-222 (1995).
- Brown, L. L., Smith, D. M., Goldbloom, L. M. Organizing principles of cortical integration in the rat neostriatum: Corticostriate map of the body surface is an ordered lattice of curved laminae and radial points. Journal of Comparative Neurology. 392 (4), 468-488 (1998).
- Yael, D., Tahary, O., Gurovich, B., Belelovsky, K., Bar-Gad, I. Disinhibition of the nucleus accumbens leads to macro-scale hyperactivity consisting of micro-scale behavioral segments encoded by striatal activity. The Journal of Neuroscience. , 3120 (2019).
- Obeso, J. A., Rothwell, J. C., Marsden, C. D. The spectrum of cortical myoclonus. From focal reflex jerks to spontaneous motor epilepsy. Brain. 108, 124-193 (1985).
- Bronfeld, M., et al. Bicuculline-induced chorea manifests in focal rather than globalized abnormalities in the activation of the external and internal globus pallidus. Journal of Neurophysiology. 104 (6), 3261-3275 (2010).
