Modulaciones Ambientales del Número de dopamina mesencéfalo neuronas en ratones adultos
Summary
This protocol describes two different environmental manipulations and a concurrent brain infusion protocol to study environmentally-induced brain changes underlying adaptive behavior and brain repair in adult mice.
Abstract
Cambios duraderos en el cerebro o la "plasticidad cerebral" subyacen a la conducta adaptativa y la reparación cerebral después de una enfermedad o lesión. Por otra parte, las interacciones con el medio ambiente pueden inducir plasticidad cerebral. Cada vez más, la investigación está tratando de identificar qué entornos estimular la plasticidad del cerebro beneficioso para el tratamiento de trastornos del cerebro y del comportamiento. Dos manipulaciones ambientales que se describen aumentar o disminuir el número de immunopositive tirosina hidroxilasa (TH +, la enzima limitante de la velocidad en la dopamina (DA) de síntesis) neuronas en el cerebro medio del ratón adulto. El primero comprende macho emparejamiento y ratones hembra juntos de forma continua durante 1 semana, lo que aumenta TH + neuronas del cerebro medio en aproximadamente 12% en los hombres, pero disminuye TH + neuronas del cerebro medio en aproximadamente un 12% en las mujeres. El segundo comprende los ratones de vivienda de forma continua durante 2 semanas en 'ambientes enriquecidos "(EE) que contienen ruedas corriendo, juguetes, cuerdas, material de nidificación, etc., que increases TH + neuronas del cerebro medio en aproximadamente un 14% en los hombres. Además, un protocolo se describe para infundir simultáneamente fármacos directamente en el cerebro medio durante estas manipulaciones ambientales para ayudar a identificar los mecanismos subyacentes plasticidad cerebral inducida por el medio ambiente. Por ejemplo, EE-inducción de más TH + neuronas del cerebro medio es abolida por el bloqueo simultáneo de entrada sináptica en las neuronas del cerebro medio. En conjunto, estos datos indican que la información sobre el medio ambiente se transmite a través de la entrada sináptica de las neuronas del cerebro medio para activar o desactivar la expresión de los genes 'da'. Por lo tanto, la estimulación ambiental apropiada, o fármaco que se dirige de los mecanismos subyacentes, podría ser útil para el tratamiento de trastornos cerebrales y conductuales asociados con desequilibrios en el cerebro medio DA (por ejemplo, la enfermedad de Parkinson, el déficit de atención e hiperactividad, esquizofrenia y drogadicción).
Introduction
DArgic de señalización por las neuronas en el área ventral tegmental (VTA) y substantia nigra pars compacta (SNc) del mesencéfalo se piensa que es importante para los comportamientos cognitivos, emotivos y de motor de recompensa-motivados. Sin embargo, la señalización DA mesencéfalo demasiado o demasiado poco causa muchos síntomas incapacitantes en una variedad de trastornos neurológicos (por ejemplo, enfermedad de Parkinson, déficit de atención e hiperactividad, esquizofrenia y drogadicción). Las drogas que aumentan o disminuyen DA señalización aliviar estos síntomas, sin embargo, también producen efectos secundarios atribuibles a la señalización desregulada y fuera de objetivo efectos. La eficacia del fármaco también disminuye con el tiempo debido a las respuestas compensatorias del cerebro. Por tanto, el reto es restaurar la señalización de DA del cerebro medio normal de manera más específica y fisiológica, y un enfoque preferido es aumentando o disminuyendo el número de neuronas DA del cerebro medio.
La evidencia ha ido acumulando para sevdécadas va- que la expresión de genes y proteínas implicados en el metabolismo y DA trata y otras catecolaminas en células adultas madura es modificable (revisado en 1). En el mesencéfalo, el número de immunopositive tirosina hidroxilasa (TH +, la enzima limitante de la velocidad en la síntesis de las neuronas DA) disminuye luego aumenta después de la administración de neurotoxina 2,3, mientras que el número de TH immunonegative (TH) neuronas muestra el patrón opuesto (es decir, aumenta luego disminuye 3). Esto es consistente con la pérdida de entonces ganancia de la 'DA fenotipo' por algunas células. El número de neuronas TH + y TH SNc También se ha demostrado que cambiar en direcciones iguales pero opuestas después de diversos tratamientos que alteran la actividad eléctrica de estas células a 4,5. Por ejemplo, la infusión de la pequeña conductancia, potasio activado por calcio (SK) canal apamina antagonista en cerebro medio durante 2 semanas disminuye el número de TH + y aumenta (en la misma cantidad) la numbre de TH SNc neuronas 4,5. En contraste, la infusión de la SK agonista de canal de 1 EBIO aumenta el número de TH + y disminuye (en la misma cantidad) el número de neuronas TH SNc 4,5. Se observaron cambios similares después de una gran variedad de tratamientos dirigidos actividad neuronal SNc, incluyendo algunos que dirige impulsos aferentes 4. Esta aparente regulación del número de neuronas SNc DArgic por la actividad neuronal aferente de entrada y plantea la posibilidad de que el medio ambiente o el comportamiento pueden influir en el número de neuronas del SNC. De hecho ratones adultos expuestos a diferentes ambientes tienen más o menos cerebro medio (SNc y VTA) TH + neuronas, y al menos algunos de estos cambios inducidos por el medio ambiente se abolido por el bloqueo simultáneo de entrada sináptica en el cerebro medio 6. Los objetivos de esta comunicación son: (1) proporcionar más detalles sobre la forma de aplicar nuestras manipulaciones ambientales e infusiones de drogas; y (2) proporcionar más datos que apoyan nuestra afirmación de que el embiente regula el número de neuronas DA del cerebro medio, a través de los impulsos aferentes.
Protocol
Representative Results
Discussion
Manipulaciones ambientales
La motivación detrás del diseño de estas manipulaciones ambientales (emparejamiento de género y de enriquecimiento ambiental) fue determinar si el medio ambiente y / o la conducta motivada por el medio ambiente, se asocia con cambios en el número de neuronas DA mesencéfalo. La atención se centró por tanto en proporcionar entornos y estimular comportamientos que son propensos a participar señalización DA mesencéfalo. Estos maridaje incluido con e…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This study was supported by the National Health and Medical Research Council of Australia (NHMRC) Project grant 1022839. AJH is an Australian Research Council (ARC) FT3 Future Fellow (FT100100835). The Florey Institute of Neuroscience and Mental Health acknowledges support from the Victorian Government’s Operational Infrastructure Support Grant.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| Isofluorane | Baxter Healthcare Pty Ltd, Baxter Drive, NSW 2146, Australia | AHN3640 | |
| ALZET Osmotic pump 1002 | DURECT Corporation, PO Box 530 Cupertino, CA 95015-0530 | 0004317 | |
| ALZET Brain infusion kit 1 | DURECT Corporation, PO Box 530 Cupertino, CA 95015-0530 | 0004760 | |
| ALZET cannula holder 1 | DURECT Corporation, PO Box 530 Cupertino, CA 95015-0530 | 0008860 | |
| Vertex Monomer Self-curing (dental acrylic solvent) | Vertex Dental, Postbus 10, 3700 AA ZEIST, The Netherlands | n/a | |
| Vertex Self Curing (dental acrylic powder) | Vertex Dental, Postbus 10, 3700 AA ZEIST, The Netherlands | n/a | |
| METACAM (Meloxicam) | Troy Laboratories, 98 long Street, smithfield NSW 2164 Australia | L10100 | |
| Sodium Pentobarbitone | Lethabarb, Virbac, Milperra, NSW, Australia | 571177 | |
| Normal goat serum | chemicon-temecula, CA | S26-Litre | |
| Triton X-100 | Merck Millipore Headquarters , 290 Concord road, Billerica, MA 01821 | 1.08603.1000 | |
| Polyclonal rabbit anti-tyrosine hydroxylase | Merck Millipore Headquarters , 290 Concord road, Billerica, MA 01821 | AB152 | |
| Polyclonal biotinylated goat anti-rabbit | Dako Australia Pty. Ltd., Suite 4, Level 4, 56 Berry street, North Sydney, NSW, Australia 2060 | EO432 | |
| Avidin peroxidase | Sigma-aldrich, Castle Hill, NSW 1765 AU | A3151-1mg | |
| Diamino-benzidine | Sigma-aldrich, Castle Hill, NSW 1765 AU | D-5637 | |
| Stereo Investigator | MicroBrightField Bioscience, 185 Allen Brook Lane, Suite 101, Williston, VT 05495 | n/a |
Referencias
- Aumann, T., Horne, M. Activity-dependent regulation of the dopamine phenotype in substantia nigra neurons. Journal of neurochemistry. 121, 497-515 (2012).
- Sauer, H., Oertel, W. H. Progressive degeneration of nigrostriatal dopamine neurons following intrastriatal terminal lesions with 6-hydroxydopamine: a combined retrograde tracing and immunocytochemical study in the rat. Neurociencias. 59, 401-415 (1994).
- Stanic, D., Finkelstein, D. I., Bourke, D. W., Drago, J., Horne, M. K. Timecourse of striatal re-innervation following lesions of dopaminergic SNpc neurons of the rat. The European journal of neuroscience. 18, 1175-1188 (2003).
- Aumann, T. D., et al. Neuronal activity regulates expression of tyrosine hydroxylase in adult mouse substantia nigra pars compacta neurons. Journal of neurochemistry. 116, 646-658 (2011).
- Aumann, T. D., et al. SK channel function regulates the dopamine phenotype of neurons in the substantia nigra pars compacta. Experimental neurology. 213, 419-430 (2008).
- Aumann, T. D., Tomas, D., Horne, M. K. Environmental and behavioral modulation of the number of substantia nigra dopamine neurons in adult mice. Brain and behavior. 3, 617-625 (2013).
- Paxinos, G., Franklin, K. B. J. . The mouse brain in stereotaxic coordinates. , (2001).
- Schultz, W. Behavioral dopamine signals. Trends in neurosciences. 30, 203-210 (2007).
- Sun, P., Smith, A. S., Lei, K., Liu, Y., Wang, Z. Breaking bonds in male prairie vole: long-term effects on emotional and social behavior, physiology, and neurochemistry. Behavioural brain research. 265, 22-31 (2014).
- Aponso, P. M., Faull, R. L., Connor, B. Increased progenitor cell proliferation and astrogenesis in the partial progressive 6-hydroxydopamine model of Parkinson’s disease. Neurociencias. 151, 1142-1153 (2008).
- Frielingsdorf, H., Schwarz, K., Brundin, P., Mohapel, P. No evidence for new dopaminergic neurons in the adult mammalian substantia nigra. Proc Natl Acad Sci U S A. 101, 10177-10182 (2004).
- Lie, D. C., et al. The adult substantia nigra contains progenitor cells with neurogenic potential. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 22, 6639-6649 (2002).
- Chen, Y., Ai, Y., Slevin, J. R., Maley, B. E., Gash, D. M. Progenitor proliferation in the adult hippocampus and substantia nigra induced by glial cell line-derived neurotrophic factor. Experimental neurology. 196, 87-95 (2005).
- Yoshimi, K., et al. Possibility for neurogenesis in substantia nigra of parkinsonian brain. Ann Neurol. 58, 31-40 (2005).
- Shan, X., et al. Enhanced de novo neurogenesis and dopaminergic neurogenesis in the substantia nigra of 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine-induced Parkinson’s disease-like mice. Stem Cells. 24, 1280-1287 (2006).
- Zhao, M., et al. Evidence for neurogenesis in the adult mammalian substantia nigra. Proc Natl Acad Sci U S A. 100, 7925-7930 (2003).
- Baker, H., Kawano, T., Margolis, F. L., Joh, T. H. Transneuronal regulation of tyrosine hydroxylase expression in olfactory bulb of mouse and rat. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 3, 69-78 (1983).
- Black, I. B., Chikaraishi, D. M., Lewis, E. J. Trans-synaptic increase in RNA coding for tyrosine hydroxylase in a rat sympathetic ganglion. Brain research. 339, 151-153 (1985).
- Zigmond, R. E., Chalazonitis, A., Joh, T. Preganglionic nerve stimulation increases the amount of tyrosine hydroxylase in the rat superior cervical ganglion. Neuroscience letters. 20, 61-65 (1980).
- Biguet, N. F., Rittenhouse, A. R., Mallet, J., Zigmond, R. E. Preganglionic nerve stimulation increases mRNA levels for tyrosine hydroxylase in the rat superior cervical ganglion. Neuroscience letters. 104, 189-194 (1989).
- Richard, F., et al. Modulation of tyrosine hydroxylase gene expression in rat brain and adrenals by exposure to cold. Journal of neuroscience research. 20, 32-37 (1988).
- Schalling, M., Stieg, P. E., Lindquist, C., Goldstein, M., Hokfelt, T. Rapid increase in enzyme and peptide mRNA in sympathetic ganglia after electrical stimulation in humans. Proc Natl Acad Sci U S A. 86, 4302-4305 (1989).
- Liaw, J. J., He, J. R., Barraclough, C. A. Temporal changes in tyrosine hydroxylase mRNA levels in A1, A2 and locus ceruleus neurons following electrical stimulation of A1 noradrenergic neurons. Brain research. Molecular brain research. 13, 171-174 (1992).
- Watabe-Uchida, M., Zhu, L., Ogawa, S. K., Vamanrao, A., Uchida, N. Whole-brain mapping of direct inputs to midbrain dopamine neurons. Neuron. 74, 858-873 (2012).
- Tepper, J. M., Lee, C. R. GABAergic control of substantia nigra dopaminergic neurons. Progress in brain research. 160, 189-208 (2007).
- Hannan, A. J. Environmental enrichment and brain repair: harnessing the therapeutic effects of cognitive stimulation and physical activity to enhance experience-dependent plasticity. Neuropathology and applied neurobiology. 40, 13-25 (2014).
- Nithianantharajah, J., Hannan, A. J. Enriched environments, experience-dependent plasticity and disorders of the nervous system. Nature reviews. Neuroscience. 7, 697-709 (2006).
- Chmiel, D. J., Noonan, M. Preference of laboratory rats for potentially enriching stimulus objects. Laboratory animals. 30, 97-101 (1996).
- Hanmer, L. A., Riddell, P. M., Williams, C. M. Using a runway paradigm to assess the relative strength of rats’ motivations for enrichment objects. Behavior research methods. 42, 517-524 (2010).
- Burrows, E. L., McOmish, C. E., Hannan, A. J. Gene-environment interactions and construct validity in preclinical models of psychiatric disorders. Progress in neuro-psychopharmacology & biological psychiatry. 35, 1376-1382 (2011).
- Van de Weerd, H. A., Van Loo, P. L. P., Van Zutphen, L. F. M., Koolhaas, J. M., Baumans, V. Strength of preference for nesting material as environmental enrichment for laboratory mice. Applied Animal Behaviour Science. 55, 369-382 (1998).
- Rampon, C., et al. Effects of environmental enrichment on gene expression in the brain. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 97, 12880-12884 (2000).
- Eckert, M. J., Abraham, W. C. Effects of environmental enrichment exposure on synaptic transmission and plasticity in the hippocampus. Current topics in behavioral neurosciences. 15, 165-187 (2013).
- Sztainberg, Y., Chen, A. An environmental enrichment model for mice. Nature protocols. 5, 1535-1539 (2010).
- Sale, A., Berardi, N., Maffei, L. Environment and brain plasticity: towards an endogenous pharmacotherapy. Physiological reviews. 94, 189-234 (2014).
