Beoordeling van de autonome en gedragseffecten van passieve beweging bij ratten met behulp van Elevator Vertical Motion en Ferris-Wheel Rotation
Summary
Protocollen worden gepresenteerd om de autonome en gedragseffecten van passieve beweging bij knaagdieren te beoordelen met behulp van lift verticale beweging en reuzenrad rotatie.
Abstract
Het algemene doel van deze studie is het beoordelen van de autonome en gedragseffecten van passieve beweging bij knaagdieren met behulp van de lift verticale beweging en reuzenrad rotatie-apparaten. Deze tests kunnen helpen bevestigen de integriteit en de normale werking van het autonome zenuwstelsel. Ze zijn gekoppeld aan kwantitatieve maatregelen op basis van ontlasting tellen, open-veld onderzoek, en balans balk kruising. De voordelen van deze testen zijn hun eenvoud, reproduceerbaarheid en kwantitatieve gedragsmaatregelen. De beperkingen van deze tests zijn dat de autonome reacties epifenomenen van niet-vestibulaire aandoeningen kunnen zijn en dat een functionerend vestibulair systeem vereist is. Onderzoek van aandoeningen zoals reisziekte zal sterk worden geholpen door de gedetailleerde procedures van deze tests.
Introduction
Reisziekte (MS) als gevolg van abnormale visuo-vestibulaire stimulatie leidt tot autonome reactie, het uitlokken van symptomen zoals epigastrische ongemak, misselijkheid en/of braken1. Volgens de huidige theorieën kan reisziekte worden veroorzaakt door een zintuiglijk conflict of neuronale mismatch van het ontvangen van geïntegreerde bewegingsinformatie die verschilt van het verwachte interne model van de omgeving2,3 of posturale instabiliteit zoals zou optreden op een gierend schip4,5. Ondanks aanzienlijke vooruitgang op het gebied van reisziekte en vestibulaire autonome werking6,7,8,9,10,11,12, kan toekomstig onderzoek worden ondersteund door gestandaardiseerde evaluatieprotocollen. De beoordeling van de autonome effecten van standaard passieve bewegingen zal de onderzoeken naar de oorzaken en de preventie van reisziekte ten goede komen. Het algemene doel van deze studie is het beoordelen van de autonome en gedragseffecten van passieve beweging bij knaagdieren. Diermodellen, zoals knaagdieren, maken eenvoudige experimentele manipulatie (bijvoorbeeld passieve beweging en farmaceutische) en gedragsevaluatie mogelijk, die kunnen worden gebruikt om de etiologie van reisziekte te bestuderen. Hier presenteren we een gedetailleerde batterij voor het testen van de effecten van passieve beweging en de integriteit van vestibulaire werking.
De huidige studie beschrijft twee testen, lift verticale beweging (EVM) en Reuzenrad rotatie (FWR), die autonome reacties op de passieve beweging induceren. De tests zijn gekoppeld aan drie kwantitatieve gedragsmaatregelen, de balansbalk (op muizen13 en ratten14,15,16,17), open-veld onderzoek, en ontlasting tellen. De EVM (vergelijkbaar met de toonhoogte en rol van een schip dat een golf tegenkomt) beoordeelt de vestibulaire werking door het stimuleren van de otolietsensorische organen die lineaire versnellingen coderen (d.w.z. de saccule die reageert op bewegingen in het verticale vlak)18. Het FWR (centrifugale rotatie of sinusoïdale beweging) apparaat stimuleert de otolietorganen door lineaire versnelling en de halfronde kanalen door hoekversnelling19,20. Het reuzenrad/centrifugaalrotatieapparaat is uniek in zijn autonome beoordeling. Tot op heden is het enige soortgelijke apparaat in de literatuur de off-vertical axis rotation (OVAR) draaitafel, die wordt gebruikt om de vestibulo-oculaire reflex (VOR)18,21,22, geconditioneerde vermijding23,24, en de effecten van hyperzwaartekracht25,26,27te onderzoeken . De EVM-test en de FWR-apparaattest veroorzaken vestibulaire stimulatie die leidt tot autonome reacties. We koppelen de EVM en FWR aan kwantitatieve metingen zoals balansbundel, ontlasting tellen, en open-field analyse28,29,30, om robuuste en reproduceerbare resultaten te garanderen. Vergelijkbaar met die eerder beschreven in muizen13 en ratten14,15,16,17, de balans balk test is een 1,0 m lange balk opgehangen 0,75 m van de grond tussen twee houten ontlasting met behulp van een eenvoudige black-box modificatie aan het eind van het doel (finish). De balansbalk is gebruikt om angst (obscure zwarte doos) te beoordelen14,17, traumatisch letsel15,16,17, en hier, autonome reacties die het evenwicht beïnvloeden. We hebben eerder ontlastinggeteld voor de beoordeling van de autonome respons in het reisziektemodel, en het is een betrouwbare kwantitatieve meting die gemakkelijk kan worden uitgevoerd en ondubbelzinnig wordt beoordeeld6,8,9,11. De open-field analyse maakt gebruik van een eenvoudige black box open-field gedragsbeoordeling met behulp van Ethovision28, Bonsai30, of een eenvoudige video-analyse in Matlab29 om gedrag te kwantificeren, zoals beweging. In het huidige protocol gebruiken we de totale afgelegde afstand, maar we merken dat er verschillende paradigma’s bestaan (bijvoorbeeld verlenging, bewegingszone, snelheid, enz.) 28,29,30. Gezamenlijk vormen deze procedures een korte batterij van beoordelingen voor het onderzoek en de evaluatie van autonome reacties op passieve beweging, bijvoorbeeld bij reisziekte6,7,8,9,10,11. De huidige testen kunnen worden aangepast aan een verscheidenheid van dierlijke modellen.
Protocol
Representative Results
Discussion
De huidige studie beschrijft het beoordelen van autonome reacties op passieve beweging bij knaagdieren met behulp van lift verticale beweging en reuzenrad rotatie. Deze apparatuur en procedures kunnen gemakkelijk worden aangenomen om andere knaagdieren en verschillende wijzigingen van de testen bestaan om vestibulaire functioneren te bevestigen in verschillende omstandigheden, zoals tijdens in farmacologische uitdaging of chirurgische ingrepen. Onderzoek naar MS ontlokt door vestibulaire stimulatie heeft geleid tot de th…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gedeeltelijk ondersteund door de Hong Kong Research Grants Council, Early Career Scheme, Project #21201217 naar C.L. Het FWR-apparaat heeft een patent in China: ZL201120231912.1.
Materials
| Elevator vertical motion device | Custom | Custom-made Elevator vertical motion device to desired specifications | |
| Ethovision | Noldus Information Technology | Video tracking software | |
| Ferris-wheel rotation device | Custom | Custom-made Ferris-wheel rotation device to desired specifications | |
| Latex, polyvinyl or nitrile gloves | AMMEX | Use unpowdered gloves 8-mil | |
| Open field box | Custom | Darkened plexiglass box with IR camera | |
| Rat or mouse | JAX labs | Any small rodent | |
| Small rodent cage | Tecniplast | 1284L | |
| Wooden beam and stools | Custom | Custom-made wooden beam and stools to specifications indicated |
Referencias
- Balaban, C. D. Vestibular autonomic regulation (including motion sickness and the mechanism of vomiting). Current Opinion in Neurology. 12, 29-33 (1999).
- Reason, J. T. Motion sickness adaptation: a neural mismatch model. Journal of the Royal Society of Medicine. 71, 819-829 (1978).
- Keshavarz, B., Hettinger, L. J., Kennedy, R. S., Campos, J. L. Demonstrating the potential for dynamic auditory stimulation to contribute to motion sickness. PLOS One. 9, 101016 (2014).
- Stoffregen, T. A., Chen, F. C., Varlet, M., Alcantara, C., Bardy, B. G. Getting your sea legs. PLoS One. 8, 66949 (2013).
- Smart, L. J., Pagulayan, R. J., Stoffregen, T. A. Self-induced motion sickness in unperturbed stance. Brain Research Bulletin. 47, 449-457 (1998).
- Wang, J. Q., et al. Temporal change in NMDA receptor signaling and GABAA receptor expression in rat caudal vestibular nucleus during motion sickness habituation. Brain Research. 1461, 30-40 (2012).
- Cai, Y. L., et al. Glutamatergic vestibular neurons express FOS after vestibular stimulation and project to the NTS and the PBN in rats. Neuroscience Letters. 417, 132-137 (2007).
- Cai, Y. L., et al. Decreased Fos protein expression in rat caudal vestibular nucleus is associated with motion sickness habituation. Neuroscience Letters. 480, 87-91 (2010).
- Wang, J. Q., Qi, R. R., Zhou, W., Tang, Y. F., Pan, L. L., Cai, Y. Differential Gene Expression profile in the rat caudal vestibular nucleus is associated with individual differences in motion sickness susceptibility. PLoS One. 10, 0124203 (2015).
- Zhou, W., et al. Sex and age differences in motion sickness in rats: The correlation with blood hormone responses and neuronal activation in the vestibular and autonomic nuclei. Frontiers in Aging Neuroscience. 9, 29 (2017).
- Wang, J., Liu, J., Pan, L., Qi, R., Liu, P., Zhou, W., Cai, Y. Storage of passive motion pattern in hippocampal CA1 region depends on CaMKII/CREB signaling pathway in a motion sickness rodent model. Scientific Reports. 7, 43385 (2017).
- Qi, R., et al. Anti-cholinergics mecamylamine and scopolamine alleviate motion sickness-induced gastrointestinal symptoms through both peripheral and central actions. Neuropharmacology. 146, 252-263 (2019).
- Luong, T. N., Carlisle, H. J., Southwell, A., Patterson, P. H. Assessment of motor balance and coordination in mice using the balance beam. Journal of Visualized Experiments. (49), e2376 (2011).
- Kalueff, A. V., Minasyan, A., Tuohimaa, P. Behavioural characterization in rats using the elevated alley Suok test. Behavioural Brain Research. 30 (1), 52-57 (2005).
- Piot-Grosjean, O., Wahl, F., Gobbo, O., Stutzmann, J. M. Assessment of sensorimotor and cognitive deficits induced by a moderate traumatic injury in the right parietal cortex of the rat. Neurobiology of Disease. 8 (6), 1082-1093 (2001).
- Goldstein, L. B., Davis, J. N. Beam-walking in rats: Studies towards developing an animal model of functional recovery after brain injury. Journal of Neuroscience Methods. 31 (2), 101-107 (1990).
- Sweis, B. M., et al. modified beam-walking apparatus for assessment of anxiety in a rodent model of blast traumatic brain injury. Behavioural Brain Research. 296, 149-156 (2016).
- Hess, B. J., Dieringer, N. Spatial organization of the maculo-ocular reflex of the rat: Responses during off-vertical axis rotation. European Journal of Neuroscience. 2, 909-919 (1990).
- Armstrong, P. A., et al. Preserved otolith organ function in caspase-3-deficient mice with impaired horizontal semicircular canal function. Experimental Brain Research. 233 (6), 1825-1835 (2015).
- Riccio, D. C., Thach, J. S. Response suppression produced by vestibular stimulation in the rat. Journal of the Experimental Analysis of Behavior. 11 (4), 479-488 (1968).
- Rabbath, G., et al. Abnormal vestibular control of gaze and posture in a strain of a waltzing rat. Experimental Brain Research. 136, 211-223 (2001).
- Brettler, S. C., et al. The effect of gravity on the horizontal and vertical vestibulo-ocular reflex in the rat. Experimental Brain Research. 132, 434-444 (2000).
- Hutchison, S. L. Taste aversion in albino rats using centrifugal spin as an unconditioned stimulus. Psychological Reports. 33 (2), 467-470 (1973).
- Green, K. F., Lee, D. W. Effects of centrifugal rotation on analgesia and conditioned flavor aversions. Physiology & Behavior. 40 (2), 201-205 (1987).
- Tse, Y. C., et al. Developmental expression of NMDA and AMPA receptor subunits in vestibular nuclear neurons that encode gravity-related horizontal orientations. Journal of Comparative Neurology. 508 (2), 343-364 (2008).
- Lai, C. H., Tse, Y. C., Shum, D. K., Yung, K. K., Chan, Y. S. Fos expression in otolith-related brainstem neurons of postnatal rats following off-vertical axis rotation. Journal of Comparative Neurology. 470 (3), 282-296 (2004).
- Lai, S. K., Lai, C. H., Yung, K. K., Shum, D. K., Chan, Y. S. Maturation of otolith-related brainstem neurons in the detection of vertical linear acceleration in rats. European Journal of Neuroscience. 23 (9), 2431-2446 (2006).
- Aitken, P., Zheng, Y., Smith, P. F. Ethovision analysis of open field behaviour in rats following bilateral vestibular loss. Journal of Vestibular Research. 27 (2-3), 89-101 (2017).
- Gao, V., Vitaterna, M. H., Turek, F. W. Validation of video motion-detection scoring of forced swim test in mice. Journal of Neuroscience Methods. 235, 59-64 (2014).
- Lopes, G., et al. Bonsai: an event-based framework for processing and controlling data streams. Frontiers in Neuroinformatics. 9, 7 (2015).
- Conder, G. A., Sedlacek, H. S., Boucher, J. F., Clemence, R. G. Efficacy and safety of maropitant, a selective neurokinin 1 receptor antagonist, in two randomized clinical trials for prevention of vomiting due to motion sickness in dogs. Journal of Veterinary Pharmacology and Therapeutics. 31, 528-532 (2008).
- Percie du Sert, N., Chu, K. M., Wai, M. K., Rudd, J. A., Andrews, P. L. Telemetry in a motion-sickness model implicates the abdominal vagus in motion-induced gastric dysrhythmia. Experimental Physiology. 95, 768-773 (2010).
- Lackner, J. R. Motion sickness: more than nausea and vomiting. Experimental Brain Research. 232, 2493-2510 (2014).
- Lucot, J. B. Effects of naloxone on motion sickness in cats alone and with broad spectrum antiemetics. Autonomic Neuroscience. 202, 97-101 (2016).
- McCaffrey, R. J. Appropriateness of kaolin consumption as an index of motion sickness in the rat. Physiology & Behavior. 35, 151-156 (1985).
- Horn, C. C., et al. Why can’t rodents vomit? A comparative behavioral, anatomical, and physiological study. PLoS One. 8 (4), 60537 (2013).
- Ossenkopp, K. -. P., Frisken, N. L. Defecation as an index of motion sickness in the rat. Physiological Psychology. 10, 355-360 (1982).
- Ossenkopp, K. P., Rabi, Y. J., Eckel, L. A., Hargreaves, E. L. Reductions in body temperature and spontaneous activity in rats exposed to horizontal rotation: abolition following chemical labyrinthectomy. Physiology & Behavior. 56, 319-324 (1994).
- Oman, C. M. Motion sickness: a synthesis and evaluation of the sensory conflict theory. Canadian Journal of Physiology and Pharmacology. 68, 294-303 (1990).
- Hu, D. L., et al. Emesis in the shrew mouse (Suncus murinus) induced by peroral and intraperitoneal administration of staphylococcal enterotoxin A. Journal of Food Protection. 62, 1350-1353 (1999).
- Ueno, S., Matsuki, N., Saito, H. Suncus murinus as a new experimental model for motion sickness. Life Sciences. 43, 413-420 (1988).
