Miljø modulasjoner av antall midthjernen dopaminneuroner i voksen Mus
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
Varige endringer i hjernen eller 'hjernens plastisitet' grunn for adaptiv atferd og hjerne reparasjon etter sykdom eller skade. Videre kan interaksjoner med miljøet vårt indusere hjernens plastisitet. I økende grad er forskning forsøker å identifisere hvilke miljøer stimulerer hjernens plastisitet gunstig for å behandle hjernen og atferdsforstyrrelser. To miljø manipulasjoner er beskrevet som øker eller reduserer antall tyrosinhydroksylase immunopositive (TH +, det hastighetsbegrensende enzym i dopamin (DA) syntese) nevroner i den voksne mus midthjernen. Den første består av sammenkoblingen mannlige og kvinnelige mus sammen sammenhengende i en uke, noe som øker midthjernen TH + nevroner med ca 12% hos menn, men reduserer midthjernen TH + nevroner med ca 12% hos kvinner. Den andre består av boliger mus kontinuerlig i to uker i 'beriket miljøer' (EE) som inneholder kjører hjul, leker, tau, reirmateriale, etc., som jegncreases midthjernen TH + nevroner med ca 14% hos menn. I tillegg er en protokoll som er beskrevet for samtidig infusjon av legemidler direkte inn i midthjernen under disse miljø manipulasjoner for å identifisere mekanismene bak miljømessig induserte hjerne plastisitet. For eksempel, er EE-induksjon av mer midthjernen TH + nevroner avskaffet ved samtidig blokade av synaptiske innspill på midthjernen nerveceller. Sammen utgjør disse dataene indikerer at informasjon om miljøet er videreformidlet via synaptic innspill til midthjernen nerveceller til å slå på eller av uttrykk for 'DA' gener. Dermed forsvarlig miljø stimulering, eller narkotika målretting av de underliggende mekanismene, kan være nyttig for behandling av hjernen og atferdsforstyrrelser forbundet med ubalanser i midthjernen DA (f.eks Parkinsons sykdom, oppmerksomhetssvikt og hyperaktivitet, schizofreni, og narkotikaavhengighet).
Introduction
DArgic signalering av nevroner i ventral tegmentale området (VTA) og substantia nigra pars comp (SNC) av midthjernen er tenkt å være viktig for belønning-motivert kognitive, emosjonelle og motoriske atferd. Men for mye eller for lite midthjernen DA signalering fører til mange invalidiserende symptomer i en rekke nevrologiske lidelser (f.eks Parkinsons sykdom, oppmerksomhetssvikt og hyperaktivitet lidelse, schizofreni, og narkotikaavhengighet). Legemidler som øker eller reduserer DA signale lindre disse symptomene, men de produserer også bivirkninger som skyldes feilregulert signale og off-target effekter. Legemidlets effekt avtar også over tid på grunn av kompenserende responser i hjernen. Utfordringen er derfor å gjenopprette normal midthjernen DA signalisering i en mer målrettet og fysiologisk måte, og et yndet tilnærming er ved å øke eller redusere antall midthjernen DA nevroner.
Bevis har vært samler for sevtater tiår at uttrykket av gener og proteiner som er involvert i metabolizing og trafficking DA og andre katekolaminer i modne voksne celler er modifiserbar (anmeldt i 1). I midthjernen, synker antall tyrosinhydroksylase immunopositive (TH +, det hastighetsbegrensende enzym i DA syntese) nevroner deretter øker etter neurotoxin administrasjon 2,3, mens antall TH immunonegative (TH-) nevroner viser motsatt mønster (dvs. opp- deretter avtar 3). Dette er konsistent med tap så få av "DA-fenotypen 'av enkelte celler. Antallet TH + jern og gjengetappholder SNC neuroner har også vist seg å endre seg i like, men motsatte retninger etter forskjellige behandlinger som endrer den elektriske aktiviteten i disse cellene 4,5. For eksempel infusjon av små-konduktans, kalsiumaktiverte kalium- (SK) kanal antagonist apamin inn i midthjernen i 2 uker reduserer antallet TH + og øker (med samme beløp) Number av TH- SNC nevroner 4,5. I motsetning til dette infusjon av SK-kanal-agonist 1-EBIO øker antallet TH + og avtar (med samme beløp) antall TH- SNC neuroner 4,5. Tilsvarende endringer ble sett etter en rekke behandlinger rettet mot SNC neuronal aktivitet, inkludert noen som målrettet afferente innganger 4. Denne åpenbare regulering av antall SNC DArgic neuroner ved neuronal aktivitet og afferent inngang øker muligheten for at miljøet eller oppførsel kan påvirke antallet SNC neuroner. Faktisk voksne mus eksponert for forskjellige miljøer har mer eller mindre midthjernen (SNC og VTA) TH + neuroner, og minst noen av disse miljøinduserte endringer oppheves ved samtidig blokade av synaptisk inngang i midthjernen 6. Målene med denne kommunikasjonen er å: (1) gi ytterligere detaljer om hvordan å gjennomføre våre miljø manipulasjoner og narkotika infusjoner; og (2) gi ytterligere data som støtter vår påstand at environment regulerer antall midthjernen DA nevroner, via afferent inngang.
Protocol
Representative Results
Discussion
Miljø manipulasjoner
Motivasjonen bak utformingen av disse miljø manipulasjoner (kjønn sammenkobling og miljø berikelse) var å avgjøre om miljøet, og / eller oppførsel bedt av miljøet, er assosiert med endringer i antall midthjernen DA nevroner. Fokuset var derfor på å gi miljøer og stimulere atferd som er egnet til å engasjere midthjernen DA signalering. Disse inkluderte sammenkobling med det motsatte kjønn, og miljøberikelse bestående tilgang til å kjøre hjul, ta…
Divulgations
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 |
References
- 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. Neurosciences. 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. Neurosciences. 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).
