Modulations environnementaux du mésencéphale Nombre de dopamine neurones chez la souris adulte
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
Des changements durables dans le cerveau ou «plasticité cérébrale» sous-tendent le comportement adaptatif et la réparation du cerveau après les maladies ou des blessures. En outre, les interactions avec notre environnement peuvent induire la plasticité du cerveau. De plus en plus, la recherche tente d'identifier les environnements stimuler la plasticité cérébrale bénéfique pour traiter les troubles cérébraux et comportementaux. Deux manipulations de l'environnement qui sont décrits augmenter ou diminuer le nombre de tyrosine hydroxylase immunopositif (TH +, l'enzyme limitant la vitesse dans la dopamine (DA) synthèse) des neurones dans le mésencéphale de souris adulte. La première comprend appariement souris mâles et femelles de façon continue pendant 1 semaine, ce qui augmente TH mésencéphale + neurones d'environ 12% chez les hommes, mais diminue TH mésencéphale + neurones d'environ 12% chez les femmes. La seconde comprend les souris de logement en continu pendant deux semaines dans des «environnements enrichis» (EE) contenant roues de roulement, des jouets, des cordes, des matériaux de nidification, etc., qui increases TH mésencéphale + neurones d'environ 14% chez les hommes. En outre, un protocole est décrite pour infuser simultanément des médicaments directement dans le mésencéphale au cours de ces manipulations de l'environnement pour aider à identifier les mécanismes sous-jacents de l'environnement induite par la plasticité du cerveau. Par exemple, EE-induction de plus TH mésencéphale + neurones est abolie par le blocage simultané de l'entrée synaptique sur les neurones du mésencéphale. Ensemble, ces données indiquent que l'information sur l'environnement est relayé via l'entrée synaptique des neurones du mésencéphale pour allumer ou éteindre l'expression de gènes «DA». Ainsi, la stimulation environnementale appropriée, ou le ciblage de médicaments des mécanismes sous-jacents, peut être utile pour le traitement de troubles cérébraux et comportementaux associés à des déséquilibres dans le mésencéphale DA (par exemple la maladie de Parkinson, déficit de l'attention et hyperactivité, la schizophrénie et la toxicomanie).
Introduction
DArgic la signalisation par les neurones dans la région tegmentale ventrale (VTA) et substantia nigra pars compacta de (SNC) du mésencéphale est considéré comme important pour les comportements cognitifs, émotionnels et moteurs récompense motivés. Cependant, la signalisation de DA trop ou trop peu mésencéphale provoque de nombreux symptômes invalidants dans une variété de troubles neurologiques (par exemple la maladie de Parkinson, déficit de l'attention et hyperactivité, schizophrénie et la toxicomanie). Médicaments qui augmentent ou diminuent DA signalisation soulager ces symptômes, mais ils produisent également des effets secondaires attribuables à la signalisation dérégulée et les effets hors-cible. L'efficacité du médicament diminue également au fil du temps en raison des réponses compensatoires du cerveau. Le défi est donc de rétablir la signalisation DA mésencéphale normale, de façon plus ciblée et physiologique, et une approche favorisée est en augmentant ou en diminuant le nombre de neurones dopaminergiques du mésencéphale.
La preuve a été accumulé pendant sevsieurs décennies que l'expression des gènes et des protéines impliquées dans le métabolisme et le trafic DA et d'autres catécholamines dans les cellules adultes matures est modifiable (examinés dans une). Dans le mésencéphale, le nombre de tyrosine hydroxylase immunopositif (TH +, l'enzyme limitant la vitesse à Da synthèse) neurones diminue puis augmente suite à l'administration de la neurotoxine 2,3, tandis que le nombre de TH immunonegative (TH) neurones montre la tendance inverse (ce est à dire des augmentations puis diminue 3). Ceci est cohérent avec la perte ensuite gain du «phénotype DA 'par certaines cellules. Le nombre de neurones TH TH + et CNS a également été démontré que le changement dans des directions égales mais opposées suivant divers traitements qui modifient l'activité électrique de ces cellules à 4,5. Par exemple, la perfusion de la petite conductance, de potassium activé par le calcium (SK) dans le canal antagoniste apamine mésencéphale pendant 2 semaines diminue le nombre de TH + et augmente (par la même quantité) à la numbre de TH- SNc neurones 4,5. En revanche, la perfusion de l'agoniste des canaux SK-1 EBIO augmente le nombre de TH + et diminue (par le même montant) le nombre de neurones TH SNc 4,5. Des changements similaires ont été observés suite à une variété de traitements ciblant SNc activité neuronale, y compris certains qui visait entrées afférentes 4. Ce règlement apparente du nombre de neurones SNc DArgic par l'activité neuronale et entrée afférente soulève la possibilité que l'environnement ou le comportement peuvent influer sur le nombre de neurones de SNC. En effet, des souris adultes exposés à des environnements différents ont plus ou moins mésencéphale (SNC et VTA) TH + neurones, et au moins certains de ces changements induits par l'environnement sont abolis par le blocage simultané de l'entrée synaptique dans le mésencéphale 6. Les objectifs de cette communication sont les suivants: (1) fournir plus de détails sur la façon de mettre en œuvre nos manipulations de l'environnement et des perfusions de médicaments; et (2) fournir des données à l'appui de notre affirmation selon laquelle le environnement régule le nombre de neurones dopaminergiques du mésencéphale, via l'entrée afférente.
Protocol
Representative Results
Discussion
Manipulations de l'environnement
La motivation derrière la conception de ces manipulations de l'environnement (d'appariement entre les sexes et d'enrichissement de l'environnement) était de déterminer si l'environnement, et / ou le comportement suscité par l'environnement, est associée à des changements dans le nombre de neurones dopaminergiques du mésencéphale. L'accent est donc sur la fourniture d'environnements et de stimuler des compor…
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).
