Beoordeling van stresseffecten op cognitieve flexibiliteit met behulp van een operante strategieverschuivingsparadigma
Summary
Stressvolle levensgebeurtenissen schaden de cognitieve functie, waardoor het risico op psychiatrische stoornissen toeneemt. Dit protocol illustreert hoe stress de cognitieve flexibiliteit beïnvloedt met behulp van een geautomatiseerd operante strategieverschuivingsparadigma bij mannelijke en vrouwelijke Sprague Dawley-ratten. Specifieke hersengebieden die ten grondslag liggen aan bepaald gedrag worden besproken en translationele relevantie van resultaten wordt onderzocht.
Abstract
Stress beïnvloedt de cognitieve functie. Of stress de cognitieve functie verbetert of schaadt, hangt af van verschillende factoren, waaronder het 1) type, de intensiteit en de duur van de stressor; 2) type cognitieve functie in studie; en 3) timing van de stressor in relatie tot het leren of uitvoeren van de cognitieve taak. Bovendien zijn sekseverschillen tussen de effecten van stress op de cognitieve functie op grote schaal gedocumenteerd. Hier beschreven is een aanpassing van een geautomatiseerd opererend strategieverschuivingsparadigma om te beoordelen hoe variaties in stress de cognitieve flexibiliteit bij mannelijke en vrouwelijke Sprague Dawley-ratten beïnvloeden. In het bijzonder wordt terughoudendheidsstress gebruikt voor of na de training in deze operante taak om te onderzoeken hoe stress de cognitieve prestaties bij beide geslachten beïnvloedt. Bepaalde hersengebieden die verband houden met elke taak in dit geautomatiseerde paradigma zijn goed ingeburgerd (d.w.z. de mediale prefrontale cortex en orbitofrontale cortex). Dit maakt gerichte manipulaties mogelijk tijdens het experiment of de beoordeling van bepaalde genen en eiwitten in deze regio’s na voltooiing van het paradigma. Dit paradigma maakt het ook mogelijk om verschillende soorten prestatiefouten te detecteren die optreden na stress, die elk neurale substraten hebben gedefinieerd. Ook geïdentificeerd zijn duidelijke sekseverschillen in volhardende fouten na een herhaald stressparadigma. Het gebruik van deze technieken in een preklinisch model kan onthullen hoe stress de hersenen beïnvloedt en de cognitie schaadt bij psychiatrische stoornissen, zoals posttraumatische stressstoornis (PTSS) en depressieve stoornis (MDD), die duidelijke sekseverschillen in prevalentie vertonen.
Introduction
Bij mensen kunnen stressvolle levensgebeurtenissen de cognitieve functie aantasten (d.w.z. cognitieve flexibiliteit1), wat het vermogen aangeeft om cognitieve verwerkingsstrategieën aan te passen aan nieuwe omstandigheden in de omgeving2. Stoornissen in cognitie bespoedigen en verergeren veel psychiatrische stoornissen, zoals posttraumatische stressstoornis (PTSS) en depressieve stoornis (MDD)3,4. Deze aandoeningen komen twee keer zo vaak voor bij vrouwen5,6,7,8,maar de biologische basis voor deze ongelijkheid blijft onbekend. Aspecten van uitvoerend functioneren bij mensen kunnen worden beoordeeld met behulp van de Wisconsin Card Sorting Task, een demonstratie van cognitieve flexibiliteit2. De prestaties in deze taak zijn verminderd bij patiënten met PTSS9 en MDD10, maar de neurale basis van deze verandering kan alleen worden onderzocht door beeldvorming van de hersenen11.
Vooruitgang in het begrijpen hoe stress de hersenen beïnvloedt, is gemaakt door het gebruik van diermodellen, met name knaagdieren. Omdat cognitieve flexibiliteit wordt beïnvloed bij stressgerelateerde ziekten, is het een uitzonderlijk relevant fenotype om te onderzoeken bij knaagdieren. Tot op heden heeft de meeste stress neurobiologie literatuur een alternatief cognitief flexibiliteitsparadigma gebruikt (soms aangeduid als de graaftaak)12,13,14,15. Hoewel deze taak uitgebreid is doorgelicht, vereist het meer tijd en moeite van de experimentator om knaagdieren te trainen. Aangepast en hier beschreven is een goed ingeburgerd geautomatiseerd set-shifting protocol16 om cognitieve flexibiliteit bij mannelijke en vrouwelijke Sprague Dawley-ratten te beoordelen met behulp van verschillende stressmodellen17,18. De procedure vereist minimaal toezicht door de experimentator en maakt het mogelijk om meerdere ratten tegelijkertijd te testen. Bovendien, in tegenstelling tot andere versies van deze geautomatiseerde taak19,vereist de aanpassing van dit paradigma slechts 3 dagen training en omvat een efficiënte geprogrammeerde gegevensanalyse.
Of stress de cognitieve functie verbetert of schaadt, hangt af van het type, de intensiteit en de duur van de stressor, evenals de timing van de stressor in relatie tot het leren of uitvoeren van een cognitieve taak20,21. Het protocol omvat dus stressprocedures zowel voor als na de operante training. Het onderzoekt ook representatieve resultaten van stressstudies. Bovendien zijn de hersengebieden die ten grondslag liggen aan bepaalde aspecten van set-shifting goed ingeburgerd2,16,22; zo beschrijft het rapport ook hoe bepaalde hersengebieden tijdens of na de stress- en strategieverschuivingsprocedures kunnen worden gericht en beoordeeld.
Er is beperkt onderzoek gedaan naar het direct onderzoeken van sekseverschillen in cognitieve flexibiliteit18,23. Het protocol beschrijft hoe 1) zowel mannelijke als vrouwelijke ratten in het experimentele paradigma kunnen worden opgenomen, en vervolgens 2) oestruscycli voor en tijdens de procedures bij vrij fietsende vrouwtjes kan volgen. Eerdere studies hebben aangetoond dat stress vóór operante training kan leiden tot geslachtsspecifieke tekorten in cognitieve flexibiliteit bij ratten17. Met name vrouwelijke ratten vertonen verstoringen in cognitieve flexibiliteit na stress, terwijl cognitieve flexibiliteit verbetert bij mannelijke ratten na stress17. Interessant is dat een belangrijk kenmerk van stressgerelateerde psychiatrische stoornissen, die een geslachtsgebonden incidentie bij mensen hebben, cognitieve inflexibiliteit is. Deze resultaten suggereren dat vrouwen kwetsbaarder kunnen zijn voor dit type cognitieve stoornissen dan mannen. Het gebruik van deze technieken in diermodellen zal licht werpen op de effecten van stress op de hersenen en hoe het de cognitie bij psychiatrische stoornissen bij mensen schaadt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het protocol laat zien hoe de effecten van stress op de cognitieve functie kunnen worden gemeten. In het bijzonder wordt een aangepast opererend strategieverschuivingsparadigma gebruikt bij knaagdieren, dat cognitieve flexibiliteit meet (analoog aan de Wisconsin Card Sorting Task bij mensen)1. Cognitieve flexibiliteit duidt op het vermogen om cognitieve verwerkingsstrategieën aan te passen aan nieuwe omstandigheden in de omgeving, en het is cruciaal voor normaal dagelijks functioneren<sup class="…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs willen Hannah Zamore, Emily Saks en Josh Searle bedanken voor hun hulp bij het opzetten van dit operante strategieverschuivingsparadigma in het Grafe-lab. Ze willen ook Kevin Snyder bedanken voor zijn hulp met de MATLAB-code voor analyse.
Materials
| 3 inch glass pipette eye droppers | Amazon | 4306-30-012LC | For vaginal lavage |
| Alcohol Wipes | VWR | 15648-990 | To clean trays in set shifting boxes between rats |
| Biotin-SP-conjugated AffiniPure Donkey Anti-Mouse lgG (H+L), minimal cross reaction to bovine, chicken, goat, guinea pig, hamster, horse, human, rabbit, sheep serum proteins | Jackson ImmunoResearch | 715-065-150 | All other DAB protocol staining materials are standard buffers/DAB and are not specified here, as this is not the main focus of the methods paper |
| C-fos mouse monoclonal primary antibody | AbCam | ab208942 | To stain neural activation in brain areas after set shifting |
| Dustless Food Pellets | Bio Serv | F0021 | For set shifting boxes (dispenser for reward) |
| GraphPad Prism | Used for data analysis | ||
| Leica DM4 B Microscope and associated imaging software | Leica | Lots of different parts for the microscope and work station, for imaging lavage and/or cfos | |
| MatLab | Software; code to help analyze set shifting data, available upon request. | ||
| Med-PC Software Suite | Med Associates | SOF-736 | Software; uses codes to operate operant chambers |
| Operant Chambers | Med PC | MED-008-B2 | Many different parts for the chamber set up and software to work with it; we also wrote a separate code for set shifting, available upon request. |
| Rat Bedding | Envigo | T.7097 | |
| Rat Chow | Envigo | T.2014.15 | |
| Restraint Devices | Bryn Mawr College | Made by our shop | For stress exposure; specifications available upon request. |
| Scribbles 3d fabric paint | Amazon | 54139 | For vaginal lavage |
| Sprague Dawley Rats | Envigo | At least D65 Males and Females | |
| VWR Superfrost Plus Micro Slide | VWR | 48311-703 | For vaginal lavage and/or brain slices/staining for c-fos |
References
- Hurtubise, J. L., Howland, J. G. Effects of stress on behavioral flexibility in rodents. Neurosciences. 345, 176-192 (2016).
- Bissonette, G. B., Powell, E. M., Roesch, M. R. Neural structures underlying set-shifting: Roles of medial prefrontal cortex and anterior cingulate cortex. Behavioural Brain Research. 250, 91-101 (2013).
- Vasterling, J. J., Brailey, K., Constans, J. I., Sutker, P. B. Attention and memory dysfunction in posttraumatic stress disorder. Neuropsychology. 12 (1), 125-133 (1998).
- Bangasser, D. A., Kawasumi, Y. Cognitive disruptions in stress-related psychiatric disorders: A role for corticotropin releasing factor (CRF). Hormones and Behavior. 76, 125-135 (2015).
- Nestler, E. J., et al. Neurobiology of depression. Neuron. 34 (1), 13-25 (2002).
- Keane, T. M., Marshall, A. D., Taft, C. T. Posttraumatic stress disorder: etiology, epidemiology, and treatment outcome. Annual Review of Clinical Psychology. 2, 161 (2006).
- Seeman, M. V. Psychopathology in women and men: focus on female hormones. The American Journal of Psychiatry. 154 (12), 1641-1647 (1997).
- Hodes, G. E., Epperson, C. N. Sex Differences in Vulnerability and Resilience to Stress Across the Life Span. Biological Psychiatry. 86 (6), 421-432 (2019).
- Monika, T. -. B., Antoni, F., Piotr, G., Marian, M., Krzysztof, Z. Wisconsin Card Sorting Test in psychological examination of patients with psychiatric disorders. Polski merkuriusz lekarski: organ Polskiego Towarzystwa Lekarskiego. 25, 51-52 (2008).
- Merriam, E. P., Thase, M. E., Haas, G. L., Keshavan, M. S., Sweeney, J. A. Prefrontal cortical dysfunction in depression determined by Wisconsin Card Sorting Test performance. The American Journal of Psychiatry. 156 (5), 780-782 (1999).
- Monchi, O., Petrides, M., Petre, V., Worsley, K., Dagher, A. Wisconsin Card Sorting revisited: distinct neural circuits participating in different stages of the task identified by event-related functional magnetic resonance imaging. The Journal of Neuroscience: the Official Journal of the Society for Neuroscience. 21 (19), 7733-7741 (2001).
- Bulin, S. E., Hohl, K. M., Paredes, D., Silva, J. D., Morilak, D. A. Bidirectional optogenetically-induced plasticity of evoked responses in the rat medial prefrontal cortex can impair or enhance cognitive set-shifting. eNeuro. 7 (1), 0363 (2019).
- Chaby, L. E., Karavidha, K., Lisieski, M. J., Perrine, S. A., Liberzon, I. Cognitive Flexibility Training Improves Extinction Retention Memory and Enhances Cortical Dopamine With and Without Traumatic Stress Exposure. Frontiers in Behavioral Neuroscience. 13, 24 (2019).
- Drozd, R., Rojek-Sito, K., Rygula, R. The trait ‘pessimism’ does not interact with cognitive flexibility but makes rats more vulnerable to stress-induced motivational deficits: Results from the attentional set-shifting task. Behavioural Brain Research. 335, 199-207 (2017).
- Birrell, J. M., Brown, V. J. Medial frontal cortex mediates perceptual attentional set-shifting in the rat. The Journal of Neuroscience: the Official Journal of the Society for Neuroscience. 20 (11), 4320-4324 (2000).
- Floresco, S. B., Block, A. E., Tse, M. T. L. Inactivation of the medial prefrontal cortex of the rat impairs strategy set-shifting, but not reversal learning, using a novel, automated procedure. Behavioural Brain Research. 190 (1), 85-96 (2008).
- Grafe, L. A., Cornfeld, A., Luz, S., Valentino, R., Bhatnagar, S. Orexins Mediate Sex Differences in the Stress Response and in Cognitive Flexibility. Biological Psychiatry. 81 (8), 683-692 (2017).
- Snyder, K. P., Barry, M., Valentino, R. J. Cognitive impact of social stress and coping strategy throughout development. Psychopharmacology. 232 (1), 185-189 (2014).
- Brady, A. M., Floresco, S. B. Operant procedures for assessing behavioral flexibility in rats. Journal of Visualized Experiments. (96), e52387 (2015).
- Sandi, C., Pinelo-Nava, M. T. Stress and Memory: Behavioral Effects and Neurobiological Mechanisms. Neural Plasticity. , 1-20 (2007).
- Shansky, R. M., Lipps, J. Stress-induced cognitive dysfunction: hormone-neurotransmitter interactions in the prefrontal cortex. Frontiers in Human Neuroscience. 7, 123 (2013).
- Ragozzino, M. E., Detrick, S., Kesner, R. P. Involvement of the prelimbic-infralimbic areas of the rodent prefrontal cortex in behavioral flexibility for place and response learning. The Journal of Neuroscience: the Official Journal of the Society for Neuroscience. 19 (11), 4585-4594 (1999).
- Liston, C., et al. Stress-induced alterations in prefrontal cortical dendritic morphology predict selective impairments in perceptual attentional set-shifting. The Journal of Neuroscience: the Official Journal of the Society for Neuroscience. 26 (30), 7870-7874 (2006).
- Hatch, A., Wiberg, G. S., Balazs, T., Grice, H. C. Long-Term Isolation Stress in Rats. Science. 142 (3591), 507 (1963).
- Grafe, L. A., Cornfeld, A., Luz, S., Valentino, R., Bhatnagar, S. Orexins Mediate Sex Differences in the Stress Response and in Cognitive Flexibility. Biological Psychiatry. 81 (8), 683-692 (2017).
- Lapiz-Bluhm, M. D. S., et al. Behavioural assays to model cognitive and affective dimensions of depression and anxiety in rats. Journal of Neuroendocrinology. 20 (10), 1115-1137 (2008).
- McEwen, B. S. Permanence of brain sex differences and structural plasticity of the adult brain. Proceedings of the National Academy of Sciences. 96 (13), 7128-7130 (1999).
- Manber, R., Armitage, R. Sex, steroids, and sleep: a review. Sleep. 22 (5), 540-555 (1999).
- Sherwin, B. B. Estrogen and Cognitive Functioning in Women. Endocrine Reviews. 24 (2), 133-151 (2003).
- Becker, J. B., et al. Strategies and methods for research on sex differences in brain and behavior. Endocrinology. 146 (4), 1650-1673 (2005).
- Koch, C. E., Leinweber, B., Drengberg, B. C., Blaum, C., Oster, H. Interaction between circadian rhythms and stress. Neurobiology of Stress. 6, 57-67 (2017).
- Warren, B. L., et al. Neurobiological sequelae of witnessing stressful events in adult mice. Biological Psychiatry. 73 (1), 7-14 (2013).
- McAlonan, K., Brown, V. J. Orbital prefrontal cortex mediates reversal learning and not attentional set-shifting in the rat. Behavioural Brain Research. 146 (1-2), 97-103 (2003).
- Schoenbaum, G., Saddoris, M. P., Stalnaker, T. A. Reconciling the roles of orbitofrontal cortex in reversal learning and the encoding of outcome expectancies. Annals of the New York Academy of Sciences. 1121 (1), 320-335 (2007).
- Meunier, M. Effects of orbital frontal and anterior cingulate lesions on object and spatial memory in rhesus monkeys. Neuropsychologia. 35 (7), 999-1015 (1997).
- Zappulla, R. A., Wang, W., Friedrich, V. L., Grabel, J., Nieves, J. CNS activation patterns underlying motor evoked potentials as demonstrated by c-fos immunoreactivity. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 43, 155-169 (1991).
- Schoenenberger, P., Gerosa, D., Oertner, T. G. Temporal Control of Immediate Early Gene Induction by Light. PLoS ONE. 4 (12), 8185 (2009).
- Chase, E. A., Tait, D. S., Brown, V. J. Lesions of the orbital prefrontal cortex impair the formation of attentional set in rats. The European Journal of Neuroscience. 36 (3), 2368-2375 (2012).
- Hancock, P. A., Warm, J. S. A dynamic model of stress and sustained attention. Human Performance in Extreme Environments. 7 (1), 15-28 (2003).
- Johnson, P. L., Molosh, A., Fitz, S. D., Truitt, W. A., Shekhar, A. Orexin, stress, and anxiety/panic states. Progress in Brain Research. 198, 133-161 (2012).
- Leuner, B., Shors, T. J. Stress, anxiety, and dendritic spines: what are the connections. Neurosciences. 251, 108-119 (2013).
- Holmes, A., Wellman, C. L. Stress-induced prefrontal reorganization and executive dysfunction in rodents. Neuroscience and Biobehavioral Reviews. 33 (6), 773-783 (2009).
- Placek, K., Dippel, W. C., Jones, S., Brady, A. M. Impairments in set-shifting but not reversal learning in the neonatal ventral hippocampal lesion model of schizophrenia: further evidence for medial prefrontal deficits. Behavioural Brain Research. 256, 405-413 (2013).
- Nikiforuk, A., Popik, P. Long-lasting cognitive deficit induced by stress is alleviated by acute administration of antidepressants. Psychoneuroendocrinology. 36 (1), 28-39 (2011).
- Bondi, C. O., Rodriguez, G., Gould, G. G., Frazer, A., Morilak, D. A. Chronic unpredictable stress induces a cognitive deficit and anxiety-like behavior in rats that is prevented by chronic antidepressant drug treatment. Neuropsychopharmacology. 33 (2), 320-331 (2008).
