הערכת השפעות הלחץ על גמישות קוגניטיבית באמצעות פרדיגמה של הסטת אסטרטגיה אופרנטית
Summary
אירועי חיים מלחיצים פוגעים בתפקוד הקוגניטיבי ומגבירה את הסיכון להפרעות פסיכיאטריות. פרוטוקול זה ממחיש כיצד מתח משפיע על גמישות קוגניטיבית באמצעות אסטרטגיה אופרנטית אוטומטית הסטת פרדיגמה בחולדות ספראג דולי זכר ונקבה. אזורים מסוימים במוח שבבראש התנהגויות מסוימות נדונים, ורלוונטיות תרגומית של תוצאות נבחנת.
Abstract
מתח משפיע על התפקוד הקוגניטיבי. אם מתח משפר או פוגע בתפקוד הקוגניטיבי תלוי במספר גורמים, כולל סוג 1) סוג, אינטנסיביות, ומשך הלחץ; 2) סוג של תפקוד קוגניטיבי תחת מחקר; ו -3) תזמון של הלחץ ביחס ללמידה או לביצוע המשימה הקוגניטיבית. יתר על כן, הבדלי מין בין ההשפעות של מתח על התפקוד הקוגניטיבי תועדו באופן נרחב. המתואר כאן הוא הסתגלות של אסטרטגיה אופרנטית אוטומטית הסטת פרדיגמה כדי להעריך כיצד וריאציות בלחץ משפיעות על גמישות קוגניטיבית בחולדות ספראג דולי זכר ונקבה. באופן ספציפי, מתח איפוק משמש לפני או אחרי אימון במשימה זו המבוססת על אופרנט כדי לבחון כיצד מתח משפיע על הביצועים הקוגניטיביים בשני המינים. אזורים מסוימים במוח הקשורים לכל משימה בפרדיגמה אוטומטית זו הוקמו היטב (כלומר, קליפת המוח הקדם-מצחית המנטלית וקליפת המוח האורביטו-פרונטלית). זה מאפשר מניפולציות ממוקדות במהלך הניסוי או הערכה של גנים וחלבונים מסוימים באזורים אלה עם השלמת הפרדיגמה. פרדיגמה זו מאפשרת גם זיהוי של סוגים שונים של שגיאות ביצוע המתרחשות לאחר הלחץ, שכל אחת מהן הגדירה מצעים עצביים. כמו כן מזוהים הבדלי מין ברורים בטעויות מתמדות לאחר פרדיגמת לחץ איפוק חוזרת ונשנית. השימוש בטכניקות אלה במודל פרה-אקליני עשוי לחשוף כיצד מתח משפיע על המוח ופוגע בקוגניציה בהפרעות פסיכיאטריות, כגון הפרעת דחק פוסט טראומטית (PTSD) והפרעת דיכאון גדולה (MDD), המציגות הבדלי מין ניכרים בשכיחות.
Introduction
אצל בני אדם, אירועי חיים מלחיצים עלולים לפגוע בתפקוד הקוגניטיבי (כלומר, גמישות קוגניטיבית1), המציינת את היכולת להתאים אסטרטגיות עיבוד קוגניטיביות להתמודד עם תנאים חדשים בסביבה2. פגיעה בקוגניציה מזרזת ומחמירה הפרעות פסיכיאטריות רבות, כגון הפרעת דחק פוסט טראומטית (PTSD) והפרעת דיכאון גדולה (MDD)3,4. הפרעות אלה שכיחות פי שניים אצלנקבות 5,6,7,8, אך הבסיס הביולוגי לפער זה עדיין אינו ידוע. היבטים של תפקוד מבצעי בבני אדם ניתן להעריך באמצעות משימת מיון כרטיס ויסקונסין, הדגמה של גמישות קוגניטיבית2. הביצועים במשימה זו נפגעים בחולים עם PTSD9 ו- MDD10, אבל הבסיס העצבי של שינוי זה יכול להיבדק רק על ידי הדמיה מוחית11.
התקדמות בהבנת האופן שבו הלחץ משפיע על המוח נעשתה באמצעות שימוש במודלים של בעלי חיים, במיוחד מכרסמים. כמו גמישות קוגניטיבית מושפעת במחלות הקשורות ללחץ, זה פנוטיפ רלוונטי במיוחד לבחון מכרסמים. עד כה, רוב ספרות נוירוביולוגיה מתח השתמש פרדיגמת גמישות קוגניטיבית חלופית (המכונה לפעמים משימת החפירה)12,13,14,15. בעוד משימה זו נבדקה בהרחבה, זה דורש יותר זמן ומאמץ על ידי הנסיין לאמן מכרסמים. מותאם ומתואר כאן הוא פרוטוקול סט הסטה אוטומטי מבוסס היטב16 כדי להעריך גמישות קוגניטיבית בחולדות ספראג דולי זכר ונקבה באמצעות מודלים מתח שונים17,18. ההליך דורש פיקוח מינימלי על ידי הנסיין ומאפשר לחולדות מרובות להיבדק בו זמנית. בנוסף, בניגוד לגרסאות אחרות של משימה אוטומטית זו19, ההתאמה של פרדיגמה זו דורשת רק 3 ימי אימון וכוללת ניתוח נתונים מתוכנת יעיל.
אם מתח משפר או פוגע בתפקוד הקוגניטיבי תלוי בסוג, בעוצמה ובמשך הלחץ, כמו גם בתזמון של הלחץ ביחס ללמידה או לביצוע משימה קוגניטיבית20,21. לפיכך, הפרוטוקול משלב נהלי לחץ הן לפני ואחרי ההכשרה האופרטיבית. הוא גם בוחן תוצאות מייצגות של מחקרי לחץ. בנוסף, אזורי המוח שבבסיס היבטים מסוימים של הסטה נקבעו היטב2,16,22; לכן, הדו”ח מתאר גם כיצד למקד ולהעריך אזורים מסוימים במוח במהלך או אחרי נהלי שינוי מתח ואסטרטגיה.
יש כבר מחקר מוגבל על בחינה ישירה של הבדלי מין בגמישות קוגניטיבית18,23. הפרוטוקול מתאר כיצד לשלב 1) הן חולדות זכר ונקבה לתוך הפרדיגמה הניסיונית, אז 2) לעקוב אחר מחזורים אסטרוס לפני ובמהלכו ההליכים בנקבות רכיבה חופשית. מחקרים קודמים הצביעו על כך שמתח לפני אימון אופרנטי יכול להוביל לגירעונות ספציפיים למין בגמישות קוגניטיבית בחולדות17. במיוחד, חולדות נקבות להפגין שיבושים בגמישות קוגניטיבית לאחר מתח, ואילו גמישות קוגניטיבית משתפרת בחולדות זכר לאחר מתח17. מעניין, סימן היכר עיקרי של הפרעות פסיכיאטריות הקשורות ללחץ, אשר יש שכיחות מוטה מינית בבני אדם, הוא חוסר גמישות קוגניטיבית. תוצאות אלה מצביעות על כך שהנקבות עלולות להיות פגיעות יותר לסוג זה של פגיעה קוגניטיבית מאשר גברים. השימוש בטכניקות אלה במודלים של בעלי חיים ישפוך אור על השפעות הלחץ על המוח וכיצד הוא פוגע בקוגניציה בהפרעות פסיכיאטריות בבני אדם.
Protocol
Representative Results
Discussion
הפרוטוקול מדגים כיצד למדוד את ההשפעות של מתח על תפקוד קוגניטיבי. באופן ספציפי, אסטרטגיה אופרנטית שונה הסטת פרדיגמה משמש מכרסמים, אשר מודד גמישות קוגניטיבית (מקבילה למשימה מיון כרטיס ויסקונסין בבני אדם)1. גמישות קוגניטיבית מציינת את היכולת להתאים אסטרטגיות עיבוד קוגניטיביות ?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים רוצים להודות להאנה זאמור, אמילי סאקס וג’וש סירל על עזרתם בביסוס האסטרטגיה האופרנטית הזו בהסטת פרדיגמה של שינוי פרדיגמה במעבדת גראף. הם גם רוצים להודות לקווין סניידר על עזרתו בקוד MATLAB לניתוח.
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 |
Riferimenti
- Hurtubise, J. L., Howland, J. G. Effects of stress on behavioral flexibility in rodents. Neuroscienze. 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. Neuroscienze. 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).
