Avaliação dos efeitos do estresse na flexibilidade cognitiva usando um paradigma de mudança de estratégia operante
Summary
Eventos de vida estressantes prejudicam a função cognitiva, aumentando o risco de transtornos psiquiátricos. Este protocolo ilustra como o estresse afeta a flexibilidade cognitiva usando uma estratégia de operante automatizada que muda paradigma em ratos de Sprague Dawley masculino e feminino. Áreas cerebrais específicas subjacentes a comportamentos particulares são discutidas, e a relevância translacional dos resultados é explorada.
Abstract
O estresse afeta a função cognitiva. Se o estresse aumenta ou prejudica a função cognitiva depende de vários fatores, incluindo o tipo 1, intensidade e duração do estressor; 2) tipo de função cognitiva em estudo; e 3) tempo do estressor em relação à aprendizagem ou execução da tarefa cognitiva. Além disso, as diferenças sexuais entre os efeitos do estresse na função cognitiva têm sido amplamente documentadas. Descrita aqui é uma adaptação de uma estratégia de operante automatizada que muda paradigma para avaliar como as variações no estresse afetam a flexibilidade cognitiva em ratos de Sprague Dawley masculinos e femininos. Especificamente, o estresse de contenção é usado antes ou depois do treinamento nesta tarefa baseada em operantes para examinar como o estresse afeta o desempenho cognitivo em ambos os sexos. Áreas cerebrais específicas associadas a cada tarefa neste paradigma automatizado foram bem estabelecidas (ou seja, o córtex pré-frontal medial e o córtex orbitofrontal). Isso permite manipulações direcionadas durante o experimento ou a avaliação de genes e proteínas específicos nessas regiões após a conclusão do paradigma. Esse paradigma também permite a detecção de diferentes tipos de erros de desempenho que ocorrem após o estresse, cada um dos quais definiu substratos neurais. Também são identificadas diferenças sexuais distintas em erros perseverativos após um paradigma de estresse de contenção repetido. O uso dessas técnicas em um modelo pré-clínico pode revelar como o estresse afeta o cérebro e prejudica a cognição em transtornos psiquiátricos, como transtorno de estresse pós-traumático (TEPT) e transtorno depressivo maior (DMD), que apresentam diferenças sexuais acentuadas na prevalência.
Introduction
Em humanos, eventos de vida estressantes podem prejudicar a função cognitiva (ou seja, flexibilidade cognitiva1), que denota a capacidade de adaptar estratégias de processamento cognitivo para enfrentar novas condições no ambiente2. O comprometimento na cognição precipita e exacerba muitos transtornos psiquiátricos, como Transtorno de Estresse Pós-Traumático (TEPT) e Transtorno Depressivo Maior (DMD)3,4. Esses transtornos são duas vezes mais prevalentes nas fêmeas5,6,7,8, mas a base biológica para essa disparidade permanece desconhecida. Aspectos do funcionamento executivo em humanos podem ser avaliados usando a Tarefa de Classificação de Cartões de Wisconsin, uma demonstração de flexibilidade cognitiva2. O desempenho nesta tarefa é prejudicado em pacientes com TEPT9 e MDD10,mas a base neural dessa mudança só pode ser examinada por imagem cerebral11.
Avanços na compreensão de como o estresse afeta o cérebro têm sido feitos através do uso de modelos animais, particularmente roedores. Como a flexibilidade cognitiva é afetada em doenças relacionadas ao estresse, é um fenótipo excepcionalmente relevante para examinar em roedores. Até o momento, a maioria da literatura de neurobiologia do estresse tem utilizado um paradigma alternativo de flexibilidade cognitiva (às vezes referido como tarefa de escavação)12,13,14,15. Embora esta tarefa tenha sido extensivamente examinada, requer mais tempo e esforço do experimentador para treinar roedores. Adaptado e descrito aqui é um protocolo de mudança automatizada bem estabelecido16 para avaliar a flexibilidade cognitiva em ratos de Sprague Dawley masculino e feminino usando vários modelos de estresse17,18. O procedimento requer supervisão mínima do experimentador e permite que vários ratos sejam testados simultaneamente. Além disso, ao contrário de outras versões desta tarefa automatizada19,a adaptação desse paradigma requer apenas 3 dias de treinamento e inclui uma análise eficiente de dados programados.
Se o estresse melhora ou prejudica a função cognitiva depende do tipo, intensidade e duração do estressor, bem como do tempo do estressor em relação à aprendizagem ou execução de uma tarefa cognitiva20,21. Assim, o protocolo incorpora procedimentos de estresse antes e depois do treinamento operante. Também examina resultados representativos de estudos de estresse. Além disso, as regiões cerebrais subjacentes a aspectos particulares da mudança de conjunto foram bem estabelecidas2,16,22; assim, o relatório também descreve como direcionar e avaliar determinadas regiões cerebrais durante ou após os procedimentos de mudança de estresse e estratégia.
Tem havido pesquisas limitadas sobre o exame direto das diferenças sexuais na flexibilidade cognitiva18,23. O protocolo descreve como 1) incorporar ratos machos e fêmeas no paradigma experimental, então 2) rastrear ciclos estrous antes e durante os procedimentos no ciclismo livre feminino. Estudos anteriores indicaram que o estresse antes do treinamento operante pode levar a déficits específicos do sexo na flexibilidade cognitiva em ratos17. Particularmente, ratos fêmeas exibem interrupções na flexibilidade cognitiva após o estresse, enquanto a flexibilidade cognitiva melhora em ratos machos após o estresse17. Curiosamente, uma das principais marcas de transtornos psiquiátricos relacionados ao estresse, que têm uma incidência sexual em humanos, é a inflexibilidade cognitiva. Esses resultados sugerem que as fêmeas podem ser mais vulneráveis a esse tipo de comprometimento cognitivo do que os homens. O uso dessas técnicas em modelos animais lançará luz sobre os efeitos do estresse no cérebro e como prejudica a cognição em transtornos psiquiátricos em humanos.
Protocol
Representative Results
Discussion
O protocolo demonstra como medir os efeitos do estresse na função cognitiva. Especificamente, um paradigma de mudança de estratégia operante modificado é usado em roedores, que mede a flexibilidade cognitiva (análoga à Tarefa de Classificação de Cartões de Wisconsin em humanos)1. A flexibilidade cognitiva denota a capacidade de adaptar estratégias de processamento cognitivo para enfrentar novas condições no ambiente, e é crucial para o funcionamento diário normal2<…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores gostariam de agradecer Hannah Zamore, Emily Saks e Josh Searle por sua ajuda no estabelecimento desta estratégia operante que muda paradigma no laboratório Grafe. Eles também gostariam de agradecer Kevin Snyder por sua ajuda com o código MATLAB para análise.
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 |
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