Оценка влияния стресса на когнитивную гибкость с использованием парадигмы изменения оперантной стратегии
Summary
Стрессовые жизненные события ухудшают когнитивные функции, увеличивая риск психических расстройств. Этот протокол иллюстрирует, как стресс влияет на когнитивную гибкость, используя автоматизированную оперантную стратегию смены парадигмы у самцов и самок крыс Sprague Dawley. Обсуждаются конкретные области мозга, лежащие в основе определенного поведения, и исследуется трансляционная релевантность результатов.
Abstract
Стресс влияет на когнитивные функции. Усиливает ли стресс или ухудшает когнитивные функции, зависит от нескольких факторов, включая 1) тип, интенсивность и продолжительность стрессора; 2) тип изучаемой когнитивной функции; и 3) сроки стрессора в отношении обучения или выполнения познавательной задачи. Кроме того, половые различия между эффектами стресса на когнитивные функции были широко задокументированы. Здесь описана адаптация автоматизированной парадигмы смены оперантной стратегии для оценки того, как изменения в стрессе влияют на когнитивную гибкость у самцов и самок крыс Sprague Dawley. В частности, сдерживающее напряжение используется до или после тренировки в этой оперантной задаче, чтобы изучить, как стресс влияет на когнитивные функции у обоих полов. Конкретные области мозга, связанные с каждой задачей в этой автоматизированной парадигме, были хорошо установлены (то есть медиаальная префронтальная кора и орбитофронтальная кора). Это позволяет проводить целенаправленные манипуляции во время эксперимента или оценку конкретных генов и белков в этих областях после завершения парадигмы. Эта парадигма также позволяет обнаруживать различные типы ошибок производительности, которые возникают после стресса, каждый из которых имеет определенные нейронные субстраты. Также выявлены явные половые различия в персеверативных ошибках после повторяющейся парадигмы сдерживающего стресса. Использование этих методов в доклинической модели может показать, как стресс влияет на мозг и ухудшает познание при психических расстройствах, таких как посттравматическое стрессовое расстройство (ПТСР) и большое депрессивное расстройство (MDD), которые демонстрируют заметные половые различия в распространенности.
Introduction
У людей стрессовые жизненные события могут ухудшить когнитивную функцию (т.е. когнитивную гибкость1),что означает способность адаптировать когнитивные стратегии обработки к новым условиям в окружающей среде2. Нарушение когнитивных функций ускоряет и усугубляет многие психические расстройства, такие как посттравматическое стрессовое расстройство (ПТСР) и большое депрессивное расстройство (МДД)3,4. Эти расстройства в два раза распространенным явлением у женщин5,6,7,8,однако биологическая основа этого несоответствия остается неизвестной. Аспекты исполнительного функционирования у людей могут быть оценены с помощью Wisconsin Card Sorting Task, демонстрации когнитивной гибкости2. Производительность в этой задаче нарушена у пациентов сПТСР 9 и MDD10,но нейронная основа этого изменения может быть исследована только с помощью визуализации мозга11.
Успехи в понимании того, как стресс влияет на мозг, были достигнуты благодаря использованию животных моделей, особенно грызунов. Поскольку когнитивная гибкость затрагивается при заболеваниях, связанных со стрессом, это исключительно релевантный фенотип для изучения у грызунов. На сегодняшний день в большинстве литератур по нейробиологии стресса используется альтернативная парадигма когнитивной гибкости (иногда называемая задачей копания)12,13,14,15. Хотя эта задача была тщательно проверена, экспериментатор требует больше времени и усилий для обучения грызунов. Здесь адаптирован и описан хорошо задан автоматизированный протокол сдвига наборов16 для оценки когнитивной гибкости у самцов и самок крыс Sprague Dawley с использованием различных стрессовых моделей17,18. Процедура требует минимального надзора со стороны экспериментатора и позволяет одновременно тестировать несколько крыс. Кроме того, в отличие от других версий этой автоматизированной задачи19,адаптация этой парадигмы требует всего 3 дней обучения и включает в себя эффективный запрограммированный анализ данных.
Усиливает ли стресс или ухудшает когнитивную функцию, зависит от типа, интенсивности и продолжительности стрессора, а также от времени действия стрессора в отношении обучения или выполнения когнитивной задачи20,21. Таким образом, протокол включает в себя стрессовые процедуры как до, так и после оперантной тренировки. В нем также рассматриваются репрезентативные результаты стрессовых исследований. Кроме того, области мозга, лежащие в основе конкретных аспектов смещениямножеств,были хорошо установлены2,16,22; таким образом, в докладе также описывается, как нацеливаться и оценивать конкретные области мозга во время или после процедур изменения стресса и стратегии.
Были проведены ограниченные исследования по непосредственному изучению половых различий в когнитивной гибкости18,23. Протокол описывает, как 1) включить как самцов, так и самок крыс в экспериментальную парадигму, а затем 2) отслеживать эструсные циклы до и во время процедур у свободно циклических самок. Предыдущие исследования показали, что стресс перед оперантной тренировкой может привести к специфическому для пола дефициту когнитивной гибкости у крыс17. В частности, самки крыс демонстрируют нарушения когнитивной гибкости после стресса, тогда как когнитивная гибкость улучшается у самцов крыс после стресса17. Интересно, что основным признаком психических расстройств, связанных со стрессом, которые имеют склонность к сексу у людей, является когнитивная негибкость. Эти результаты свидетельствуют о том, что женщины могут быть более уязвимы к этому типу когнитивных нарушений, чем мужчины. Использование этих методов на животных моделях проложит свет на влияние стресса на мозг и на то, как он ухудшает познание при психических расстройствах у людей.
Protocol
Representative Results
Discussion
Протокол демонстрирует, как измерить влияние стресса на когнитивные функции. В частности, модифицированная парадигма изменения оперантной стратегии используется у грызунов, которая измеряет когнитивную гибкость (аналогичную задаче сортировки карт Висконсина у людей)1. К…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы хотели бы поблагодарить Ханну Замор, Эмили Сакс и Джоша Сирла за их помощь в установлении этой парадигмы изменения оперантной стратегии в лаборатории Графа. Они также хотели бы поблагодарить Кевина Снайдера за его помощь с кодом MATLAB для анализа.
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).
