Evaluación de los efectos del estrés en la flexibilidad cognitiva utilizando un paradigma de cambio de estrategia operante
Summary
Los eventos estresantes de la vida perjudican la función cognitiva, lo que aumenta el riesgo de trastornos psiquiátricos. Este protocolo ilustra cómo el estrés afecta la flexibilidad cognitiva utilizando una estrategia operante automatizada que cambia el paradigma en ratas Sprague Dawley macho y hembra. Se discuten áreas específicas del cerebro que subyacen a comportamientos particulares y se explora la relevancia traslacional de los resultados.
Abstract
El estrés afecta la función cognitiva. Si el estrés mejora o deteriora la función cognitiva depende de varios factores, incluyendo el 1) tipo, intensidad y duración del factor estresante; 2) tipo de función cognitiva en estudio; y 3) el momento del factor estresante en relación con el aprendizaje o la ejecución de la tarea cognitiva. Además, las diferencias de sexo entre los efectos del estrés en la función cognitiva han sido ampliamente documentadas. Aquí se describe una adaptación de una estrategia operante automatizada que cambia el paradigma para evaluar cómo las variaciones en el estrés afectan la flexibilidad cognitiva en ratas Sprague Dawley macho y hembra. Específicamente, el estrés de restricción se utiliza antes o después del entrenamiento en esta tarea basada en el operante para examinar cómo el estrés afecta el rendimiento cognitivo en ambos sexos. Las áreas cerebrales particulares asociadas con cada tarea en este paradigma automatizado han sido bien establecidas (es decir, la corteza prefrontal medial y la corteza orbitofrontal). Esto permite manipulaciones dirigidas durante el experimento o la evaluación de genes y proteínas particulares en estas regiones al completar el paradigma. Este paradigma también permite la detección de diferentes tipos de errores de rendimiento que ocurren después del estrés, cada uno de los cuales tiene sustratos neuronales definidos. También se identifican diferencias de sexo distintas en los errores perseverantes después de un paradigma de estrés de restricción repetido. El uso de estas técnicas en un modelo preclínico puede revelar cómo el estrés afecta al cerebro y afecta la cognición en trastornos psiquiátricos, como el trastorno de estrés postraumático (TEPT) y el trastorno depresivo mayor (TDM), que muestran marcadas diferencias de sexo en la prevalencia.
Introduction
En los seres humanos, los eventos estresantes de la vida pueden afectar la función cognitiva (es decir, la flexibilidad cognitiva1),lo que denota la capacidad de adaptar las estrategias de procesamiento cognitivo para enfrentar nuevas condiciones en el entorno2. El deterioro de la cognición precipita y exacerba muchos trastornos psiquiátricos, como el trastorno de estrés postraumático (TEPT) y el trastorno depresivo mayor (TDM)3,4. Estos trastornos son dos veces más prevalentes en las mujeres5,6,7,8,sin embargo, la base biológica de esta disparidad sigue siendo desconocida. Los aspectos del funcionamiento ejecutivo en humanos se pueden evaluar utilizando la Wisconsin Card Sorting Task, una demostración de flexibilidad cognitiva2. El rendimiento en esta tarea se ve afectado en pacientes con TEPT9 y MDD10,pero la base neuronal de este cambio solo puede ser examinada por imágenes cerebrales11.
Los avances en la comprensión de cómo el estrés afecta al cerebro se han logrado a través del uso de modelos animales, particularmente roedores. Como la flexibilidad cognitiva se ve afectada en las enfermedades relacionadas con el estrés, es un fenotipo excepcionalmente relevante para examinar en roedores. Hasta la fecha, la mayoría de la literatura de neurobiología del estrés ha utilizado un paradigma alternativo de flexibilidad cognitiva (a veces denominado la tarea de excavación)12,13,14,15. Si bien esta tarea ha sido ampliamente examinada, requiere más tiempo y esfuerzo por parte del experimentador para entrenar roedores. Adaptado y descrito aquí es un protocolo automatizado de cambio de conjunto bien establecido16 para evaluar la flexibilidad cognitiva en ratas Sprague Dawley macho y hembra utilizando varios modelos de estrés17,18. El procedimiento requiere una supervisión mínima por parte del experimentador y permite que múltiples ratas sean probadas simultáneamente. Además, a diferencia de otras versiones de esta tarea automatizada19,la adaptación de este paradigma solo requiere 3 días de entrenamiento e incluye un eficiente análisis de datos programados.
Si el estrés mejora o deteriora la función cognitiva depende del tipo, la intensidad y la duración del factor estresante, así como del momento del factor estresante en relación con el aprendizaje o la ejecución de una tarea cognitiva20,21. Así, el protocolo incorpora procedimientos de estrés tanto antes como después del entrenamiento operante. También examina los resultados representativos de los estudios de estrés. Además, las regiones cerebrales subyacentes a aspectos particulares del cambio de conjuntos han sido bien establecidas2,16,22; por lo tanto, el informe también describe cómo apuntar y evaluar regiones cerebrales particulares durante o después de los procedimientos de cambio de estrés y estrategia.
Ha habido investigaciones limitadas sobre el examen directo de las diferencias sexuales en la flexibilidad cognitiva18,23. El protocolo describe cómo 1) incorporar ratas macho y hembra en el paradigma experimental, luego 2) rastrear ciclos estrales antes y durante los procedimientos en hembras que pedalean libremente. Estudios previos han indicado que el estrés antes del entrenamiento operante puede conducir a déficits específicos del sexo en la flexibilidad cognitiva enratas 17. En particular, las ratas hembra exhiben interrupciones en la flexibilidad cognitiva después del estrés, mientras que la flexibilidad cognitiva mejora en las ratas macho después del estrés17. Curiosamente, un sello distintivo importante de los trastornos psiquiátricos relacionados con el estrés, que tienen una incidencia sesgada por el sexo en los seres humanos, es la inflexibilidad cognitiva. Estos resultados sugieren que las mujeres pueden ser más vulnerables a este tipo de deterioro cognitivo que los hombres. El uso de estas técnicas en modelos animales arrojará luz sobre los efectos del estrés en el cerebro y cómo afecta la cognición en los trastornos psiquiátricos en humanos.
Protocol
Representative Results
Discussion
El protocolo demuestra cómo medir los efectos del estrés en la función cognitiva. Específicamente, se utiliza un paradigma de cambio de estrategia operante modificada en roedores, que mide la flexibilidad cognitiva (análoga a la Wisconsin Card Sorting Task en humanos)1. La flexibilidad cognitiva denota la capacidad de adaptar las estrategias de procesamiento cognitivo para enfrentar nuevas condiciones en el entorno, y es crucial para el funcionamiento diario normal2. C…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores desean agradecer a Hannah Zamore, Emily Saks y Josh Searle por su ayuda en el establecimiento de esta estrategia operante que cambia el paradigma en el laboratorio grafe. También les gustaría agradecer a Kevin Snyder por su ayuda con el código de MATLAB para el análisis.
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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