Évaluation des changements dans la plasticité synaptique à l’aide d’un modèle éveillé de traumatisme crânien traumatique léger

Summary

Ici, il est démontré comment un modèle de traumatisme crânien fermé éveillé peut être utilisé pour examiner les effets des lésions cérébrales traumatiques légères répétées (r-mTBI) sur la plasticité synaptique dans l’hippocampe. Le modèle reproduit des caractéristiques importantes du r-mTBI chez les patients et est utilisé conjointement avec l’électrophysiologie in vitro .

Abstract

Les traumatismes crâniens légers (TCC) sont un problème de santé répandu en Amérique du Nord. Il y a une pression croissante pour utiliser des modèles écologiquement valides de TCL à tête fermée dans le contexte préclinique afin d’accroître la translatabilité à la population clinique. Le modèle de lésion à tête fermée éveillée (ACHI) utilise un impacteur cortical contrôlé modifié pour administrer une blessure à tête fermée, induisant des déficits comportementaux cliniquement pertinents sans avoir besoin d’une craniotomie ou de l’utilisation d’un anesthésique.

Cette technique n’induit normalement pas de décès, de fractures du crâne ou de saignements cérébraux, et est plus compatible avec une blessure légère. En effet, la nature légère de la procédure ACHI la rend idéale pour les études portant sur les TCL répétitifs (r-mTBI). De plus en plus de preuves indiquent que le r-mTBI peut entraîner une blessure cumulative qui produit des symptômes comportementaux, des changements neuropathologiques et une neurodégénérescence. Le TCLm r est fréquent chez les jeunes qui pratiquent des sports, et ces blessures surviennent pendant une période de réorganisation synaptique robuste et de myélinisation, ce qui rend la population plus jeune particulièrement vulnérable aux influences à long terme du TCL-r.

En outre, le TCLm se produit dans les cas de violence entre partenaires intimes, une condition pour laquelle il existe peu de mesures de dépistage objectives. Dans ces expériences, la fonction synaptique a été évaluée dans l’hippocampe chez des rats juvéniles qui avaient subi un TCL-r à l’aide du modèle ACHI. Après les blessures, une trancheuse tissulaire a été utilisée pour fabriquer des tranches d’hippocampe afin d’évaluer la plasticité synaptique bidirectionnelle dans l’hippocampe 1 ou 7 jours après le r-mTBI. Dans l’ensemble, le modèle ACHI fournit aux chercheurs un modèle écologiquement valide pour étudier les changements dans la plasticité synaptique après un TCL et un TCLr.

Introduction

Les traumatismes crâniens (LCT) constituent un problème de santé important, avec ~2 millions de cas au Canada et aux États-Unis chaque année ^1,2. Les traumatismes crâniens touchent tous les groupes d’âge et tous les sexes et ont un taux d’incidence supérieur à toute autre maladie, notamment le cancer du sein, le sida, la maladie de Parkinson et la sclérose en plaques³. Malgré la prévalence des traumatismes crâniens, leur physiopathologie reste mal comprise et les options de traitement sont limitées. Cela s’explique en partie par le fait que 85 % de tous les traumatismes crâniens sont classés comme légers (TCLm) et que l’on pensait auparavant que les TCL ne produisaient que des changements comportementaux limités et transitoires sans conséquences neuropsychiatriques à long terme ^4,5. Il est maintenant reconnu que la récupération des TCL peut prendre des semaines^{à 5,6} ans, précipiter des affections neurologiques plus graves^4, et que même des impacts répétés « sous-commotionnels » affectent le cerveau⁷. C’est alarmant, car les athlètes dans des sports tels que le hockey / football ont >10 impacts subcommotionnels à la tête par match / séance d’entraînement 7,8,9,10.

Les adolescents ont la plus forte incidence de traumatismes crâniens et, au Canada, environ un adolescent sur 10 consultera un médecin chaque année pour une commotion cérébrale liée au sport^11,12. En réalité, tout impact sous-commotionnel à la tête ou TCL peut causer des dommages diffus au cerveau, ce qui pourrait également créer un état plus vulnérable pour des blessures ultérieures et / ou des affections neurologiques plus graves ^{13,14,15,16,17}. Au Canada, il est reconnu légalement par la loi de Rowan que les blessures antérieures peuvent accroître la vulnérabilité du cerveau à d’autres lésions¹⁸, mais la compréhension mécaniste du TCLm en r-m demeure terriblement inadéquate. Il est clair, cependant, que le TCLm unique et le TCL-r peuvent avoir un impact sur la capacité d’apprentissage au cours des années scolaires^19,20, avoir des résultats spécifiques au sexe 21,22,23,2 ⁴ et nuire à la capacité cognitive plus tard dans la vie ^16,25,26. En effet, les analyses de cohorte associent fortement le r-mTBI tôt dans la vie à la démence plus tard^27,28. Le TCL-r est également potentiellement associé à l’encéphalopathie traumatique chronique (ETC), caractérisée par l’accumulation de protéine tau hyperphosphorylée et une atrophie corticale progressive et précipitée par une inflammation importante 27,29,30,31. Bien que les liens entre le TCLm et le CTE soient actuellement controversés³², ce modèle permettra de les explorer plus en détail dans un contexte préclinique.

Un TCL est souvent décrit comme une « blessure invisible », car il se produit dans un crâne fermé et est difficile à détecter, même avec des techniques d’imagerie modernes^33,34. Un modèle expérimental précis de TBI doit adhérer à deux principes. Tout d’abord, il devrait récapituler les forces biomécaniques normalement observées dans la population clinique³⁵. Deuxièmement, le modèle devrait induire des résultats comportementaux hétérogènes, ce qui est également très répandu dans les populations cliniques^36,37,38. Actuellement, la majorité des modèles précliniques ont tendance à être plus sévères, impliquant une craniotomie, un appuie-tête stéréotaxique, une anesthésie et des impacts corticaux contrôlés (ICC) qui produisent des dommages structurels importants et des déficits comportementaux plus importants que ceux normalement observés cliniquement³³. Une autre préoccupation avec de nombreux modèles précliniques de commotion cérébrale qui impliquent des craniotomies est que cette procédure elle-même crée une inflammation dans le cerveau, ce qui peut exacerber les symptômes du TCL et la neuropathologie de toute blessure ultérieure^39,40. L’anesthésie introduit également plusieurs facteurs de confusion complexes, notamment la réduction de l’inflammation 41,42,43, la modulation de la fonction microgliale 44, la libération de glutamate⁴⁵, l’entrée de Ca²⁺ par les récepteurs NMDA 46^, la pression intracrânienne et le métabolisme cérébral ⁴⁷. L’anesthésie introduit en outre des confusions en augmentant la perméabilité de la barrière hémato-encéphalique (BHE), l’hyperphosphorylation tau et les niveaux de corticostéroïdes, tout en réduisant la fonction cognitive 48,49,50,51. De plus, les traumatismes crâniens diffus et fermés représentent la grande majorité des TCL cliniques⁵². Ils permettent également de mieux étudier la multitude de facteurs qui peuvent influencer les résultats comportementaux, y compris le sexe²¹, l’âge 53, l’intervalle inter-blessures¹⁵, la gravité⁵⁴ et le nombre de blessures²³.

La direction des forces accélératives / décélératives (verticales ou horizontales) est également une considération importante pour les résultats comportementaux et moléculaires. Les recherches de Mychasiuk et de ses collègues ont comparé deux modèles de TCL diffus à tête fermée : la perte de poids (forces verticales) et l’impact latéral (forces horizontales)^55. Les analyses comportementales et moléculaires ont révélé des résultats hétérogènes dépendants du modèle et du sexe après un TCL. Ainsi, les modèles animaux qui aident à éviter les interventions chirurgicales, tout en incorporant des forces linéaires et rotationnelles, sont plus représentatifs des conditions physiologiques dans lesquelles ces blessures surviennent normalement^33,56. Le modèle ACHI a été créé en réponse à ce besoin, permettant l’induction rapide et reproductible de TCL chez le rat tout en évitant les procédures (c.-à-d. l’anesthésie) connues pour biaiser les différences entre les sexes⁵⁷.

Protocol

L’approbation de toutes les procédures relatives aux animaux a été donnée par le Comité de protection des animaux de l’Université de Victoria, conformément aux normes du Conseil canadien de protection des animaux (CCPA). Tous les rats Long-Evans mâles ont été élevés à l’interne ou achetés (voir le tableau des matériaux). 1. Conditions de logement et d’élevage Laisser les animaux s’acclimater à leur environnement de logement…

Representative Results

Le modèle de traumatisme crânien fermé éveillé est une méthode viable pour induire un TCLr-m chez les rats juvéniles. Les rats exposés au r-mTBI avec le modèle ACHI n’ont pas montré de déficits comportementaux manifestes. Les sujets de ces expériences n’ont présenté aucune latence à droite ou apnée à aucun moment de la procédure r-mTBI, ce qui indique qu’il s’agissait bien d’une procédure TBI légère. Des différences comportementales subtiles sont apparues dans le PAN; Comme décrit ci-dess…

Discussion

La plupart des recherches précliniques ont utilisé des modèles de TCL qui ne récapitulent pas les forces biomécaniques observées dans la population clinique. Ici, il est montré comment le modèle ACHI peut être utilisé pour induire des r-mTBI chez les rats juvéniles. Ce modèle fermé de r-mTBI présente des avantages significatifs par rapport aux procédures plus invasives. Premièrement, l’ACHI ne provoque normalement pas de fractures du crâne, de saignements cérébraux ou de décès, qui seraient tous de…

Materials

3D-printed helment			Designed and constructed by Christie laboratory (See Specifications in Christie et al. (2019), Current Protocols in Neuroscience)
Agarose	Fisher Scientific (BioReagents)	BP160500
Anesthesia chamber	Home Made	N/A	Plexiglass Container
Automatic Heater Controller	Warner Electric	TC-324B
Axon Digidata	Molecular Devices	1440A	Low-noise Data Acquisition System
Balance beam			Can be constructed or purchased (100 cm long x 2 cm wide x 0.75 cm thick)
Calcium Chloride	Bio Basic Canada Inc.	CD0050	For aCSF
Camera	Dage MTI	NC-70
Carbogen tank	Praxair	MM OXCD5C-K	Carbon Dioxide 5%, Oxygen 95%
Clampex Software	Molecular Devices	Clampex 10.5 Version
Compresstome Vibrating Microtome	Precisionary	VF 310-0Z
Concentric Bipolar Electrode	FHC Inc.	CBAPC75
Dextrose (D-Glucose)	Fisher Scientific (Chemical)	D16-3	aCSF
Digital Stimulus Isolation Amplifier	Getting Instruments, Inc.	Model 4D
Disodium Phosphate	Fisher Scientific (Chemical)	S373-500	PBS
Dissection Tools
Feather Double Edge Blade	Electron Microscopy Sciences	72002-10
Filter Paper	Whatman 1	1001-055
Flaming/Brown Micropipette Puller	Sutter Instrument	P-1000
Hair Claw Clip			Can be obtained from any department store
Home and Recovery Cages			Normal rat cages from animal care unit.
Hum Bug Noise Eliminator	Quest Scientific	726300
Isoflurane USP	Fresenius Kabi	CP0406V2
Isotemp 215 Digital Water Bath	Fisher Scientific	15-462-15
Leica Impact One CCI unit	Leica Biosystems		Tip is modified to hold 7mm rubber impact tip
Long-Evans rats, male	Charles River Laboratories (St. Constant, PQ)
Low-Density Foam Pad			3" polyurethane foam sheet
Magnesium Chloride	Fisher Scientific (Chemical)	M33-500	aCSF
Male Long Evans Rats	Charles River Laboratories		Animals ordered from Charles River Laboratories, or pups bred at the University of Victoria
MultiClamp 700B Amplifier	Molecular Devices	Model 700B
pH Test Strips	VWR Chemicals BDH	BDH83931.601
Potassium Chloride	Fisher Scientific (Chemical)	P217-500	aCSF, PBS
Potassium Phosphate	Sigma	P9791-500G	PBS
Push Button Controller	Siskiyou Corporation	MC1000e	Four-axis Closed Loop Controller Push-Button
Sample Discs	ELITechGroup	SS-033	For use with Vapor Pressure Osmometer
Small towel
Sodium Bicarbonate	Fisher Scientific (Chemical)	S233-500	aCSF
Sodium Chloride	Fisher Scientific (Chemical)	S271-3	For aCSF, PBS
Sodium Phosphate	Fisher Scientific (Chemical)	S369-500	aCSF
Soft Plastic Restraint Cones	Braintree Scientific	model DC-200
Stopwatch			Many lab members use their iPhone for this
Table or large cart with raised edges			For NAP and ACHI
Thin Wall Borosilicate Glass (with Filament)	Sutter Instrument	BF150-110-10	Outside diameter: 1.5 mm; Inside diameter: 1.10 mm; Length: 10 cm
Upright Microscope	Olympus	Olympus BX5OWI	5x MPlan 0.10 NA Objective lens
Vapor Pressure Osmometer	Vapro	Model 5600	aCSF should be 300-310 mOSM
Vetbond Tissue Adhesive	3M	1469SB
Vibraplane Vibration Isolation Table	Kinetic Systems	9101-01-45