Waiting
Elaborazione accesso...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

Vurdering af ændringer i synaptisk plasticitet ved hjælp af en vågen lukket hovedskademodel af mild traumatisk hjerneskade

Published: January 20, 2023 doi: 10.3791/64592
Automatic Translation
1,2, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1
1Division of Medical Sciences, University of Victoria, 2Island Medical Program, University of British Columbia

Summary

Her demonstreres det, hvordan en vågen lukket hovedskademodel kan bruges til at undersøge effekterne af gentagen mild traumatisk hjerneskade (r-mTBI) på synaptisk plasticitet i hippocampus. Modellen replikerer vigtige træk ved r-mTBI hos patienter og bruges sammen med in vitro elektrofysiologi.

Abstract

Milde traumatiske hjerneskader (mTBI'er) er et udbredt sundhedsproblem i Nordamerika. Der er stigende pres for at bruge økologisk gyldige modeller af lukket mTBI i den prækliniske indstilling for at øge oversætteligheden til den kliniske population. Den vågne lukkede hovedskade (ACHI) model bruger en modificeret kontrolleret kortikal slaglegeme til at levere lukket hovedskade, hvilket inducerer klinisk relevante adfærdsmæssige underskud uden behov for kraniotomi eller brug af bedøvelse.

Denne teknik fremkalder normalt ikke dødsfald, kraniebrud eller hjerneblødninger og er mere i overensstemmelse med at være en mild skade. Faktisk gør den milde karakter af ACHI-proceduren den ideel til undersøgelser, der undersøger gentagne mTBI (r-mTBI). Voksende beviser tyder på, at r-mTBI kan resultere i en kumulativ skade, der producerer adfærdsmæssige symptomer, neuropatologiske ændringer og neurodegeneration. r-mTBI er almindelig hos unge, der dyrker sport, og disse skader opstår i en periode med robust synaptisk reorganisering og myelinisering, hvilket gør den yngre befolkning særlig sårbar over for de langsigtede påvirkninger af r-mTBI.

Endvidere forekommer r-mTBI i tilfælde af intim partnervold, en tilstand, for hvilken der er få objektive screeningsforanstaltninger. I disse eksperimenter blev synaptisk funktion vurderet i hippocampus hos unge rotter, der havde oplevet r-mTBI ved hjælp af ACHI-modellen. Efter skaderne blev en vævsskærer brugt til at lave hippocampale skiver til evaluering af tovejs synaptisk plasticitet i hippocampus enten 1 eller 7 dage efter r-mTBI. Samlet set giver ACHI-modellen forskere en økologisk gyldig model til at studere ændringer i synaptisk plasticitet efter mTBI og r-mTBI.

Introduction

Traumatisk hjerneskade (TBI) er et betydeligt sundhedsproblem med ~ 2 millioner tilfælde i Canada og USA hvert år 1,2. TBI påvirker alle aldersgrupper og køn og har en forekomst, der er større end nogen anden sygdom, især brystkræft, aids, Parkinsons sygdom og multipel sklerose3. På trods af forekomsten af TBI forbliver dens patofysiologi dårligt forstået, og behandlingsmulighederne er begrænsede. Det skyldes til dels, at 85% af alle TBI'er klassificeres som milde (mTBI), og mTBI har tidligere været anset for kun at producere begrænsede og forbigående adfærdsændringer uden langsigtede neuropsykiatriske konsekvenser 4,5. Det er nu anerkendt, at mTBI-genopretning kan tage uger til år5,6, udfælde mere alvorlige neurologiske tilstande4, og at selv gentagne "sub-hjernerystelses-påvirkninger" påvirker hjernen7. Dette er alarmerende, da atleter i sportsgrene som hockey / fodbold har > 10 hoved sub-hjernerystelse påvirkninger pr. Kamp / træningssession 7,8,9,10.

Unge har den højeste forekomst af mTBI, og i Canada vil omkring en ud af 10 teenagere søge lægehjælp for en sportsrelateret hjernerystelse årligt11,12. I virkeligheden kan enhver sub-hjernerystelse hovedstød eller mTBI forårsage diffus skade på hjernen, og dette kan også skabe en mere sårbar tilstand for efterfølgende skader og / eller mere alvorlige neurologiske tilstande 13,14,15,16,17. I Canada anerkendes det juridisk via Rowans lov, at tidligere skade kan øge hjernens sårbarhed over for yderligere skade18, men mekanistisk forståelse af r-mTBI forbliver sørgeligt utilstrækkelig. Det er imidlertid klart, at single og r-mTBI kan påvirke læringskapaciteten i skoleårene 19,20, have kønsspecifikke resultater 21,22,23,2 4 og forringe kognitiv kapacitet senere i livet16,25,26. Faktisk forbinder kohorteanalyser stærkt r-mTBI tidligt i livet med demens senere på27,28. r-mTBI er også potentielt forbundet med kronisk traumatisk encefalopati (CTE), som er karakteriseret ved akkumulering af hyperphosphoryleret tau-protein og progressiv kortikal atrofi og udfældet af signifikant inflammation 27,29,30,31. Selvom forbindelserne mellem r-mTBI og CTE i øjeblikket er kontroversielle32, vil denne model gøre det muligt at udforske dem mere detaljeret i en præklinisk indstilling.

En mTBI beskrives ofte som en "uset skade", da den forekommer i et lukket kranium og er vanskelig at opdage selv med moderne billeddannelsesteknikker33,34. En nøjagtig eksperimentel model af mTBI bør overholde to principper. For det første bør den rekapitulere de biomekaniske kræfter, der normalt observeres i den kliniske population35. For det andet skal modellen fremkalde heterogene adfærdsmæssige resultater, noget der også er meget udbredt i kliniske populationer36,37,38. I øjeblikket har de fleste prækliniske modeller tendens til at være mere alvorlige, der involverer kraniotomi, stereotaksisk nakkestøtte, anæstesi og kontrollerede kortikale påvirkninger (CCI), der producerer betydelige strukturelle skader og mere omfattende adfærdsmæssige underskud end normalt observeret klinisk33. En anden bekymring med mange prækliniske modeller af hjernerystelse, der involverer kraniotomier, er, at denne procedure i sig selv skaber betændelse i hjernen, og dette kan forværre mTBI-symptomer og neuropatologi fra enhver efterfølgende skade39,40. Anæstesi introducerer også flere komplekse confounds, herunder reduktion af inflammation 41,42,43, modulerende mikroglial funktion44, glutamatfrigivelse 45, Ca2+ indgang gennem NMDA-receptorer46, intrakranielt tryk og cerebral metabolisme 47. Anæstesi introducerer yderligere confounds ved at øge blod-hjerne-barrieren (BBB) permeabilitet, tau-hyperphosphorylering og kortikosteroidniveauer, samtidig med at kognitiv funktion reduceres 48,49,50,51. Derudover udgør diffuse, lukkede hovedskader langt størstedelen af kliniske mTBI'er52. De giver også en mulighed for bedre at studere de mange faktorer, der kan påvirke adfærdsmæssige resultater, herunder køn21,53 år, interskadeinterval15, sværhedsgrad54 og antallet af skader23.

Retningen af de accelererende/decelerative kræfter (lodret eller vandret) er også en vigtig overvejelse for adfærdsmæssige og molekylære resultater. Forskning fra Mychasiuk og kolleger har sammenlignet to modeller af diffus lukket mTBI: vægtfald (lodrette kræfter) og lateral påvirkning (vandrette kræfter)55. Både adfærdsmæssige og molekylære analyser afslørede heterogene model- og kønsafhængige resultater efter mTBI. Således er dyremodeller, der hjælper med at undgå kirurgiske procedurer, samtidig med at de inkorporerer lineære og roterende kræfter, mere repræsentative for de fysiologiske forhold, hvorunder disse skader normalt forekommer33,56. ACHI-modellen blev oprettet som reaktion på dette behov, hvilket muliggør hurtig og reproducerbar induktion af mTBI hos rotter, samtidig med at man undgår procedurer (dvs. anæstesi), der vides at skævvride kønsforskelle57.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Godkendelse af alle dyreforsøg blev givet af University of Victoria Animal Care Committee i overensstemmelse med Canadian Council on Animal Care (CCAC) standarder. Alle Long-Evans-hanrotter blev opdrættet internt eller købt (se materialetabellen).

1. Opstaldnings- og avlsforhold

  1. Lad dyrene vænne sig til deres staldmiljø i 1 uge før fravænning på postnatal dag (PND) 21.
  2. Rotterne holdes i standardburhuse ved 22,5 °C ± 2,5 °C med ad libitum adgang til foder og vand i en 12 timers lys/mørk cyklus.
  3. Gruppér og opstald dyrene med to eller tre kønsmatchede kuldkammerater, og tildel dem tilfældigt til enten falske eller r-mTBI-forhold.
  4. Udfør alle procedurer mellem 7:30 og 23:30.

2. Opsætning af vågen lukket hovedskadeprocedure

  1. Placer en 2,75 tommer. Skumpude med lav densitet (100 cm x 15 cm x 7 cm) under slaglegemet for at muliggøre rotationshovedbevægelse.
    BEMÆRK: Skumpuden havde en fjederkonstant på ~2.500 N/m, men kan variere mellem 3.100 og 5.600 N/m58. Fasthedsniveauet (lavt, middel og højt) har ikke vist sig at forudsige skadesudfaldet59. Skumpuden er et ikke-forbrugsmateriale. Det udskiftes normalt årligt, eller hvis det er snavset eller beskadiget.
  2. Tænd for den modificerede kortikale slaganordning (figur 1A), og indstil hastigheden til 6 m/s.
    BEMÆRK: Disse specifikationer er designet til at fremkalde akut neurologisk svækkelse hos unge og unge rotter, der svarer til træk ved en mTBI, men sådanne parametre er muligvis ikke egnede til ældre dyr eller andre arter (f.eks. Mus eller fritter). For en gennemgang af almindelige ACHI-parametre, se60.

3. Induktion af mTBI

  1. Når rotterne når PND 24, skal du flytte dem ind i procedurerummet, hvor procedurerne skal udføres. Sørg for, at dette rum er adskilt fra deres normale boligmiljø.
  2. Placer forsigtigt rotten i en fastholdelseskegle, og sørg for, at snuden og næseborene er tæt på keglens lille åbning for at give tilstrækkelig ventilation. Brug en plastikhårklemme til at holde keglen lukket i den kaudale ende for at forhindre bevægelse, når rotten er placeret i fastholdelseskeglen.
    1. Brug fastholdelsesscorer til at registrere dyrenes overholdelse eller tolerance med fastholdelseskeglen og ACHI-proceduren.
      BEMÆRK: Fastholdelsesscoren kan bruges som en vurdering af stress hos dyrene. Således kan eksklusionskriterier udvikles ved hjælp af fastholdelsesscoren for at reducere variabilitet mellem emner, der opstår på grund af et overdreven stressrespons.
      1. Giv en score fra 0 til 4 baseret på dyrets vilje til at komme ind i keglen, deres bevægelser og vokaliseringer. Giv en score på 0, hvis der ikke er nogen modstand mod fastholdelsen, mens en score på 1 svarer til, at dyret drejer 1-2x og lidt eller ingen vokalisering eller squirming. Giv en score på 2, hvis dyret er vendt 2-3x og udviser en vis vokalisering eller squirming. Giv en fastholdelsesscore på 3, hvis dyret er blevet 5-10x og udviser flere vokaliseringer og squirming. Endelig skal du give en score på 4, hvis dyret er vendt mere end 10x med hyppige vokaliseringer og squirming.
        BEMÆRK: Disse oplysninger findes også på selve pointarket (supplerende tabel S1 og supplerende tabel S2).
  3. Mens rotten er fastholdt, placeres hjelmen (figur 1B) manuelt over midterlinjen med målskiven over venstre parietallap (figur 1C, D).
  4. Placer rotten på skumpuden, og indstil slaglegemet manuelt til positionen Forlæng . Sænk slaglegemets spids manuelt, så den kommer i kontakt med målskiven på hjelmen. Indstil slaglegemet manuelt til positionen Træk dig tilbage, så slaglegemet trækkes 10 mm over hjelmen.
  5. Brug drejeknappen på stereotaksarmen til at sænke slagspidsen med 10 mm, så den igen berører målskiven på hjelmen. Drej slagkontakten , så dyrets hoved hurtigt accelereres i 10 mm ved 6 m/s.
  6. Når anordningen er aktiveret, fjernes dyret straks fra fastholdelseskeglen og udføres straks en protokol for neurologisk vurdering (NAP).
    BEMÆRK: For de nuværende eksperimenter blev denne protokol gentaget otte gange i alt med 2 timers intervaller.

4. Iværksættelse af proformaskade

  1. Følg alle forsøgsprocedurer som beskrevet ovenfor i afsnit 3, men placer rotten ved siden af slagstemplets bane, så der ikke opstår skade.

5. Protokol for neurologisk vurdering

BEMÆRK: NAP kan bruges til at måle bevidsthedsniveauet samt kognitiv og sensorimotorisk funktion.

  1. Ved baseline og umiddelbart efter induktion af mTBI eller skinskade vurderes rotterne ved hjælp af NAP som beskrevet i56,61. På et bord placeres rotternes hjemmebur og et genopretningsbur med en afstand på 100 cm fra hinanden. Centrer balancebjælken jævnt oven på begge bure. Derudover skal du placere et foldet håndklæde eller ekstra dæmpning under vægtbjælken.
  2. Vurder om nødvendigt bevidsthedsniveauet. Hvis dyr ikke reagerer efter mTBI, skal du vurdere apnø (ophør af vejrtrækning) og enhver forsinkelse i oprettende refleks ved hjælp af et stopur til at registrere den tid, det tager for dyret at genoptage vejrtrækningen og / eller rette sig fra en liggende til den udsatte position.
    BEMÆRK: Tab af oprettende refleks og apnø er sjældne med ACHI-modellen, men de kan lejlighedsvis observeres hos unge dyr.
  3. Vurder rottens kognitive og sensorimotoriske funktion ved hjælp af følgende sekvens af tests. Administrer disse tests hurtigt efter hinanden efter bevidsthedsvurderingen.
    BEMÆRK: Summen af disse fire tests giver en samlet score ud af 12, hvis der ikke er observerede adfærdsmæssige underskud. Underskud forringer denne score.
    1. Forskrækket svar
      1. Placer rotten i det tomme genopretningsbur og klap højt (50 cm) over buret. Dyrets reaktion på støjen registreres ved hjælp af følgende pointsystem:
        3 = Hurtig startreaktion på lyd (f.eks. ørebevægelse/trækninger, spring, hele kroppen fryser).
        2 = Langsom reaktion eller let frysende reaktion på lyd.
        1 = Kun observerede ørebevægelser.
        0 = Ingen reaktion på lyd.
    2. Limb forlængelse
      1. Med bjælken (100 cm lang x 2 cm bred x 0,75 cm tyk) placeret vandret over rottens hjem og genopretningsbure, skal du samle rotten op ved bunden af halen og holde den tæt på bjælken. Sørg for, at rotten er tæt nok til let at kunne gribe den. Vurder rottens evne til at strække begge lemmer ud til bjælken med følgende scoringssystem:
        3 = Fuld forlængelse af begge forben og griber fat i bjælken.
        2 = Kun en lem forlænges.
        1 = Intermitterende forlængelse eller tilbagetrækning af forbenene.
        0 = Forbenene er halte/ingen forlængelse.
    3. Beam gåtur
      1. Placer dyret i midten af den vandrette stråle ved 50 cm-mærket, der vender mod sit hjemmebur. Sørg for, at bjælken er ligeligt mellem rottens hjemmebur og genopretningsbur (placeret ~80 cm fra hinanden). Lad rotten gå over bjælken. Vurder rottens evne til at balancere og gå med følgende pointsystem:
        3 = Går med succes over bjælken med mindre end to fodglider inden for 10 s.
        2 = Går med succes bjælken, men mere end to fodglider observeres.
        1 = Ikke-lokomotivbevægelse, 'svømmende' bevægelse.
        0 = Kan ikke gå langs bjælken eller kan ikke bevæge sig inden for 10 s.
    4. Roterende bjælke
      1. Placer rotten i midten af bjælken, og sørg for, at rotten er afbalanceret. Løft strålen 80 cm over et håndklæde eller en polstret overflade, og begynd manuelt at rotere strålen med en hastighed på en rotation pr. sekund i 4 s (i alt fire rotationer). Vurder rottens evne til at forblive på strålen, når den roterer med følgende pointsystem:
        3 = Rotten forbliver på bjælken i alle fire rotationer.
        2 = Rotte falder på den fjerde rotation.
        1 = Rotte falder på anden eller tredje rotation.
        0 = Rotten falder under den første rotation.
  4. Når NAP er afsluttet, skal du returnere mTBI og falske rotter til deres hjemmebure. Gentag efter behov for r-mTBI-procedurer. Overvåg dyrenes velfærd efter skader ved hjælp af tjeklisten til overvågning ved bursiden (supplerende fil 1). Hvis der er tegn på abnormitet (enhver score, der ikke er N) under overvågning på bursiden, skal der tages en fuld smertescore med smerteskalaen og tjeklisten for avanceret overvågning efter hovedstød (supplerende fil 2).

6. Skær forberedelse

BEMÆRK: I det aktuelle studie blev synaptisk plasticitet vurderet hos dyr, der fulgte r-mTBI enten 1 eller 7 dage efter mTBI. På disse dage blev dyrene bragt individuelt ind i laboratoriet i overdækkede bure inden aflivning.

  1. Opbevares i køleskab (-20 °C) natten over alle kirurgiske værktøjer (figur 2A), der kræves til fremstilling af hippocampale skiver: standardsaks, dissekering af saks, tang, rongeurs, spatler og køleblok.
    BEMÆRK: Vævslim og inkubationskammer bør ikke nedkøles.
  2. Forbered kunstig cerebrospinalvæske (aCSF) indeholdende 125 mM NaCl, 2,5 mM KCl, 1,25 mM NaHPO 4, 25 mM NaHCO 3, 2 mM CaCl 2,1,3 mM MgCl 2 og 10 mM dextrose (300 ± 10 mOsm; pH 7,2-7,4).
    BEMÆRK: Hovedopløsningen af aCSF skal kontinuerligt bobles med carbogen (95% O 2/5% CO2) i protokollens varighed.
  3. Før aflivning af dyret (trin 6.8) skal du forberede 12,5 ml agarose. 0,25 g agarose opløses i 12,5 ml fosfatbufret saltvand (1x PBS) ved mikrobølgeovn i et 50 ml konisk rør i trin på 10 s.
  4. Hold agarosen varm (42 °C) og ryst den i en varmeplade for at forhindre, at den størkner.
  5. Opsæt en skærestation på is, herunder en petriskål og et lille bægerglas (50 ml) fyldt med iskold aCSF (4 °C) og en væltet petriskål med et stykke befugtet filterpapir ovenpå (figur 2A). Boble kontinuerligt aCSF i det lille bægerglas med carbogen.
  6. Vandbadet opvarmes til 32 °C. Fyld genvindingskammeret med aCSF og boble kontinuerligt med carbogen (figur 2B).
  7. Transport dyret til forsøgsrummet.
  8. Bedøv dyret ved hjælp af 5% isofluran som inhalationsmiddel (indtil manglende tilbagetrækningsrefleks) og halshug det derefter hurtigt ved hjælp af en lille guillotin.
  9. Disseker hjernen fra kraniet i petriskålen fyldt med iskold (4 ° C) aCSF, og hold kraniet nedsænket i aCSF for hurtigt at afkøle vævet.
    BEMÆRK: Denne procedure kræver normalt under 5 minutter, men hastigheden af hjernefjernelse er ikke en kritisk faktor, hvis hjernen er nedsænket i kølet aCSF.
  10. Placer hjernen i det lille bægerglas med kølet og karbogeneret aCSF for yderligere at rense og afkøle prøven.
  11. Flyt hjernen til den omvendte petriskål og læg den på filterpapiret. Brug en skarp skalpel til at fjerne cerebellum og præfrontale cortex for at "blokere" hjernen. Adskil de to halvkugler ved at skære ned i hjernens midterlinje.
    BEMÆRK: Følgende protokol udføres en halvkugle ad gangen. Det er bydende nødvendigt, at den halvkugle, der ikke er under forberedelse i øjeblikket, forbliver nedsænket i bægerglasset af iskold (4 °C) carbogenated aCSF.
  12. For at skabe tværgående hippocampale skiver skal du placere halvkuglen på den mediale overflade. Vip bladet på en skalpel ved ~ 30 ° indad og fjern en tynd skive fra hjernens dorsale overflade for at give en flad overflade for hjernen, der skal monteres på stemplet, der bruges af skiveren. Vend hjernen på den dorsale overflade og dup forsigtigt vævet på tørt filterpapir for at fjerne overskydende aCSF. Brug cyanoacrylatlim til at fastgøre hjernens dorsale overflade til stemplet og efterlade den ventrale overflade lodret.
    BEMÆRK: Sørg for, at limen ikke løber over stemplets kant, da dette vil få det til at klæbe til metalrøret, der bruges til at indeholde agarose, og forhindre bevægelse af stemplet.
  13. Forlæng stemplets ydre rør over hjernen og hæld den flydende agarose i røret, indtil hjernen er helt dækket. Agaroseen størkner hurtigt ved at klemme en køleblok over stempelrøret (figur 2A).
  14. Placer stemplet i skiverens kammer, og fastgør kammeret med en skrue. Fastgør bladet, og tilsæt iskold, iltet aCSF til skærekammeret.
  15. På udsnittet (figur 2B) skal du indstille skærehastigheden til 4, svingningen til 6 og skifte kontakten til kontinuerlig/enkelt udskæring til kontinuerlig. Tryk start for at begynde at sektionere hjernen ved 400 μm.
  16. Da udsnitsbeholderen sektionerer hjernen, skal du bruge en Pasteur-pipette med stor diameter til at overføre hver skive til restitutionsbadet for iltet aCSF, når den er snittet (figur 2C).
    BEMÆRK: Når hver skive skæres, kan den placeres sekventielt i de forskellige brønde i genopretningsbadet. Denne protokol giver normalt mellem seks og otte skiver, der indeholder hippocampus for hver halvkugle. Et rotteatlas62 kan bruges til at identificere den dorsal-ventrale position af individuelle skiver i rottehjernen.
  17. Lad skiverne komme sig ved 32 °C i 30 minutter, og lad dem derefter komme sig i yderligere 30 minutter ved stuetemperatur (23 °C).
  18. Gentag disse trin for at oprette udsnit fra den anden halvkugle.

7. Felt elektrofysiologi

BEMÆRK: Udfør følgende trin for at hente ekstracellulære feltoptagelser fra dentate gyrus (DG). Efter 60 minutters restitution er individuelle hippocampale skiver klar til ekstracellulære feltoptagelser.

  1. Brug en kommercielt tilgængelig mikropipettetrækker til at trække optageelektroder (1-2 MΩ) fra 10 cm borosilikatglaskapillærer med en ydre diameter på 1,5 mm og en indvendig diameter på 1,1 mm.
    BEMÆRK: Optageelektroden skal have en modstand på ~1 MΩ, og spidserne skal være ~1 mm store. Konsistens i elektrodeparametre er vigtig for gode optagelser.
  2. Tænd computeren og udstyret, der skal bruges til optagelser: forstærkeren, digitizeren, stimulatoren, mikromanipulatoren, temperaturregulatoren, mikroskoplyset og vakuumpumpen.
  3. Fyld et bægerglas med aCSF, og tilslut det til et tyngdekraftsstyret perfusionssystem. Åbn aCSF-ventilen på perfusionssystemet for at starte en strøm af aCSF gennem perfusionskammeret. Oprethold en strømningshastighed på ca. et eller to dryp/s eller 2 ml/min. Kontinuerligt carbogenate aCSF i varigheden af elektrofysiologiske optagelser.
    BEMÆRK: Det er bydende nødvendigt at opretholde en konstant dryphastighed af carbogenated aCSF under feltoptagelser. Det er også bydende nødvendigt, at referenceelektroden er helt nedsænket i aCSF.
  4. Brug en Pasteur-pipette til at overføre en hippocampus skive fra restitutionsbadet til perfusionskammeret, der kontinuerligt perfuseres med carbogenated aCSF og holdes ved 30 ± 0,5 °C. Orienter hjerneskiven, så dentate gyrus og granulatcellelaget er synlige i synsfeltet. Stabiliser skiven med bøjede trådvægte. Start computersoftwaren til dataindsamling.
    BEMÆRK: Det kan være nyttigt at slukke for vakuumpumpen under dette trin for at muliggøre fri manipulation af vævet. Dette skal gøres hurtigt, da for meget manipulation kan beskadige vævet. Derudover kan perfusionskammeret flyde over med aCSF, hvis dette tager for meget tid. Når vævet er orienteret korrekt og stabiliseret, tændes vakuumpumpen.
  5. Brug et opretstående mikroskop til at visualisere GD med skrå optik. Placer en koncentrisk bipolær stimulerende elektrode for at aktivere fibrene i den mediale perforantbane (MPP) i den midterste tredjedel af molekyllaget. Derefter anbringes en glasmikropipette fyldt med aCSF i MPP (figur 3A,B). Begynd med elektroderne længere fra hinanden (dvs. den stimulerende elektrode nær CA3 og optageelektroden lige over DG's genu), da berøring af vævet vil forårsage skade på fibrene.
    BEMÆRK: Optimalt set skal elektroderne placeres lige langt fra cellelaget, ca. 200 μm fra hinanden.
  6. Når de stimulerende og optagende elektroder er placeret, visualiseres de fremkaldte feltresponser ved hjælp af en forstærker, en digitizer og optagelsessoftware.
  7. For at finde et passende felt excitatorisk postsynaptisk potentiale (fEPSP) skal du stimulere vævet med 0,12 ms strømimpulser ved 0,2 Hz (hver 5. s), når brugeren er dygtig til at finde svar, eller ved 0,067 Hz (hver 15. s) for mindre dygtige brugere for at undgå overstimulering. Sørg for, at fEPSP har en minimumsamplitude på 0,7 mV med en klar fibervolley, der er mindre end fEPSP.
    BEMÆRK: Det er afgørende at placere begge elektroder lige langt fra cellelaget for at opnå maksimale feltresponser og langt nok fra hinanden (dvs. ~ 200 μm) til at generere en lille fibervolley. Små justeringer i elektrodeposition kan bidrage til at forbedre amplituden af responsen, selvom disse bør holdes på et minimum for at undgå vævsskade.
  8. Bestem den maksimale fEPSP-amplitude ved at øge stimuleringsintensiteten, og indstil derefter simuleringsintensiteten, så fEPSP er på 70% af den maksimale amplitude.
    BEMÆRK: Den maksimale amplitude er sat til 70% for langtidsdepression (LTD) undersøgelser og til 50% for langsigtede potenseringsundersøgelser (LTP). Den maksimale amplitude bestemmes ved at justere stimuleringsstyrken, indtil fEPSP ikke længere stiger i amplitude. For en fEPSP med en maksimal amplitude på 2 mV justeres responsstørrelsen derefter til 1,4 mV for LTD-undersøgelser og 1,0 mV for LTP-undersøgelser for at give plads til, at fEPSP kan trykke eller forstærke (henholdsvis).
  9. Etabler en stabil basislinje for klargøring i 20 minutter med 0,12 ms impulser leveret ved 0,067 Hz. For at skiver kan betragtes som stabile, skal du kigge efter <10% variabilitet i den oprindelige hældning af fEPSP og for hældningen af linjen med bedst pasform gennem de plottede fEPSP-skråninger for at være <0,5. Fortsæt med de næste trin i optagelsen, når EPSP'er er verificeret til at være stabile i 20 minutter.
    BEMÆRK: Forskellige receptorantagonister kan tilføjes til aCSF for at blokere eller forbedre LTD og LTP. Hvis de er nødvendige, skal det sikres, at skiverne udsættes for disse farmakologiske agenser i denne basisperiode, og at kravene til stabile registreringer er opfyldt. Se eksempler i63,64,65.
  10. Først skal du bestemme ændringer i grundlæggende synaptiske egenskaber ved hjælp af parrede pulsstimuli og ved at konstruere stimulus-respons input-output-kurver. Til den parrede pulstest anvendes en række parrede impulser med et interpulsinterval på 50 ms ved 0,033 Hz. For input-output-kurverne anvendes en serie (10) med stigende stimulusintensiteter (0,0-0,24 ms) ved 0,033 Hz for at plotte ændringen af fEPSP-responsstørrelsen.
  11. For at studere LTD, der primært er afhængig af aktiveringen af CB1-receptorer64,66, skal du anvende en 10 Hz protokol (6.000 impulser ved 10 Hz). Denne protokol tager 10 minutter at administrere.
  12. Ved efterbehandlingsoptagelser genoptages brugen af enkeltpulsstimulering (0,12 ms ved en frekvens på 0,067 Hz) i yderligere 60 minutter.
  13. Efter postkonditioneringsoptagelsen administreres igen de parrede pulsstimuli efterfulgt af en input-output-kurve. Sammenlign disse med baseline-optagelser for at observere ændringer i præsynaptiske frigivelsesegenskaber og hjælpe med at vurdere udsnittets sundhed til langsigtede optagelser.
  14. Under analysen skal du være konservativ og overholde udelukkelseskriterierne, når du bestemmer, om dataene fra individuelle skiver skal bevares i datasættets synaptiske plasticitet. Udelad udsnit, der viser en stor hældning i en linje med den bedste tilpasning af fEPSP-skråninger under grundlinjen for prækonditionering (hældning >0,5), ustabilitet i grundlinjen for prækonditionering (>10 % ændring) og/eller ustabilitet i perioden efter konditionering (hældning >1,5 på 50-60 minutters efterbehandling).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Den vågne lukkede hovedskademodel er en levedygtig metode til at inducere r-mTBI hos unge rotter. Rotter udsat for r-mTBI med ACHI-modellen viste ikke åbenlyse adfærdsmæssige underskud. Emner i disse eksperimenter udviste ikke latenstid til højre eller apnø på noget tidspunkt under r-mTBI-proceduren, hvilket indikerer, at dette faktisk var en mild TBI-procedure. Subtile adfærdsforskelle opstod i den nationale handlingsplan; Som beskrevet ovenfor blev rotterne scoret på fire sensorimotoriske opgaver (startle response, lemmerforlængelse, strålegang og roterende stråle) på en skala fra 0 til 3, hvor 3 ikke repræsenterer nogen forringelse med opgaven. Jo lavere NAP-scoren var, desto mere svækket var dyret. Ved baseline var der ingen forskelle i NAP-scorerne mellem falske og r-mTBI-rotter. Efter alle ACHI-sessioner viste r-mTBI-rotterne signifikante forringelser inden for NAP-opgaverne sammenlignet med humbug (figur 4). Som tidligere rapporteret for påvirkninger leveret over flere dage (dvs. 2 eller 4 dage), forværrede eller producerede den efterfølgende tilføjelse af skader i løbet af dagen imidlertid ikke yderligere adfærdsmæssige underskud. Således producerer ACHI-modellen af r-mTBI subtile, men alligevel betydelige, adfærdsmæssige underskud under disse akutte tidspunkter efter skade.

Efter skadeprotokollen blev fremkaldte feltresponser og synaptisk plasticitet undersøgt i MPP-input til DG for hippocampus på postskadedag 1 (PID1) og PID7. Skivesundhed blev undersøgt ved hjælp af fEPSP'er som reaktion på en stigende række pulsbredder i hver skive. Som det fremgår af figur 3C, var der ingen forskel i input-output-kurverne genereret i skiver opnået fra skin- og r-mTBI-rotter. For at undersøge presynaptisk transmitterfrigivelse blev der administreret en række parrede impulser (50 ms interpulsinterval), og forholdet mellem størrelsen af den anden fEPSP blev beregnet i forhold til den første fEPSP. De parrede pulsforhold adskilte sig ikke mellem sham og r-mTBI rotter (figur 3D). Disse data indikerer således, at r-mTBI ikke ændrede grundlæggende synaptisk fysiologi i MPP-input til GD. For at undersøge LTD blev en 10 Hz LTD-protokol administreret for at inducere en LTD afhængig af endocannabinoider64. Med hensyn til PID1 var der et betydeligt fald i kapaciteten af MPP-input til GD'et til at opretholde LTD (figur 3E). Denne reduktion i LTD var imidlertid forbigående, og ved PID7 viste skiver fra skin- og r-mTBI-dyr ækvivalent LTD (figur 3F), selv om der var tegn på en lille tendens til, at skiver fra r-mTBI-dyr udviste en stigning i LTD.

Figure 1
Figur 1: ACHI-procedureopsætningen, der bruges til at modellere r-mTBI . (A) En modificeret kontrolleret kortikal slaglegeme blev brugt til hurtigt at forskyde dyrets hoved 10 mm med en hastighed på 6,0 m / s. (B, C) Brugerdefineret 3D-trykt hjelm med et venstre parietal cortex-målsted. (D) Forsøgspersonerne blev anbragt i en plastikfastholdelsespose på en skumplatform med hjelmen placeret rundt om fastholdelseskeglen og placeret, så målstedet er direkte under slaglegemets spids. Forkortelser: ACHI = vågen lukket hovedskade; r-mTBI = gentagen mild traumatisk hjerneskade. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 2
Figur 2: Materialer og opsætning, der kræves til skiveforberedelse. A) Redskaber, der anvendes til hjerneekstraktion, montering, udskæring og inkubation: a) kulturskål med filterpapir b) forskellige dissektionsværktøjer, herunder standardsakse, dissekeringssaks, pincet, en rongeur og spatler c) klæbemiddel til væv d) Trykstempel og prøverør e) fjerblad og klingeholder f) køleblokke g) skiveinkubationskammer. (B) Komprimeringsvævsskærer. C) Skiver, der inkuberes i et bad indeholdende kunstig cerebrospinalvæske, der kontinuerligt iltes med 95%O2/5% CO2. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 3
Figur 3: Akutte forringelser af synaptisk plasticitet hos unge hanrotter forårsaget af r-mTBI ved anvendelse af ACHI-modellen . (A) De vigtigste hippocampale veje. Den mediale perforantvej består af input fra entorhinal cortex til dentate gyrus (blå). Den mediale perforante sti indlæser synaps på granulatceller i dentate gyrus (lilla). (B) Brightfield fotomikrografi af en hippocampus hjerneskive (4x forstørrelse), der viser den faktiske placering af en bipolær stimulerende elektrode (venstre) og en glasoptageelektrodepipette (højre) i dentatgyrusens mediale performantbane. C) Input-output plot (fEPSP-hældning) for forskellige simuleringsintensiteter (10-300 μs) på PID1 og PID7 for skin- og r-mTBI-rotter. D) Par-puls-forhold for skin- og r-mTBI-rotter (50 ms interpulsinterval). (E) Tidsforløb for fEPSP-ændringer før og efter administration af et LTD-induktionsparadigme i hippocampale skiver opnået fra sham- og r-mTBI-rotter ved PID1. (F) Tidsforløbet for fEPSP-ændringer før og efter administration af et LTD-induktionsparadigme i hippocampale skiver opnået fra skin- og r-mTBI-rotter ved PID7. Forkortelser: ACHI = vågen lukket hovedskade; r-mTBI = gentagen mild traumatisk hjerneskade; PID = dag efter skade; fEPSP = felt excitatorisk postsynaptisk potentiale. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 4
Figur 4: Akut neurologisk svækkelse hos unge hanrotter forårsaget af r-mTBI ved hjælp af ACHI-modellen. Rotterne gennemgik otte ACHI-procedurer med 2 timers intervaller over 1 dag, med en neurologisk vurderingsprotokol udført ved baseline og efter hver skade. Den nationale handlingsplan bestod af fire opgaver: forskrækkelsesrespons, forlængelse af lemmer, strålegang og roterende stråle. Hver opgave blev scoret ud af 3, hvilket giver en samlet mulig score på 12 for hver session. Data præsenteret som gennemsnit ± SEM. (*) angiver p < 0,05. Forkortelser: ACHI = vågen lukket hovedskade; r-mTBI = gentagen mild traumatisk hjerneskade; NAP = neurologisk vurderingsprotokol. Klik her for at se en større version af denne figur.

Supplerende tabel S1: ACHI-procedure oplysninger om dyr og virkninger. Forkortelse: ACHI = vågen lukket hovedskade. Klik her for at downloade denne fil.

Supplerende tabel S2: Fastholdelsesscore for vågen mTBI. Forkortelse: mTBI = mild traumatisk hjerneskade. "Vend om i fastholdelse" henviser til, at forskeren placerer dyret i fastholdelsen, inden posen lukkes rundt om halen. Når posen er lukket, bør dyret ikke kunne vende om. Vokalisering og squirming skal scores, når posen er lukket. Klik her for at downloade denne fil.

Supplerende fil 1: Tjekliste til overvågning af bure. Klik her for at downloade denne fil.

Supplerende fil 2: Smerteskala og tjekliste til avanceret overvågning. Klik her for at downloade denne fil.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Det meste prækliniske forskning har brugt modeller af mTBI, der ikke rekapitulerer de biomekaniske kræfter, der ses i den kliniske population. Her vises det, hvordan ACHI-modellen kan bruges til at inducere r-mTBI'er hos unge rotter. Denne lukkede model af r-mTBI har betydelige fordele i forhold til mere invasive procedurer. For det første forårsager ACHI normalt ikke kraniebrud, hjerneblødninger eller dødsfald, som alle ville være kontraindikationer for en "mild" TBI i kliniske populationer61. For det andet kræver ACHI ikke brug af kraniotomier, hvilket er signifikant, fordi de vides at forårsage inflammatoriske reaktioner, der kan forværre symptomologier og neuropatologi67. For det tredje kræver ACHI ikke brug af anæstesi. Dette er også vigtigt, da anæstesi kan have neurobeskyttende egenskaber og kan forringe synaptisk plasticitet ud over læring og hukommelsesydelse 48,49,50,51,68. Endelig kan ACHI producere subtile forbigående ændringer i neurologisk funktion, der kan vurderes umiddelbart efter skaden.

Da ACHI normalt ikke fremkalder bevidsthedstab eller apnø, efterligner denne model mTBI hos en betydelig del af den kliniske population 69,70,71. På trods af dette medførte ACHI-modellen en betydelig reduktion i NAP-scorerne. Denne reduktion fortsatte med gentagne administrationer af ACHI-proceduren, men forværrede ikke sensorimotoriske svækkelser inden for r-mTBI-gruppen. Dette indikerer, at ACHI-modellen inducerer en mild skade svarende til den, der observeres efter hjernerystelse eller subhjernerystelse i kliniske populationer72,73. En primær fordel ved NAP er påvisning af subtile adfærdsmæssige underskud set i den akutte tidsramme efter r-mTBI. Denne hurtige undersøgelse kan give forskere mulighed for at kategorisere rotter baseret på deres adfærdsmæssige reaktioner. Imidlertid kan brugen af mere robuste adfærdstest på subakutte og kroniske tidspunkter være nødvendig for at detektere motoriske, kognitive og affektive symptomer74,75,76. Det er vigtigt at bemærke, at selvom der ikke var nogen forskelle i NAP-score i forhold til de otte skader, kan gnaveradfærd påvirkes af ændringer i miljø og fortrolighed med eksperimentatoren77,78. Rotter bør have lov til at akklimatisere sig til procedurerummet inden administration af r-mTBI eller skinskader. Derudover er det vigtigt for en person at være ansvarlig for at administrere virkningerne for at sikre konsistens.

På trods af de tidligere nævnte fordele ved ACHI-modellen er den ikke uden begrænsninger. For det første blev paradigmet designet til at efterligne kumuleringen af stød i en enkelt session og ikke gentagne skader efter en restitutionsperiode. Efter skade ligger hjernen i et vindue med cerebral sårbarhed, der strækker sig fra 1 til 5 dage efter skade hos gnavere 15,79,80. Modtagelse af otte skader på en enkelt dag tillader ikke, at akutte og subakutte skadekaskader udvikler sig. Afhængigt af det forskningsspørgsmål, der er af interesse, kan det derfor være nødvendigt at justere skadeparadigmet inden for sårbarhedsvinduet. For det andet, mens det er gavnligt at begrænse brugen af bedøvelsesmiddel, er en utilsigtet konsekvens af ACHI-modellen at udsætte rotterne for fastholdelsesstress. Det har vist sig, at eksponering for akutte og kroniske stressorer kan indlede et inflammatorisk respons, påvirke en række adfærd og ændre synaptisk plasticitet i hippocampus81,82,83.

Protokollen beskrevet ovenfor giver en klar metode til fremstilling af tværgående hippocampale skiver af høj kvalitet fra r-mTBI-administrerede dyr med ACHI-modellen. Derudover giver protokollen mulighed for stabile elektrofysiologiske optagelser og viser, at hippocampus stadig er i stand til at udvise synaptisk plasticitet efter r-mTBI, selvom der kan være forbigående forstyrrelser. Med alle elektrofysiologiske optagelser er skivesundhed altafgørende for evnen til at registrere passende fEPSP'er. For at bevare hjernevæv, før udskæring, er det bydende nødvendigt, at hjernen forbliver iskold i carbogenated aCSF. Hjernens fjernelse og udskæring skal ske hurtigt, men ikke hvis dette sker på bekostning af pleje. Denne protokol om unge dyr anvender aCSF som skæreopløsning, men afhængigt af dyrets alder kan der kræves beskyttende skæreopløsninger (såsom cholin-, saccharose-, NMDG- eller glycerolbaserede opløsninger)84,85,86.

Feltelektrofysiologiske optagelser giver forskere mulighed for at måle hippocampus synaptisk plasticitet. Der er dog en række begrænsninger for teknikken. Processen med at skære hjernen har vist sig at forårsage ændringer i rygsøjlen nummer87, hvilket kan påvirke synaptisk plasticitet. Anvendelse af in vivo-optagelser ville bevare veje og muliggøre måling af synaptisk plasticitet hos bedøvede eller levende dyr88. Derudover undersøger brugen af feltoptagelser egenskaberne for grupper af neuroner, men informerer ikke om ændringer i individuelle neuroner. Anvendelsen af helcelle patch-clamp-optagelser kan give tidsmæssigt detaljerede oplysninger om neuronale egenskaber som reaktion på farmakologiske eller optogenetiske manipulationer89. Derudover ville kombinationen af elektrofysiologiske optagelser med komplementære teknikker, såsom calciumbilleddannelse, Western blotting, immunhistokemi eller elektronmikroskopi, give forskere mulighed for at få indsigt i virkningsmekanismerne.

Kognitive underskud rapporteres almindeligvis efter r-mTBI, og den nuværende protokol kan hjælpe med at undersøge nogle af de underliggende fysiologiske processer forbundet med disse underskud. Især den milde karakter af ACHI-proceduren åbner mulighed for at undersøge ændringer i synaptisk fysiologi over hele levetiden for dyr, der har pådraget sig r-mTBI. ACHI-modellen ser ud til at være en økologisk gyldig model af mTBI, der kan bruges til at studere r-mTBI. Foreløbige undersøgelser ved hjælp af ACHI-modellen har vist akut neurologisk svækkelse uden åbenlys strukturel skade og administreret et, fire og otte gentagne skadeparadigmer61,90. Fremtidige undersøgelser vil undersøge, hvordan are-mTBI kan påvirke synaptisk plasticitet i udviklingsperioder og i den aldrende hjerne. Ved bedre at forstå patofysiologien af mTBI og r-mTBI for synaptisk funktion er håbet bedre at styre potentielle terapeutiske interventioner for at hjælpe med at reducere kognitiv funktion.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingen interessekonflikter at oplyse.

Acknowledgments

Vi takker alle medlemmer af Christie Laboratory ved University of Victoria, tidligere og nuværende, for deres bidrag til udviklingen af denne protokol. Dette projekt blev støttet med midler fra Canadian Institutes for Health Research (CIHR: FRN 175042) og NSERC (RGPIN-06104-2019). Figur 1-kraniegrafikken blev oprettet med BioRender.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Fu, T. S., Jing, R., McFaull, S. R., Cusimano, M. D. Health & economic burden of traumatic brain injury in the emergency department. Canadian Journal of Neurological Sciences. 43 (2), 238-247 (2016).
  2. Chen, C., Peng, J., Sribnick, E., Zhu, M., Xiang, H. Trend of age-adjusted rates of pediatric traumatic brain injury in US emergency departments from 2006 to 2013. International journal of environmental research and public health. 15 (6), 1171 (2018).
  3. Prins, M., Greco, T., Alexander, D., Giza, C. C. The pathophysiology of traumatic brain injury at a glance. Disease Models & Mechanisms. 6 (6), 1307-1315 (2013).
  4. Mayer, A. R., Quinn, D. K., Master, C. L. The spectrum of mild traumatic brain injury: a review. Neurology. 89 (6), 623-632 (2017).
  5. Kara, S., et al. Less than half of patients recover within 2 weeks of injury after a sports-related mild traumatic brain injury: a 2-year prospective study. Clinical Journal of Sport Medicine. 30 (2), 96-101 (2020).
  6. Chung, A. W., Mannix, R., Feldman, H. A., Grant, P. E., Im, K. Longitudinal structural connectomic and rich-club analysis in adolescent mTBI reveals persistent, distributed brain alterations acutely through to one year post-injury. arXiv. , (2019).
  7. Crisco, J. J., et al. Frequency and location of head impact exposures in individual collegiate football players. Journal of Athletic Training. 45 (6), 549-559 (2010).
  8. Wilcox, B. J., et al. Head impact exposure in male and female collegiate ice hockey players. Journal of Biomechanics. 47 (1), 109-114 (2014).
  9. Daniel, R. W., Rowson, S., Duma, S. M. Head impact exposure in youth football. Annals of Biomedical Engineering. 40 (4), 976-981 (2012).
  10. Snowden, T., et al. Heading in the right direction: a critical review of studies examining the effects of heading in soccer players. Journal of Neurotrauma. 38 (2), 169-188 (2021).
  11. Zemek, R. L., et al. Annual and seasonal trends in ambulatory visits for pediatric concussion in Ontario between 2003 and 2013. The Journal of Pediatrics. 181, 222-228 (2017).
  12. Zhang, A. L., Sing, D. C., Rugg, C. M., Feeley, B. T., Senter, C. The rise of concussions in the adolescent population. Orthopaedic Journal of Sports Medicine. 4 (8), (2016).
  13. Broglio, S. P., Eckner, J. T., Paulson, H. L., Kutcher, J. S. Cognitive decline and aging: the role of concussive and subconcussive impacts. Exercise and Sport Sciences Reviews. 40 (3), 138 (2012).
  14. Greco, T., Ferguson, L., Giza, C., Prins, M. Mechanisms underlying vulnerabilities after repeat mild traumatic brain injuries. Experimental Neurology. 317, 206-213 (2019).
  15. Longhi, L., et al. Temporal window of vulnerability to repetitive experimental concussive brain injury. Neurosurgery. 56 (2), 364-374 (2005).
  16. Snowden, T. M., Hinde, A. K., Reid, H. M., Christie, B. R. Does mild traumatic brain injury increase the risk for dementia? A systematic review and meta-analysis. Journal of Alzheimer's Disease. 78 (2), 757-775 (2020).
  17. Guskiewicz, K. M., et al. Association between recurrent concussion and late-life cognitive impairment in retired professional football players. Neurosurgery. 57 (4), 719-726 (2005).
  18. McCradden, M. D., Cusimano, M. D. Staying true to Rowan's Law: how changing sport culture can realize the goal of the legislation. Canadian Journal of Public Health. 110 (2), 165-168 (2019).
  19. Carson, J. D., et al. Premature return to play and return to learn after a sport-related concussion: physician's chart review. Canadian Family Physician. 60 (6), 310-315 (2014).
  20. McClincy, M. P., Lovell, M. R., Pardini, J., Collins, M. W., Spore, M. K. Recovery from sports concussion in high school and collegiate athletes. Brain Injury. 20 (1), 33-39 (2006).
  21. Covassin, T., Savage, J. L., Bretzin, A. C., Fox, M. E. Sex differences in sport-related concussion long-term outcomes. International Journal of Psychophysiology. 132, 9-13 (2018).
  22. Frommer, L., et al. Sex differences in concussion symptoms of high school athletes. Journal of Athletic Training. 46 (1), 76-84 (2011).
  23. Wright, D., O'Brien, T., Shultz, S. R., Mychasiuk, R. Sex matters: Repetitive mild traumatic brain injury in adolescent rats. Annals of Clinical and Translational Neurology. 4 (9), 640-654 (2017).
  24. Stone, S., Lee, B., Garrison, J. C., Blueitt, D., Creed, K. Sex differences in time to return-to-play progression after sport-related concussion. Sports Health. 9 (1), 41-44 (2017).
  25. Cunningham, J., Broglio, S. P., O'Grady, M., Wilson, F. History of sport-related concussion and long-term clinical cognitive health outcomes in retired athletes: a systematic review. Journal of Athletic Training. 55 (2), 132-158 (2020).
  26. Montenigro, P. H., et al. Cumulative head impact exposure predicts later-life depression, apathy, executive dysfunction, and cognitive impairment in former high school and college football players. Journal of Neurotrauma. 34 (2), 328-340 (2017).
  27. Lee, E. B., et al. Chronic traumatic encephalopathy is a common co-morbidity, but less frequent primary dementia in former soccer and rugby players. Acta Neuropathologica. 138 (3), 389-399 (2019).
  28. Di Virgilio, T. G., et al. Evidence for acute electrophysiological and cognitive changes following routine soccer heading. EBioMedicine. 13, 66-71 (2016).
  29. Cherry, J. D., et al. Microglial neuroinflammation contributes to tau accumulation in chronic traumatic encephalopathy. Acta Neuropathologica Communications. 4 (1), 1-9 (2016).
  30. Smith, D. H., Johnson, V. E., Stewart, W. Chronic neuropathologies of single and repetitive TBI: substrates of dementia. Nature Reviews Neurology. 9 (4), 211 (2013).
  31. Coughlin, J. M., et al. Neuroinflammation and brain atrophy in former NFL players: an in vivo multimodal imaging pilot study. Neurobiology of Disease. 74, 58-65 (2015).
  32. Wu, L., et al. Repetitive mild closed head injury in adolescent mice is associated with impaired proteostasis, neuroinflammation, and tauopathy. Journal of Neuroscience. 42 (12), 2418-2432 (2022).
  33. Shultz, S. R., et al. The potential for animal models to provide insight into mild traumatic brain injury: translational challenges and strategies. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 76, 396-414 (2017).
  34. Sharp, D. J., Jenkins, P. O. Concussion is confusing us all. Practical Neurology. 15 (3), 172-186 (2015).
  35. Chen, Y., Huang, W., Constantini, S. The differences between blast-induced and sports-related brain injuries. Frontiers in Neurology. 4, 119 (2013).
  36. Collins, M. W., Kontos, A. P., Reynolds, E., Murawski, C. D., Fu, F. H. A comprehensive, targeted approach to the clinical care of athletes following sport-related concussion. Knee Surgery, Sports Traumatology, Arthroscopy. 22 (2), 235-246 (2014).
  37. Hiploylee, C., et al. Longitudinal study of postconcussion syndrome: not everyone recovers. Journal of Neurotrauma. 34 (8), 1511-1523 (2017).
  38. Rabinowitz, A. R., Fisher, A. J. Person-specific methods for characterizing the course and temporal dynamics of concussion symptomatology: a pilot study. Scientific Reports. 10 (1), 1-9 (2020).
  39. Shultz, S. R., et al. Tibial fracture exacerbates traumatic brain injury outcomes and neuroinflammation in a novel mouse model of multitrauma. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 35 (8), 1339-1347 (2015).
  40. McDonald, S. J., Sun, M., Agoston, D. V., Shultz, S. R. The effect of concomitant peripheral injury on traumatic brain injury pathobiology and outcome. Journal of Neuroinflammation. 13 (1), 1-14 (2016).
  41. Statler, K. D., et al. Isoflurane exerts neuroprotective actions at or near the time of severe traumatic brain injury. Brain Research. 1076 (1), 216-224 (2006).
  42. Rowe, R. K., et al. Using anesthetics and analgesics in experimental traumatic brain injury. Lab Animal. 42 (8), 286-291 (2013).
  43. Luh, C., et al. Influence of a brief episode of anesthesia during the induction of experimental brain trauma on secondary brain damage and inflammation. PLoS One. 6 (5), 19948 (2011).
  44. Madry, C., et al. Microglial ramification, surveillance, and interleukin-1β release are regulated by the two-pore domain K+ channel THIK-1. Neuron. 97 (2), 299-312 (2018).
  45. Patel, P. M., Drummond, J. C., Cole, D. J., Goskowicz, R. L. Isoflurane reduces ischemia-induced glutamate release in rats subjected to forebrain ischemia. The Journal of the American Society of Anesthesiologists. 82 (4), 996-1003 (1995).
  46. Gray, J. J., Bickler, P. E., Fahlman, C. S., Zhan, X., Schuyler, J. A. Isoflurane neuroprotection in hypoxic hippocampal slice cultures involves increases in intracellular Ca2+ and mitogen-activated protein kinases. The Journal of the American Society of Anesthesiologists. 102 (3), 606-615 (2005).
  47. Flower, O., Hellings, S. Sedation in traumatic brain injury. Emergency Medicine International. 2012, 637171 (2012).
  48. Wagner, M., Ryu, Y. K., Smith, S. C., Mintz, C. D. Effects of anesthetics on brain circuit formation. Journal of Neurosurgical Anesthesiology. 26 (4), 358 (2014).
  49. Leikas, J. V., et al. Brief isoflurane anesthesia regulates striatal AKT-GSK3β signaling and ameliorates motor deficits in a rat model of early-stage Parkinson′ s disease. Journal of Neurochemistry. 142 (3), 456-463 (2017).
  50. Turek, Z., Sykora, R., Matejovic, M., Cerny, V. Anesthesia and the microcirculation. in Seminars in Cardiothoracic and Vascular Anesthesia. , Sage CA. Los Angeles, CA. 249-258 (2009).
  51. Yang, S., et al. Anesthesia and surgery impair blood-brain barrier and cognitive function in mice. Frontiers in Immunology. 8, 902 (2017).
  52. Bodnar, C. N., Roberts, K. N., Higgins, E. K., Bachstetter, A. D. A systematic review of closed head injury models of mild traumatic brain injury in mice and rats. Journal of Neurotrauma. 36 (11), 1683-1706 (2019).
  53. Mannix, R., et al. Adolescent mice demonstrate a distinct pattern of injury after repetitive mild traumatic brain injury. Journal of Neurotrauma. 34 (2), 495-504 (2017).
  54. Viano, D. C., Hamberger, A., Bolouri, H., Säljö, A. Evaluation of three animal models for concussion and serious brain injury. Annals of Biomedical Engineering. 40 (1), 213-226 (2012).
  55. Mychasiuk, R., Hehar, H., Candy, S., Ma, I., Esser, M. J. The direction of the acceleration and rotational forces associated with mild traumatic brain injury in rodents effect behavioural and molecular outcomes. Journal of Neuroscience Methods. 257, 168-178 (2016).
  56. Christie, B. R., et al. A rapid neurological assessment protocol for repeated mild traumatic brain injury in awake rats. Current Protocols in Neuroscience. 89 (1), 80 (2019).
  57. Buchanan, F. F., Myles, P. S., Leslie, K., Forbes, A., Cicuttini, F. Gender and recovery after general anesthesia combined with neuromuscular blocking drugs. Anesthesia & Analgesia. 102 (1), 291-297 (2006).
  58. Zhang, L., Gurao, M., Yang, K. H., King, A. I. Material characterization and computer model simulation of low density polyurethane foam used in a rodent traumatic brain injury model. Journal of Neuroscience Methods. 198 (1), 93-98 (2011).
  59. Kikinis, Z., et al. Diffusion imaging of mild traumatic brain injury in the impact accelerated rodent model: A pilot study. Brain Injury. 31 (10), 1376-1381 (2017).
  60. Talty, C. -E., Norris, C., VandeVord, P. Defining experimental variability in actuator-driven closed head impact in rats. Annals of Biomedical Engineering. 50 (10), 1187-1202 (2022).
  61. Meconi, A., et al. Repeated mild traumatic brain injury can cause acute neurologic impairment without overt structural damage in juvenile rats. Plos One. 13 (5), (2018).
  62. Zilles, K. The Cortex of the Rat: a Stereotaxic Atlas. , Springer Science & Business Media. (2012).
  63. Fontaine, C. J., et al. Impaired bidirectional synaptic plasticity in juvenile offspring following prenatal ethanol exposure. Alcoholism: Clinical and Experimental Research. 43 (10), 2153-2166 (2019).
  64. Fontaine, C. J., et al. Endocannabinoid receptors contribute significantly to multiple forms of long-term depression in the rat dentate gyrus. Learning & Memory. 27 (9), 380-389 (2020).
  65. Grafe, E. L., Wade, M. M., Hodson, C. E., Thomas, J. D., Christie, B. R. Postnatal choline supplementation rescues deficits in synaptic plasticity following prenatal ethanol exposure. Nutrients. 14 (10), 2004 (2022).
  66. Peñasco, S., et al. Intermittent ethanol exposure during adolescence impairs cannabinoid type 1 receptor-dependent long-term depression and recognition memory in adult mice. Neuropsychopharmacology. 45 (2), 309-318 (2020).
  67. Cole, J. T., et al. Craniotomy: true sham for traumatic brain injury, or a sham of a sham. Journal of Neurotrauma. 28 (3), 359-369 (2011).
  68. Long, R. P., et al. Repeated isoflurane exposures impair long-term potentiation and increase basal GABAergic activity in the basolateral amygdala. Neural Plasticity. 2016, (2016).
  69. Meehan, W. P., Mannix, R. C., O'Brien, M. J., Collins, M. W. The prevalence of undiagnosed concussions in athletes. Clinical Journal of Sport Medicine. 23 (5), 339 (2013).
  70. Moore, R. D., Lepine, J., Ellemberg, D. The independent influence of concussive and sub-concussive impacts on soccer players' neurophysiological and neuropsychological function. International Journal of Psychophysiology. 112, 22-30 (2017).
  71. Peltonen, K., et al. On-field signs of concussion predict deficits in cognitive functioning: Loss of consciousness, amnesia, and vacant look. Translational Sports Medicine. 3 (6), 565-573 (2020).
  72. Kontos, A. P., Sufrinko, A., Sandel, N., Emami, K., Collins, M. W. Sport-related concussion clinical profiles: clinical characteristics, targeted treatments, and preliminary evidence. Current Sports Medicine Reports. 18 (3), 82-92 (2019).
  73. Eisenberg, M. A., Meehan, W. P., Mannix, R. Duration and course of post-concussive symptoms. Pediatrics. 133 (6), 999-1006 (2014).
  74. Mychasiuk, R., Farran, A., Esser, M. J. Assessment of an experimental rodent model of pediatric mild traumatic brain injury. Journal of Neurotrauma. 31 (8), 749-757 (2014).
  75. Malkesman, O., Tucker, L. B., Ozl, J., McCabe, J. T. Traumatic brain injury-modeling neuropsychiatric symptoms in rodents. Frontiers in Neurology. 4, 157 (2013).
  76. Shultz, S. R., MacFabe, D. F., Foley, K. A., Taylor, R., Cain, D. P. A single mild fluid percussion injury induces short-term behavioral and neuropathological changes in the Long-Evans rat: Support for an animal model of concussion. Behavioural Brain Research. 224 (2), 326-335 (2011).
  77. Sorge, R. E., et al. Olfactory exposure to males, including men, causes stress and related analgesia in rodents. Nature Methods. 11 (6), 629-632 (2014).
  78. van Driel, K. S., Talling, J. C. Familiarity increases consistency in animal tests. Behavioural Brain Research. 159 (2), 243-245 (2005).
  79. Mouzon, B. C., et al. Chronic neuropathological and neurobehavioral changes in a repetitive mild traumatic brain injury model. Annals of Neurology. 75 (2), 241-254 (2014).
  80. Mannix, R., et al. Clinical correlates in an experimental model of repetitive mild brain injury. Annals of Neurology. 74 (1), 65-75 (2013).
  81. Bekhbat, M., et al. Chronic adolescent stress sex-specifically alters central and peripheral neuro-immune reactivity in rats. Brain, Behavior, and Immunity. 76, 248-257 (2019).
  82. Pyter, L. M., Kelly, S. D., Harrell, C. S., Neigh, G. N. Sex differences in the effects of adolescent stress on adult brain inflammatory markers in rats. Brain, Behavior, and Immunity. 30, 88-94 (2013).
  83. MacDougall, M. J., Howland, J. G. Acute stress, but not corticosterone, disrupts short-and long-term synaptic plasticity in rat dorsal subiculum via glucocorticoid receptor activation. Cerebral Cortex. 23 (11), 2611-2619 (2013).
  84. Ting, J. T., Daigle, T. L., Chen, Q., Feng, G. Acute brain slice methods for adult and aging animals: application of targeted patch clamp analysis and optogenetics. Patch-Clamp Methods and Protocols. , Humana Press. New York, NY. 221-242 (2014).
  85. Ting, J. T., Feng, G. Development of transgenic animals for optogenetic manipulation of mammalian nervous system function: progress and prospects for behavioral neuroscience. Behavioural Brain Research. 255, 3-18 (2013).
  86. Tanaka, Y., Tanaka, Y., Furuta, T., Yanagawa, Y., Kaneko, T. The effects of cutting solutions on the viability of GABAergic interneurons in cerebral cortical slices of adult mice. Journal of Neuroscience Methods. 171 (1), 118-125 (2008).
  87. Trivino-Paredes, J. S., Nahirney, P. C., Pinar, C., Grandes, P., Christie, B. R. Acute slice preparation for electrophysiology increases spine numbers equivalently in the male and female juvenile hippocampus: a DiI labeling study. Journal of Neurophysiology. 122 (3), 958-969 (2019).
  88. Bowden, J. B., Abraham, W. C., Harris, K. M. Differential effects of strain, circadian cycle, and stimulation pattern on LTP and concurrent LTD in the dentate gyrus of freely moving rats. Hippocampus. 22 (6), 1363-1370 (2012).
  89. Segev, A., Garcia-Oscos, F., Kourrich, S. Whole-cell patch-clamp recordings in brain slices. Journal of Visualized Experiments. (112), e54024 (2016).
  90. Pham, L., et al. Mild closed-head injury in conscious rats causes transient neurobehavioral and glial disturbances: a novel experimental model of concussion. Journal of Neurotrauma. 36 (14), 2260-2271 (2019).

Tags

Neurovidenskab udgave 191
Vurdering af ændringer i synaptisk plasticitet ved hjælp af en vågen lukket hovedskademodel af mild traumatisk hjerneskade
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Christie, B. R., Gross, A.,… More

Christie, B. R., Gross, A., Willoughby, A., Grafe, E., Brand, J., Bosdachin, E., Reid, H. M. O., Acosta, C., Eyolfson, E. Assessing Changes in Synaptic Plasticity Using an Awake Closed-Head Injury Model of Mild Traumatic Brain Injury. J. Vis. Exp. (191), e64592, doi:10.3791/64592 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter