اختبار متري لتقييم الذاكرة العاملة المكانية في الفئران البالغة بعد إصابة الدماغ الرضية
Summary
ترتبط إصابة الدماغ الرضية (TBI) عادة بضعف الذاكرة. هنا، نقدم بروتوكول لتقييم الذاكرة المكانية العاملة بعد TBI عبر مهمة مترية. اختبار متري هو أداة مفيدة لدراسة ضعف الذاكرة العاملة المكانية بعد TBI.
Abstract
تعد الإعاقات في الذاكرة الحسية والقصيرة الأجل والطويلة الأجل من الآثار الجانبية الشائعة بعد إصابة الدماغ الرضية (TBI). نظرا للقيود الأخلاقية للدراسات البشرية ، توفر النماذج الحيوانية بدائل مناسبة لاختبار طرق العلاج ، ودراسة الآليات والمضاعفات ذات الصلة للحالة. كانت نماذج القوارض التجريبية تاريخيا الأكثر استخداما نظرا لسهولة الوصول إليها ، وانخفاض التكلفة ، وإعادة الإنتاج ، والنهج المعتمدة. اختبار متري، الذي يختبر القدرة على تذكر وضع كائنين على مسافات وزوايا مختلفة من بعضها البعض، هو تقنية لدراسة ضعف في الذاكرة العاملة المكانية (SWM) بعد TBI. وتشمل المزايا الهامة للمهام المترية إمكانية المراقبة الديناميكية، وانخفاض التكلفة، والاستنساخ، وسهولة التنفيذ النسبية، وانخفاض بيئة الإجهاد. هنا ، نقدم بروتوكول اختبار متري لقياس ضعف SWM في الفئران البالغة بعد TBI. يوفر هذا الاختبار طريقة مجدية لتقييم علم وظائف الأعضاء والفيزيولوجيا المرضية لوظيفة الدماغ بشكل أكثر فعالية.
Introduction
انتشار العجز العصبي مثل الاهتمام، وظيفة التنفيذية، وبعض العجز في الذاكرة بعد إصابات الدماغ الرضية المعتدلة (TBI) هو أكثر من 50 في المئة1،2،3،4،5،6،7،8. يمكن أن يؤدي TBI إلى إعاقات شديدة في الذاكرة المكانية قصيرة الأجل وطويلة الأجل والعمل9. وقد لوحظت هذه الاختلالات الذاكرة في نماذج القوارض من TBI. وقد مكنت نماذج القوارض تطوير تقنيات لاختبار الذاكرة، مما يسمح لإجراء فحوصات أعمق في تأثير TBI على معالجة الذاكرة في أنظمة الذاكرة العصبية.
يساعد اختباران، يتعلقان بمعالجة المعلومات المكانية الطوبولوجية والمقاييس على التوالي، في قياس الذاكرة الحيزية العاملة (SWM). يعتمد الاختبار الطوبولوجي على تغيير حجم الفضاء البيئي أو المساحات ذات الصلة من الاتصال أو الضميمة حول الجسم ، في حين أن الاختبار المتري يقيم التغيرات في الزوايا أو المسافة بين الأجسام10،11. Goodrich-Hunsaker وآخرون تكييف أول اختبار طوبولوجي الإنسان للفئران10 وتطبيق المهمة المترية نأي أدوار القشرة الجدارية (PC) وفرس النهر الظهري في معالجة المعلومات المكانية11. وبالمثل، قام جوركوف وزملاؤه بتقييم مهام الذاكرة المترية والت طوبولوجية والزمنية بعد إصابة قرع السائل الجانبي9. هناك علاقة بين الضرر الذي لحق ببعض مناطق الدماغ وضعف الذاكرة المترية أو الطوبولوجية. وقد اقترح أن ضعف الذاكرة المترية يرتبط الآفات في ثنائي الظهر dentate جيروس وكورنو ammonis (CA) المنطقة الفرعية CA3 من قرن آمون, ويرتبط أن ضعف الذاكرة الطوبولوجية لآفات القشرة الجدارية الثنائية10,12.
الغرض من هذا البروتوكول هو تقييم نقص الذاكرة المكانية في مجموعة الفئران من خلال مهمة مترية. هذه الطريقة هي بديل مناسب للتحقيق في آليات SWM بعد إصابة الدماغ ، وتشمل مزاياها السهولة النسبية للتنفيذ ، والحساسية العالية ، وانخفاض تكلفة الاستنساخ ، وإمكانية الملاحظة الديناميكية ، وبيئة الإجهاد المنخفض. بالمقارنة مع المهام السلوكية الأخرى مثل متاهة بارنز13،14، موريس الملاحة المائية المهمة15،16،17، أو مهام المتاهة المكانية18،19، وهذا الاختبار متري هو أقل تعقيدا. نظرا لسهولة التنفيذ ، يتطلب الاختبار المتري فترة تدريب أقصر وأقل إرهاقا ويتم على مدى يومين فقط9: 1 يوم للتعود ويوم واحد للمهمة. وعلاوة على ذلك، لدينا اختبار المقترحة أسهل لأداء من اختبارات الإجهاد المنخفض الأخرى، مثل مهمة التعرف على كائن جديد (NOR)، ولا يتطلب يوم إضافي من التعود20.
توفر هذه الورقة نموذجا مباشرا لتقييم SWM بعد إصابة الدماغ. قد يساعد هذا التقييم ل SWM ما بعد TBI في إجراء تحقيق أكثر شمولا في الفيزيولوجيا المرضية.
Protocol
Representative Results
Discussion
من خلال استهداف عملية المعلومات المكانية المترية على وجه التحديد ، يوفر هذا الاختبار المتري أداة ضرورية لفهم نقص الذاكرة بعد TBI. البروتوكول المعروض في هذه الورقة هو تعديل للمهام السلوكية الموصوفة سابقا11. استخدمت إحدى المهام المترية الموصوفة سابقا نموذجين مختلفين، كل منهما ي…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ونشكر الأستاذة أولينا سيفيرينوفسكا؛ ونشكر السيد ناينا سيفرينوفسكا، الأستاذة في جامعة ه M.Sc مارينا كوشيريافا؛ ماكسيم كريفونسوف M.Sc؛ دارينا ياكومينكو M.Sc؛ يفجينيا غونكاريك M.Sc; وأولها شابوفال، مرشحة لنيل درجة الدكتوراه في قسم علم وظائف الأعضاء، كلية البيولوجيا، علم البيئة، والطب، جامعة أوليس هونشار دنيبرو، دنيبرو، أوكرانيا لمساهماتها الداعمة والمفيدة. تم الحصول على البيانات كجزء من أطروحة الدكتوراه ديمتري فرانك.
Materials
| 2% chlorhexidine in 70% alcohol solution | SIGMA – ALDRICH | 500 cc | For general antisepsis of the skin in the operatory field |
| Bupivacaine 0.1 % | |||
| 4 boards of different thicknesses (1.5cm, 2.5cm, 5cm and 8.5cm) | This is to evaluate neurological defect | ||
| 4-0 Nylon suture | 4-00 | ||
| Bottles | Techniplast | ACBT0262SU | 150 ml bottles filled with 100 ml of water and 100 ml 1%(w/v) sucrose solution |
| Bottlses (four) for topological an metric tasks | For objects used two little bottles, first round (height 13.5 cm) and second faceted (height 20 cm) shape and two big faceted bottles, first 9×6 cm (height 21 cm) and second 7×7 cm (height 21 cm). | ||
| Diamond Hole Saw Drill 3mm diameter | Glass Hole Saw Kit | Optional. | |
| Digital Weighing Scale | SIGMA – ALDRICH | Rs 4,000 | |
| Dissecting scissors | SIGMA – ALDRICH | Z265969 | |
| Ethanol 99.9 % | Pharmacy | 5%-10% solution used to clean equipment and remove odors | |
| EthoVision XT (Video software) | Noldus, Wageningen, Netherlands | Optional | |
| Fluid-percussion device | custom-made at the university workshop | No specific brand is recommended. | |
| Gauze Sponges | Fisher | 22-362-178 | |
| Gloves (thin laboratory gloves) | Optional. | ||
| Heater with thermometer | Heatingpad-1 | Model: HEATINGPAD-1/2 | No specific brand is recommended. |
| Horizon-XL | Mennen Medical Ltd | ||
| Isofluran, USP 100% | Piramamal Critical Care, Inc | NDC 66794-017 | Anesthetic liquid for inhalation |
| Office 365 ProPlus | Microsoft | – | Microsoft Office Excel |
| Olympus BX 40 microscope | Olympus | ||
| Operating forceps | SIGMA – ALDRICH | ||
| Operating Scissors | SIGMA – ALDRICH | ||
| PC Computer for USV recording and data analyses | Intel | Intel® core i5-6500 CPU @ 3.2GHz, 16 GB RAM, 64-bit operating system | |
| Plexiglass boxes linked by a narrow passage | Two transparent 30 cm × 20 cm × 20 cm plexiglass boxes linked by a narrow 15 cm × 15 cm × 60 cm passage | ||
| Purina Chow | Purina | 5001 | Rodent laboratory chow given to rats, mice and hamster is a life-cycle nutrition that has been used in biomedical researc for over 5 |
| Rat cages (rat home cage or another enclosure) | Techniplast | 2000P | No specific brand is recommended |
| Scalpel blades 11 | SIGMA – ALDRICH | S2771 | |
| SPSS | SPSS Inc., Chicago, IL, USA | 20 package | |
| Stereotaxic Instrument | custom-made at the university workshop | No specific brand is recommended | |
| Timing device | Interval Timer:Timing for recording USV's | Optional. Any timer will do, although it is convenient to use an interval timer if you are tickling multiple rats | |
| Topological and metric tasks device | Self made in Ben Gurion University of Negev | White circular platform 200 cm in diameter and 1 cm thick on table | |
| Video camera | Logitech | C920 HD PRO WEBCAM | Digital video camera for high definition recording of rat behavior under plus maze test |
| Windows 10 | Microsoft | ||
References
- Binder, L. M. Persisting symptoms after mild head injury: A review of the postconcussive syndrome. Journal of Clinical and Experimental Neuropsychology. 8 (4), 323-346 (1986).
- Binder, L. M. A review of mild head trauma. Part II: Clinical implications. Journal of Clinical and Experimental Neuropsychology. 19 (3), 432-457 (1997).
- Binder, L. M., Rohling, M. L., Larrabee, G. J. A review of mild head trauma. Part I: Meta-analytic review of neuropsychological studies. Journal of Clinical and Experimental Neuropsychology. 19 (3), 421-431 (1997).
- Leininger, B. E., Gramling, S. E., Farrell, A. D., Kreutzer, J. S., Peck, E. A. Neuropsychological deficits in symptomatic minor head injury patients after concussion and mild concussion. Journal of Neurology, Neurosurgery & Psychiatry. 53 (4), 293-296 (1990).
- Levin, H. S., et al. Neurobehavioral outcome following minor head injury: a three-center study. Journal of Neurosurgery. 66 (2), 234-243 (1987).
- McMillan, T. M. Minor head injury. Current Opinion in Neurology. 10 (6), 479-483 (1997).
- Millis, S. R., et al. Long-term neuropsychological outcome after traumatic brain injury. The Journal of Head Trauma Rehabilitation. 16 (4), 343-355 (2001).
- Stuss, D., et al. Reaction time after head injury: fatigue, divided and focused attention, and consistency of performance. Journal of Neurology, Neurosurgery & Psychiatry. 52 (6), 742-748 (1989).
- Gurkoff, G. G., et al. Evaluation of metric, topological, and temporal ordering memory tasks after lateral fluid percussion injury. Journal of Neurotrauma. 30 (4), 292-300 (2013).
- Goodrich-Hunsaker, N. J., Howard, B. P., Hunsaker, M. R., Kesner, R. P. Human topological task adapted for rats: Spatial information processes of the parietal cortex. Neurobiology of Learning and Memory. 90 (2), 389-394 (2008).
- Goodrich-Hunsaker, N. J., Hunsaker, M. R., Kesner, R. P. Dissociating the role of the parietal cortex and dorsal hippocampus for spatial information processing. Behavioral Neuroscience. 119 (5), 1307 (2005).
- Goodrich-Hunsaker, N. J., Hunsaker, M. R., Kesner, R. P. The interactions and dissociations of the dorsal hippocampus subregions: how the dentate gyrus, CA3, and CA1 process spatial information. Behavioral Neuroscience. 122 (1), 16 (2008).
- Rosenfeld, C. S., Ferguson, S. A. Barnes maze testing strategies with small and large rodent models. Journal of Visualized Experiments:JoVE. (84), e51194 (2014).
- O’leary, T. P., Brown, R. E. The effects of apparatus design and test procedure on learning and memory performance of C57BL/6J mice on the Barnes maze. Journal of Neuroscience Methods. 203 (2), 315-324 (2012).
- Bromley-Brits, K., Deng, Y., Song, W. Morris water maze test for learning and memory deficits in Alzheimer’s disease model mice. Journal of Visualized Experiments:JoVE. (53), e2920 (2011).
- Smith, C., Rose, G. M. Evidence for a paradoxical sleep window for place learning in the Morris water maze. Physiology & Behavior. 59 (1), 93-97 (1996).
- Roof, R. L., Zhang, Q., Glasier, M. M., Stein, D. G. Gender-specific impairment on Morris water maze task after entorhinal cortex lesion. Behavioural Brain Research. 57 (1), 47-51 (1993).
- Deacon, R. M., Rawlins, J. N. P. T-maze alternation in the rodent. Nature Protocols. 1 (1), 7 (2006).
- Penley, S. C., Gaudet, C. M., Threlkeld, S. W. Use of an eight-arm radial water maze to assess working and reference memory following neonatal brain injury. Journal of Visualized Experiments:JoVE. (82), e50940 (2013).
- Davis, A. R., Shear, D. A., Chen, Z., Lu, X. -. C. M., Tortella, F. C. A comparison of two cognitive test paradigms in a penetrating brain injury model. Journal of Neuroscience Methods. 189 (1), 84-87 (2010).
- Jones, N. C., et al. Experimental traumatic brain injury induces a pervasive hyperanxious phenotype in rats. Journal of Neurotrauma. 25 (11), 1367-1374 (2008).
- Kabadi, S. V., Hilton, G. D., Stoica, B. A., Zapple, D. N., Faden, A. I. Fluid-percussion-induced traumatic brain injury model in rats. Nature Protocols. 5 (9), 1552 (2010).
- Ohayon, S., et al. Cell-free DNA as a marker for prediction of brain damage in traumatic brain injury in rats. Journal of Neurotrauma. 29 (2), 261-267 (2012).
- Frank, D., et al. Induction of Diffuse Axonal Brain Injury in Rats Based on Rotational Acceleration. Journal of Visualized Experiments:JoVE. (159), e61198 (2020).
- Hunter, A., et al. Functional assessments in mice and rats after focal stroke. Neuropharmacology. 39 (5), 806-816 (2000).
- Yarnell, A. M., et al. The revised neurobehavioral severity scale (NSS-R) for rodents. Current Protocols in Neuroscience. 75, 1-16 (2016).
- Fujimoto, S. T., Longhi, L., Saatman, K. E., McIntosh, T. K. Motor and cognitive function evaluation following experimental traumatic brain injury. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 28 (4), 365-378 (2004).
- Hausser, N., et al. Detecting behavioral deficits in rats after traumatic brain injury. Journal of Visualized Experiments:JoVE. (131), e56044 (2018).
- Ma, C., et al. Sex differences in traumatic brain injury: a multi-dimensional exploration in genes, hormones, cells, individuals, and society. Chinese Neurosurgical Journal. 5 (1), 1-9 (2019).
- Shahrokhi, N., Khaksari, M., Soltani, Z., Mahmoodi, M., Nakhaee, N. Effect of sex steroid hormones on brain edema, intracranial pressure, and neurologic outcomes after traumatic brain injury. Canadian Journal of Physiology and Pharmacology. 88 (4), 414-421 (2010).
- Farace, E., Alves, W. M. Do women fare worse: a metaanalysis of gender differences in traumatic brain injury outcome. Journal of Neurosurgery. 93 (4), 539-545 (2000).
- Basso, M. R., Harrington, K., Matson, M., Lowery, N. FORUM sex differences on the WMS-III: findings concerning verbal paired associates and faces. The Clinical Neuropsychologist. 14 (2), 231-235 (2000).
- Janowsky, J. S., Chavez, B., Zamboni, B. D., Orwoll, E. The cognitive neuropsychology of sex hormones in men and women. Developmental Neuropsychology. 14 (2-3), 421-440 (1998).
- Halari, R., et al. Sex differences and individual differences in cognitive performance and their relationship to endogenous gonadal hormones and gonadotropins. Behavioral Neuroscience. 119 (1), 104 (2005).
- Rowe, R. K., Griffiths, D., Lifshitz, J. . Pre-Clinical and Clinical Methods in Brain Trauma Research. , 97-110 (2018).
- Kabadi, S. V., Hilton, G. D., Stoica, B. A., Zapple, D. N., Faden, A. I. Fluid-percussion-induced traumatic brain injury model in rats. Nature Protocols. 5 (9), 1552-1563 (2010).
- Losurdo, M., Davidsson, J., Sköld, M. K. Diffuse axonal injury in the rat brain: axonal injury and oligodendrocyte activity following rotational injury. Brain Sciences. 10 (4), 229 (2020).
- Kuts, R., et al. A novel method for assessing cerebral edema, infarcted zone and blood-brain barrier breakdown in a single post-stroke rodent brain. Frontiers in Neuroscience. 13, 1105 (2019).
