מבחן מטרי להערכת זיכרון עבודה מרחבי בחולדות בוגרות בעקבות פגיעה מוחית טראומטית
Summary
פגיעה מוחית טראומטית (TBI) קשורה בדרך כלל עם פגיעה בזיכרון. כאן, אנו מציגים פרוטוקול להערכת זיכרון עבודה מרחבי לאחר TBI באמצעות משימה מטרית. מבחן מטרי הוא כלי שימושי לחקר ליקויים בזיכרון העבודה המרחבי לאחר TBI.
Abstract
ליקויים בזיכרון חושי, לטווח קצר ולטווח ארוך הם תופעות לוואי נפוצות לאחר פגיעה מוחית טראומטית (TBI). בשל המגבלות האתיות של מחקרים בבני אדם, מודלים מן החי מספקים חלופות מתאימות לבדיקת שיטות הטיפול, ולחקר המנגנונים והסיבוכים הקשורים למצב. מודלים של מכרסמים ניסיוניים היו בשימוש הנפוץ ביותר מבחינה היסטורית בשל הנגישות שלהם, עלות נמוכה, רבייה וגישות מאומתות. מבחן מטרי, הבוחן את היכולת להיזכר במיקום של שני אובייקטים במרחקים וזוויות שונות זה מזה, הוא טכניקה לחקר ליקויים בזיכרון העבודה המרחבי (SWM) לאחר TBI. היתרונות המשמעותיים של משימות מטריות כוללים אפשרות של התבוננות דינמית, עלות נמוכה, רבייה, קלות יישום יחסית וסביבת לחץ נמוכה. כאן, אנו מציגים פרוטוקול בדיקה מטרי למדידת ליקוי של SWM בחולדות מבוגרות לאחר TBI. בדיקה זו מספקת דרך ריאלית להעריך פיזיולוגיה ופתופיזיולוגיה של תפקוד המוח בצורה יעילה יותר.
Introduction
השכיחות של ליקויים נוירולוגיים כגון קשב, תפקוד מבצעי, ליקויי זיכרון מסוימים לאחר פגיעה מוחית טראומטית מתונה (TBI) היא יותר מ 50 אחוז1,2,3,4,5,6,7,8. TBI יכול להוביל לליקויים חמורים בזיכרון עבודה מרחבי לטווח קצר, ארוך טווח ועבודה9. ליקויי זיכרון אלה נצפו במודלים מכרסמים של TBI. מודלים מכרסמים אפשרו פיתוח של טכניקות לבדיקת זיכרון, המאפשר בדיקות עמוקות יותר לתוך ההשפעה של TBI על עיבוד זיכרון במערכות זיכרון עצבי.
שתי בדיקות, הקשורות לעיבוד מידע מרחבי טופולוגי ומדדי בהתאמה, מסייעות במדידת זיכרון עבודה מרחבי (SWM). הבדיקה הטופולוגית תלויה בשינוי גודל המרחב הסביבתי או מרחבי חיבור או מארז קשורים סביב אובייקט, בעוד המבחן המדדי מעריך שינויים בזוויות או במרחק בין אובייקטים10,11. גודריץ’-הונסאקר ואח’ התאימו תחילה את הבדיקה הטופולוגית האנושית לחולדות10 ויישמו את המשימה המטרית לניתוק התפקידים של קליפת המוח הקודקודית (PC) וההיפוקמפוס האל-קולי בעיבוד מידע מרחבי11. באופן דומה, גורקוף ועמיתיו העריכו משימות זיכרון מטרי, טופולוגי וטמפורלי לאחר פגיעה בהקשה לרוחב נוזל9. יש קשר בין נזק לאזורים מסוימים במוח לבין פגיעה בזיכרון מטרי או טופולוגי. הוצע כי ליקוי זיכרון מטרי קשור נגעים בgyrus gyrus gyrus דו צדדית ו cornu ammonis (CA) תת אזור CA3 של ההיפוקמפוס, וכי פגיעה בזיכרון הטופולוגי קשור נגעים קליפת המוח הקודקודית הדו צדדית10,12.
מטרת פרוטוקול זה היא להעריך גירעון זיכרון מרחבי באוכלוסיית חולדה באמצעות משימה מטרית. שיטה זו מהווה חלופה מתאימה לחקור מנגנונים של SWM לאחר פגיעה מוחית, ויתרונותיה כוללים את קלות היישום היחסית, רגישות גבוהה, עלות נמוכה של רבייה, אפשרות לתצפית דינמית וסביבת לחץ נמוכה. בהשוואה למשימות התנהגותיות אחרות כגון מבוך בארנס13,14, מוריס משימת ניווט במים15,16,17, או משימות מבוך מרחבי18,19, מבחן מטרי זה הוא פחות מסובך. בשל קלות היישום, המבחן המדדי דורש תקופת הכשרה קצרה ופחות מלחיצה ומתקיימת על פני יומייםבלבד 9: יום אחד להרגלה ויום אחד למשימה. יתר על כן, הבדיקה המוצעת שלנו קלה יותר לביצוע מאשר מבחני לחץ נמוכים אחרים, כגון משימת זיהוי האובייקטים החדשים (NOR), ואינה דורשת יום נוסף של הרגלה20.
מאמר זה מספק מודל פשוט להערכת SWM לאחר פגיעה מוחית. הערכה זו של לאחר TBI SWM עשויה לסייע בחקירה מקיפה יותר של הפתופיזיולוגיה שלה.
Protocol
Representative Results
Discussion
על ידי מיקוד ספציפי של תהליך המידע המרחבי המדדי, בדיקה מטרית זו מספקת כלי הכרחי להבנת מחסור בזיכרון לאחר TBI. הפרוטוקול המוצג במאמר זה הוא שינוי של משימות התנהגותיות שתוארו בעבר11. משימה מטרית אחת שתוארה בעבר השתמשה בשתי פרדיגמות שונות, שכל אחת מהן כללה שלושה מפגשי הרגלה ומפגש ב?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים לפרופסור אולנה סברינובסקיה; M.Sc מרינה קושריאבה; M.Sc טקסים קריבונוסוב; דרינה יעקובמנקו M.Sc; יבגניה גונצ’ריק M.Sc; ואולהה שפובל, דוקטורנטית במחלקה לפיזיולוגיה, הפקולטה לביולוגיה, אקולוגיה ורפואה, אוניברסיטת אולס הונצ’ר דניפרו, דניפרו, אוקראינה על תרומתם התומכת והשימושית. הנתונים הושגו כחלק מ עבודת הדוקטורט של דמיטרי פרנק.
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).
