التحويرات البيئية لعدد من الدماغ المتوسط الدوبامين العصبية في الفئران الكبار
Summary
This protocol describes two different environmental manipulations and a concurrent brain infusion protocol to study environmentally-induced brain changes underlying adaptive behavior and brain repair in adult mice.
Abstract
تغييرات طويلة الأمد في الدماغ أو "اللدونة الدماغ تكمن وراء السلوك التكيفي وإصلاح الدماغ بعد مرض أو إصابة. وعلاوة على ذلك، يمكن التفاعل مع بيئتنا لحث اللدونة الدماغ. على نحو متزايد، والبحث هو محاولة لتحديد أي بيئات تحفيز الدماغ اللدونة مفيدة لعلاج المخ والاضطرابات السلوكية. ووصف اثنان من التلاعب البيئية التي تزيد أو تنقص عدد التيروزين هيدروكسيلاز immunopositive (TH +، الانزيم-الحد من معدل الدوبامين في (DA) التوليف) الخلايا العصبية في الدماغ المتوسط الماوس الكبار. تضم أول الاقتران الذكور وإناث الفئران معا بشكل مستمر ل1 أسبوع، مما يزيد TH الدماغ المتوسط + الخلايا العصبية قبل ما يقرب من 12٪ في الذكور، ولكن يقلل TH الدماغ المتوسط + الخلايا العصبية قبل ما يقرب من 12٪ في الإناث. وتضم الثانية الفئران الإسكان مستمر لمدة 2 أسابيع في "بيئات المخصب" (EE) التي تحتوي على عجلات الجري واللعب والحبال ومواد التعشيش، الخ، والتي طncreases TH الدماغ المتوسط + الخلايا العصبية قبل ما يقرب من 14٪ في الذكور. بالإضافة إلى ذلك، يتم وصف بروتوكول للغرس في وقت واحد العقاقير مباشرة في الدماغ المتوسط خلال هذه المناورات البيئية للمساعدة على تحديد الآليات الكامنة التي يسببها للبيئة اللدونة الدماغ. على سبيل المثال، ألغت EE-تحريض المزيد من TH الدماغ المتوسط + الخلايا العصبية التي كتبها الحصار المتزامن لمدخلات متشابك على الخلايا العصبية الدماغ المتوسط. معا، وهذه البيانات تشير إلى أن المعلومات عن البيئة وترحيل عن طريق إدخال متشابك إلى الخلايا العصبية الدماغ المتوسط لتشغيل أو إيقاف التعبير عن الجينات "DA". وهكذا، والتحفيز البيئي المناسب، أو استهداف الآليات الكامنة وراء المخدرات، قد يكون من المفيد لعلاج اضطرابات الدماغ والسلوكية المرتبطة الاختلالات في الدماغ المتوسط DA (مثل مرض باركنسون، نقص الانتباه وفرط النشاط، والفصام، وإدمان المخدرات).
Introduction
ويعتقد DArgic إشارات من قبل الخلايا العصبية في المنطقة البطنية السقيفية (VTA) وsubstantia بارس السوداء المكتنزة (SNC) من المخ الأوسط إلى أن تكون مهمة لالسلوكيات المعرفية والانفعالية والحركية لديهم دوافع مكافأة. ومع ذلك، الكثير أو القليل جدا الدماغ المتوسط مما يشير DA يسبب العديد من الأعراض تعطيل في مجموعة متنوعة من الاضطرابات العصبية (مثل مرض باركنسون، نقص الانتباه وفرط النشاط، والفصام، وإدمان المخدرات). الأدوية التي تزيد أو تنقص DA يشير تخفيف هذه الأعراض، إلا أنها تنتج أيضا من الآثار الجانبية التي تعزى إلى إشارات dysregulated وبعيدا عن الهدف الآثار. ينخفض نجاعة الأدوية أيضا بمرور الوقت نتيجة للردود التعويضية من الدماغ. وبالتالي فإن التحدي يكمن في استعادة العادية الدماغ المتوسط مما يشير DA بطريقة أكثر استهدافا والفسيولوجية، واتباع نهج المفضل هو عن طريق زيادة أو خفض عدد الخلايا العصبية DA الدماغ المتوسط.
تم الأدلة تتراكم لبغازيعقود األطراف أن التعبير عن الجينات والبروتينات المشاركة في التأييض والاتجار DA والكاتيكولامينات أخرى في خلايا بالغة ناضجة للتعديل (مراجعة في 1). في المخ الأوسط، وعدد من التيروزين هيدروكسيلاز immunopositive (TH +، الانزيم معدل الحد في DA التوليف) الخلايا العصبية يقلل ثم الزيادات التالية إدارة عصبي 2،3، في حين أن عدد TH immunonegative (TH-) الخلايا العصبية يظهر نمط المعاكس (أي زيادات ثم يقلل 3). وهذا يتفق مع فقدان ثم كسب من "النمط الظاهري DA" من قبل بعض الخلايا. كما تم عرض عدد من TH + وTH- SNC الخلايا العصبية لتغيير في اتجاهات متساوية ولكن المعاكس التالية العلاجات المختلفة التي تغير النشاط الكهربائي لهذه الخلايا 4،5. على سبيل المثال، والتسريب للتصرف صغير والبوتاسيوم تنشيط الكالسيوم (SK) قناة خصم أبامين في المخ الأوسط لمدة 2 أسابيع يقلل من عدد من TH + وزيادات (بنفس المقدار) للنوmber من TH- SNC الخلايا العصبية 4،5. في المقابل، ضخ SK قناة ناهض 1-EBIO يزيد من عدد TH + والنقصان (بنفس المقدار) عدد الخلايا العصبية TH- SNC 4،5. وشوهدت تغييرات مماثلة التالية مجموعة متنوعة من العلاجات التي تستهدف SNC نشاط الخلايا العصبية، بما في ذلك بعض التي استهدفت المدخلات وارد 4. هذه اللائحة واضح من عدد من الخلايا العصبية SNC DArgic بواسطة نشاط الخلايا العصبية والمدخلات وارد يثير احتمال أن البيئة أو السلوك يمكن أن تؤثر على عدد الخلايا العصبية SNC. في الواقع الفئران البالغة تتعرض لبيئات مختلفة لديها أكثر أو أقل الدماغ المتوسط (SNC وVTA) TH + الخلايا العصبية، وعلى الأقل بعض من هذه التغييرات الناجمة عن البيئة وألغيت من قبل الحصار المتزامن لمدخلات متشابك في المخ الأوسط 6. أهداف هذه الاتصالات هي: (1) تقديم مزيد من التفاصيل حول كيفية تنفيذ التلاعب البيئية لدينا وضخ المخدرات؛ و (2) تقديم المزيد من البيانات الداعمة خلاف في أن البريدnvironment ينظم عدد من الخلايا العصبية DA الدماغ المتوسط، عن طريق إدخال ارد.
Protocol
Representative Results
Discussion
التلاعب البيئية
وكان الدافع وراء تصميم هذه التلاعبات البيئية (مزاوجة بين الجنسين والإثراء البيئي) لتحديد ما إذا كانت البيئة، و / أو السلوك بدافع البيئة، ويرتبط مع التغيرات في عدد الخلايا العصبية DA الدماغ المتوسط. كان التركي?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This study was supported by the National Health and Medical Research Council of Australia (NHMRC) Project grant 1022839. AJH is an Australian Research Council (ARC) FT3 Future Fellow (FT100100835). The Florey Institute of Neuroscience and Mental Health acknowledges support from the Victorian Government’s Operational Infrastructure Support Grant.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| Isofluorane | Baxter Healthcare Pty Ltd, Baxter Drive, NSW 2146, Australia | AHN3640 | |
| ALZET Osmotic pump 1002 | DURECT Corporation, PO Box 530 Cupertino, CA 95015-0530 | 0004317 | |
| ALZET Brain infusion kit 1 | DURECT Corporation, PO Box 530 Cupertino, CA 95015-0530 | 0004760 | |
| ALZET cannula holder 1 | DURECT Corporation, PO Box 530 Cupertino, CA 95015-0530 | 0008860 | |
| Vertex Monomer Self-curing (dental acrylic solvent) | Vertex Dental, Postbus 10, 3700 AA ZEIST, The Netherlands | n/a | |
| Vertex Self Curing (dental acrylic powder) | Vertex Dental, Postbus 10, 3700 AA ZEIST, The Netherlands | n/a | |
| METACAM (Meloxicam) | Troy Laboratories, 98 long Street, smithfield NSW 2164 Australia | L10100 | |
| Sodium Pentobarbitone | Lethabarb, Virbac, Milperra, NSW, Australia | 571177 | |
| Normal goat serum | chemicon-temecula, CA | S26-Litre | |
| Triton X-100 | Merck Millipore Headquarters , 290 Concord road, Billerica, MA 01821 | 1.08603.1000 | |
| Polyclonal rabbit anti-tyrosine hydroxylase | Merck Millipore Headquarters , 290 Concord road, Billerica, MA 01821 | AB152 | |
| Polyclonal biotinylated goat anti-rabbit | Dako Australia Pty. Ltd., Suite 4, Level 4, 56 Berry street, North Sydney, NSW, Australia 2060 | EO432 | |
| Avidin peroxidase | Sigma-aldrich, Castle Hill, NSW 1765 AU | A3151-1mg | |
| Diamino-benzidine | Sigma-aldrich, Castle Hill, NSW 1765 AU | D-5637 | |
| Stereo Investigator | MicroBrightField Bioscience, 185 Allen Brook Lane, Suite 101, Williston, VT 05495 | n/a |
Referências
- Aumann, T., Horne, M. Activity-dependent regulation of the dopamine phenotype in substantia nigra neurons. Journal of neurochemistry. 121, 497-515 (2012).
- Sauer, H., Oertel, W. H. Progressive degeneration of nigrostriatal dopamine neurons following intrastriatal terminal lesions with 6-hydroxydopamine: a combined retrograde tracing and immunocytochemical study in the rat. Neurociência. 59, 401-415 (1994).
- Stanic, D., Finkelstein, D. I., Bourke, D. W., Drago, J., Horne, M. K. Timecourse of striatal re-innervation following lesions of dopaminergic SNpc neurons of the rat. The European journal of neuroscience. 18, 1175-1188 (2003).
- Aumann, T. D., et al. Neuronal activity regulates expression of tyrosine hydroxylase in adult mouse substantia nigra pars compacta neurons. Journal of neurochemistry. 116, 646-658 (2011).
- Aumann, T. D., et al. SK channel function regulates the dopamine phenotype of neurons in the substantia nigra pars compacta. Experimental neurology. 213, 419-430 (2008).
- Aumann, T. D., Tomas, D., Horne, M. K. Environmental and behavioral modulation of the number of substantia nigra dopamine neurons in adult mice. Brain and behavior. 3, 617-625 (2013).
- Paxinos, G., Franklin, K. B. J. . The mouse brain in stereotaxic coordinates. , (2001).
- Schultz, W. Behavioral dopamine signals. Trends in neurosciences. 30, 203-210 (2007).
- Sun, P., Smith, A. S., Lei, K., Liu, Y., Wang, Z. Breaking bonds in male prairie vole: long-term effects on emotional and social behavior, physiology, and neurochemistry. Behavioural brain research. 265, 22-31 (2014).
- Aponso, P. M., Faull, R. L., Connor, B. Increased progenitor cell proliferation and astrogenesis in the partial progressive 6-hydroxydopamine model of Parkinson’s disease. Neurociência. 151, 1142-1153 (2008).
- Frielingsdorf, H., Schwarz, K., Brundin, P., Mohapel, P. No evidence for new dopaminergic neurons in the adult mammalian substantia nigra. Proc Natl Acad Sci U S A. 101, 10177-10182 (2004).
- Lie, D. C., et al. The adult substantia nigra contains progenitor cells with neurogenic potential. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 22, 6639-6649 (2002).
- Chen, Y., Ai, Y., Slevin, J. R., Maley, B. E., Gash, D. M. Progenitor proliferation in the adult hippocampus and substantia nigra induced by glial cell line-derived neurotrophic factor. Experimental neurology. 196, 87-95 (2005).
- Yoshimi, K., et al. Possibility for neurogenesis in substantia nigra of parkinsonian brain. Ann Neurol. 58, 31-40 (2005).
- Shan, X., et al. Enhanced de novo neurogenesis and dopaminergic neurogenesis in the substantia nigra of 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine-induced Parkinson’s disease-like mice. Stem Cells. 24, 1280-1287 (2006).
- Zhao, M., et al. Evidence for neurogenesis in the adult mammalian substantia nigra. Proc Natl Acad Sci U S A. 100, 7925-7930 (2003).
- Baker, H., Kawano, T., Margolis, F. L., Joh, T. H. Transneuronal regulation of tyrosine hydroxylase expression in olfactory bulb of mouse and rat. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 3, 69-78 (1983).
- Black, I. B., Chikaraishi, D. M., Lewis, E. J. Trans-synaptic increase in RNA coding for tyrosine hydroxylase in a rat sympathetic ganglion. Brain research. 339, 151-153 (1985).
- Zigmond, R. E., Chalazonitis, A., Joh, T. Preganglionic nerve stimulation increases the amount of tyrosine hydroxylase in the rat superior cervical ganglion. Neuroscience letters. 20, 61-65 (1980).
- Biguet, N. F., Rittenhouse, A. R., Mallet, J., Zigmond, R. E. Preganglionic nerve stimulation increases mRNA levels for tyrosine hydroxylase in the rat superior cervical ganglion. Neuroscience letters. 104, 189-194 (1989).
- Richard, F., et al. Modulation of tyrosine hydroxylase gene expression in rat brain and adrenals by exposure to cold. Journal of neuroscience research. 20, 32-37 (1988).
- Schalling, M., Stieg, P. E., Lindquist, C., Goldstein, M., Hokfelt, T. Rapid increase in enzyme and peptide mRNA in sympathetic ganglia after electrical stimulation in humans. Proc Natl Acad Sci U S A. 86, 4302-4305 (1989).
- Liaw, J. J., He, J. R., Barraclough, C. A. Temporal changes in tyrosine hydroxylase mRNA levels in A1, A2 and locus ceruleus neurons following electrical stimulation of A1 noradrenergic neurons. Brain research. Molecular brain research. 13, 171-174 (1992).
- Watabe-Uchida, M., Zhu, L., Ogawa, S. K., Vamanrao, A., Uchida, N. Whole-brain mapping of direct inputs to midbrain dopamine neurons. Neuron. 74, 858-873 (2012).
- Tepper, J. M., Lee, C. R. GABAergic control of substantia nigra dopaminergic neurons. Progress in brain research. 160, 189-208 (2007).
- Hannan, A. J. Environmental enrichment and brain repair: harnessing the therapeutic effects of cognitive stimulation and physical activity to enhance experience-dependent plasticity. Neuropathology and applied neurobiology. 40, 13-25 (2014).
- Nithianantharajah, J., Hannan, A. J. Enriched environments, experience-dependent plasticity and disorders of the nervous system. Nature reviews. Neuroscience. 7, 697-709 (2006).
- Chmiel, D. J., Noonan, M. Preference of laboratory rats for potentially enriching stimulus objects. Laboratory animals. 30, 97-101 (1996).
- Hanmer, L. A., Riddell, P. M., Williams, C. M. Using a runway paradigm to assess the relative strength of rats’ motivations for enrichment objects. Behavior research methods. 42, 517-524 (2010).
- Burrows, E. L., McOmish, C. E., Hannan, A. J. Gene-environment interactions and construct validity in preclinical models of psychiatric disorders. Progress in neuro-psychopharmacology & biological psychiatry. 35, 1376-1382 (2011).
- Van de Weerd, H. A., Van Loo, P. L. P., Van Zutphen, L. F. M., Koolhaas, J. M., Baumans, V. Strength of preference for nesting material as environmental enrichment for laboratory mice. Applied Animal Behaviour Science. 55, 369-382 (1998).
- Rampon, C., et al. Effects of environmental enrichment on gene expression in the brain. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 97, 12880-12884 (2000).
- Eckert, M. J., Abraham, W. C. Effects of environmental enrichment exposure on synaptic transmission and plasticity in the hippocampus. Current topics in behavioral neurosciences. 15, 165-187 (2013).
- Sztainberg, Y., Chen, A. An environmental enrichment model for mice. Nature protocols. 5, 1535-1539 (2010).
- Sale, A., Berardi, N., Maffei, L. Environment and brain plasticity: towards an endogenous pharmacotherapy. Physiological reviews. 94, 189-234 (2014).
