تشغيل عجلة وتعقيد البيئة باعتبارها تدخل علاجي في نموذج حيواني من FASD
Summary
ممارسة القلب والأوعية الدموية وتحفيز الخبرات في بيئة معقدة لها فوائد إيجابية على تدابير متعددة من المرونة العصبية داخل الدماغ القوارض. هذه المادة سوف يناقش تنفيذ هذه التدخلات بأنها "superintervention" الذي يجمع بين تشغيل عجلة وتعقد البيئة وستتناول القيود المفروضة على هذه التدخلات.
Abstract
التمارين الرياضية (على سبيل المثال، عجلة تشغيل (WR) المستخدمة على نطاق واسع في البحوث الحيوانية) يؤثر إيجابا تدابير عديدة من إمكانات المرونة العصبية في الدماغ، مثل معدلات تكوين الخلايا العصبية الكبار، الأوعية الدموية، والتعبير عن عوامل عصبية في القوارض. وقد تبين أيضا هذا التدخل للتخفيف من الجوانب السلوكية وتشريحي عصبي من الآثار السلبية للteratogens (أي التعرض التنموي على الكحول) والتنكس العصبي المرتبط بالعمر في القوارض. وقد تبين تعقيد البيئة (EC) لإنتاج العديد من الفوائد المرونة العصبية في الهياكل القشرية وتحت القشرية ويمكن أن يقترن مع عجلة دوارة لزيادة انتشار وبقاء خلايا جديدة في الحصين الكبار. الجمع بين هذه التدخلات اثنان يوفر "superintervention" قوية (WR-EC) والتي يمكن تنفيذها في مجموعة من نماذج القوارض من الاضطرابات العصبية. وسوف نناقش تنفيذ WR / EC والمكونة لها فيterventions لاستخدامها بوصفها التدخل العلاجي أكثر قوة في الفئران باستخدام نموذج حيواني من تعرض الجنين للكحول في البشر. سنناقش أيضا الذي عناصر من إجراءات ضرورية للغاية لتدخلات ويمكن تغييرها تلك التي يتوقف على سؤال أو مرافق مجرب.
Introduction
المعروف منذ وقت طويل تربية في بيئات مختلفة لإحداث تغييرات في مختلف التدابير العافية العصبية. العديد من الدراسات نظرة على الآثار المفيدة للتربية في بيئة معقدة (EC) بدءا من البحوث الرائدة التي كتبها الماس وروزنويج (على سبيل المثال، 1، 2) وجرينوف (على سبيل المثال، 3، 4). وقد تجلى EC أن يكون لها آثار إيجابية لا يمكن إنكارها على التغييرات متشابك والخلوية في الدماغ 5، 6، 7. المفوضية الأوروبية يمكن أن تؤثر على عدد وافر من مناطق الدماغ بما في ذلك الحصين 8 و 9 و القشرة البصرية 10، 11، المخطط البطني 12، 13، وكذلكوظيفة neuroimmune على نطاق الدماغ (إعادة النظر في 14). وقد وضعت أهمية خاصة من الدراسات حول الحصين بعد أن تبين لها أن الاتحاد الأوروبي يمكن أن تزيد من معدل البقاء على قيد الحياة من الخلايا الحبيبية المولد الكبار من التلفيف المسنن من خلال اللدونة شجيري 9 و 13. وقد جمعت هذه النقطة الأخيرة الكثير من الاهتمام نظرا لمجموعة متزايدة من الأدبيات تشير إلى أن ممارسة القلب والأوعية الدموية وتشجع تكوين الخلايا العصبية الكبار في كل من صحية وتلف الدماغ 15، 16، 17، 18. تشغيل عجلة (WR) هو وسيلة سهلة لتنفيذ شكل من أشكال النشاط الطوعي القلب والأوعية الدموية التي ثبت أن يكون مفيدا في نماذج القوارض من اضطرابات عصبية أو الشيخوخة 17، 19، 20. WR يؤثر على التعبير من عوامل النمو في كل من النظام المركزي والمحيطي العصبي 21، 22، 23.
الجمع بين (لاحقا) WR والمفوضية الأوروبية إلى "superintervention" (WR-EC) (أي 12 يوما من WR تليها 30 يوما في EC) يوفر زيادة قوية في تكوين الخلايا العصبية الكبار قرن آمون وزيادة بقاء الخلايا انتشرت حديثا 8، أثر ذلك في نموذج حيواني من FASD لم يتحقق من قبل المكونات الفردية (أنظر أدناه). لأن كلا من مكونات WR-EC تؤثر مجموعة متنوعة من الهياكل داخل الدماغ 13 (WR استعراضها في 22، والمفوضية الأوروبية التي استعرضت في 24)، ويمكن بسهولة أن تطبق تنفيذ هذا التدخل إلى نماذج القوارض في كل من الحياة نماذج الظهور التنموية وفي وقت لاحق من العصبية انخفاض (على سبيل المثال، تعرض الكحول الأطفال حديثي الولادة، والشيخوخة، والإجهاد الحياة في وقت مبكر).
الإقليم الشمالي "> دمج WR-EC في فترات المراهقة وأوائل الكبار (أي أيام بعد الولادة 30-72) يمكن أن يخفف من بعض الآثار السلبية للنموذج الفئران من اضطرابات الكحول الطيف الجنين (FASDs) 8 مجموعة من الدراسات. أثبتت أن القوارض يتعرض لالكحول من يوم ما بعد الولادة (PD) من 4 إلى عجز كبير 9 العرض في التدابير تشريحي عصبي مثل تعقيد شجيري 25، والتنمية المخيخ 26 و 27 و الاستجابة neuroimmune 28 وكذلك مظاهر ضعف في التعلم والذاكرة 29، 30، 31 وحتى خفض كمية من التعرض للكحول ضمن هذا الإطار الوقت (أي PD 7 إلى 9) يمكن أن يؤدي إلى عجز في التعلم والذاكرة في المراهقين والكبار الفئران 32 في حين أن بعض الهياكل لم تعد ترى سيجnificant ضعف تشريحي عصبي 27. تم تخفيفها بعد التعرض لهذا النموذج WR-EC 8، 33 أو WR وحدها 25، 31 – كثير من هذه العجوزات – بالإضافة إلى ضعف السلوكية في المهام التي تعتمد على الحصين. على الرغم من أن WR وحدها كانت تدخل المستخدمة على نطاق واسع، لم تستخدم مزيج من WR-EC في الأدب على الرغم من قدرته على الحفاظ على الفوائد قصيرة الأجل نسبيا من WR 8. هذه المادة سوف يناقش تنفيذ تدخل WR-EC خلال فترة المراهقة. على الرغم من أن يستخدم هذا النموذج في سياق أوائل التعرض للكحول بعد الولادة، يمكن أن تكون على قدم نماذج مختلفة من القوارض لتقييم إمكانات الدماغ عن المرونة العصبية في نماذج من اضطرابات الدماغ.Protocol
Representative Results
Discussion
في البروتوكول أعلاه، أثبتنا التدخل المناسب لانقاذ عجز تشريحي عصبي بعد التعرض الكحول حديثي الولادة. هذا التدخل يمكن أن تستخدم العلاجية في النماذج الحيوانية الأخرى نظرا لمتانة كل عنصر من العناصر للتدخل. وقد تبين نشاط القلب والأوعية الدموية الطوعي في شكل WR للاستفادة ع…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We would like to dedicate this work to the memory of late Dr. William T. Greenough, a great mentor, a colleague and a friend. This work was supported by NIH/NIAAA grant number AA009838 and NIH/NIGMS COBRE: The Delaware Center for Neuroscience research grant 1P20GM103653 to AYK. We are grateful to the former and current members of Klintsova lab.
Materials
| Female Time-pregnant Long Evans Rats | Envigo (Formerly: Harlan, Inc.) | Average litter size is 8-10 pups | |
| Black India Ink | Higgins (Chartpak, Inc.) | 44201 | |
| Syringes and Injection Needles | Becton, Dickinson and Company (BD) | Assorted | For injection of pawmarking ink, administration of milk-alcohol solution |
| Ear Punch | Kent Scientific Corporation | INS750076 | |
| Running Wheels | Wahmann Labs | Wahmann Running Wheel is discontinued. Substitute with One per cage | |
| EC Cage | Martin's Cages, Inc. | R-695 | |
| Small EC Toys | Assorted | ||
| Medium EC Toys | Assorted | Should be able to fit 1-2 rats inside of/ on top of object | |
| Large EC Toys | Assorted | Should be able to fit 3 or more rats inside of/on top of object |
Referências
- Diamond, M. C., et al. Increases in cortical depth and glia numbers in rats subjected to enriched environment. J Comp Neurol. 128 (1), 117-126 (1966).
- Rosenzweig, M. R., Bennett, E. L., Hebert, M., Morimoto, H. Social grouping cannot account for cerebral effects of enriched environments. Brain Res. 153 (3), 563-576 (1978).
- Greenough, W. T. Experiential modification of the developing brain. Am Sci. 63 (1), 37-46 (1975).
- Volkmar, F. R., Greenough, W. T. Rearing complexity affects branching of dendrites in the visual cortex of the rat. Science. 176 (4042), 1445-1447 (1972).
- Greenough, W. T., Volkmar, F. R., Juraska, J. M. Effects of rearing complexity on dendritic branching in frontolateral and temporal cortex of the rat. Exp Neurol. 41 (2), 371-378 (1973).
- Sampedro-Piquero, P., Zancada-Menendez, C., Begega, A. Housing condition-related changes involved in reversal learning and its c-Fos associated activity in the prefrontal cortex. Neurociência. 307, 14-25 (2015).
- Sirevaag, A. M., Greenough, W. T. Differential rearing effects on rat visual cortex synapses. III. Neuronal and glial nuclei, boutons, dendrites, and capillaries. Brain Res. 424 (2), 320-332 (1987).
- Hamilton, G. F., Boschen, K. E., Goodlett, C. R., Greenough, W. T., Klintsova, A. Y. Housing in environmental complexity following wheel running augments survival of newly generated hippocampal neurons in a rat model of binge alcohol exposure during the third trimester equivalent. Alcohol Clin Exp Res. 36 (7), 1196-1204 (2012).
- Kempermann, G., Kuhn, H. G., Gage, F. H. More hippocampal neurons in adult mice living in an enriched environment. Nature. 386 (6624), 493-495 (1997).
- Juraska, J. M., Greenough, W. T., Elliott, C., Mack, K. J., Berkowitz, R. Plasticity in adult rat visual cortex: an examination of several cell populations after differential rearing. Behav Neural Biol. 29 (2), 157-167 (1980).
- Turner, A. M., Greenough, W. T. Differential rearing effects on rat visual cortex synapses. I. Synaptic and neuronal density and synapses per neuron. Brain Res. 329 (1-2), 195-203 (1985).
- Brenes, J. C., Rodriguez, O., Fornaguera, J. Differential effect of environment enrichment and social isolation on depressive-like behavior, spontaneous activity and serotonin and norepinephrine concentration in prefrontal cortex and ventral striatum. Pharmacol Biochem Behav. 89 (1), 85-93 (2008).
- Kolb, B., Gorny, G., Soderpalm, A. H., Robinson, T. E. Environmental complexity has different effects on the structure of neurons in the prefrontal cortex versus the parietal cortex or nucleus accumbens. Synapse. 48 (3), 149-153 (2003).
- Singhal, G., Jaehne, E. J., Corrigan, F., Baune, B. T. Cellular and molecular mechanisms of immunomodulation in the brain through environmental enrichment. Front Cell Neurosci. 8, 97 (2014).
- Helfer, J. L., Goodlett, C. R., Greenough, W. T., Klintsova, A. Y. The effects of exercise on adolescent hippocampal neurogenesis in a rat model of binge alcohol exposure during the brain growth spurt. Brain Res. 1294, 1-11 (2009).
- van Praag, H., et al. Functional neurogenesis in the adult hippocampus. Nature. 415 (6875), 1030-1034 (2002).
- van Praag, H., Shubert, T., Zhao, C., Gage, F. H. Exercise enhances learning and hippocampal neurogenesis in aged mice. J Neurosci. 25 (38), 8680-8685 (2005).
- Vivar, C., Peterson, B. D., van Praag, H. Running rewires the neuronal network of adult-born dentate granule cells. Neuroimage. 1 (131), 29-41 (2015).
- Mustroph, M. L., et al. Increased adult hippocampal neurogenesis is not necessary for wheel running to abolish conditioned place preference for cocaine in mice. Eur J Neurosci. 41 (2), 216-226 (2015).
- Patten, A. R., et al. Long-term exercise is needed to enhance synaptic plasticity in the hippocampus. Learn Mem. 20 (11), 642-647 (2013).
- Carro, E., Nunez, A., Busiguina, S., Torres-Aleman, I. Circulating insulin-like growth factor I mediates effects of exercise on the brain. J Neurosci. 20 (8), 2926-2933 (2000).
- Cotman, C. W., Berchtold, N. C. Exercise: a behavioral intervention to enhance brain health and plasticity. Trends Neurosci. 25 (6), 295-301 (2002).
- Praag, H., Fleshner, M., Schwartz, M. W., Mattson, M. P. Exercise, energy intake, glucose homeostasis, and the brain. J Neurosci. 34 (46), 15139-15149 (2014).
- van Praag, H., Kempermann, G., Gage, F. H. Neural consequences of environmental enrichment. Nat Rev Neurosci. 1 (3), 191-198 (2000).
- Hamilton, G. F., Criss, K. J., Klintsova, A. Y. Voluntary exercise partially reverses neonatal alcohol-induced deficits in mPFC layer II/III dendritic morphology of male adolescent rats. Synapse. 69 (8), 405-415 (2015).
- Goodlett, C. R., Thomas, J. D., West, J. R. Long-term deficits in cerebellar growth and rotarod performance of rats following "binge-like" alcohol exposure during the neonatal brain growth spurt. Neurotoxicol Teratol. 13 (1), 69-74 (1991).
- Goodlett, C. R., Lundahl, K. R. Temporal determinants of neonatal alcohol-induced cerebellar damage and motor performance deficits. Pharmacol Biochem Behav. 55 (4), 531-540 (1996).
- Boschen, K., Ruggiero, M., Klintsova, A. Neonatal binge alcohol exposure increases microglial activation in the developing rat hippocampus. Neurociência. 324, 355-366 (2016).
- Goodlett, C. R., Peterson, S. D. Sex differences in vulnerability to developmental spatial learning deficits induced by limited binge alcohol exposure in neonatal rats. Neurobiol Learn Mem. 64 (3), 265-275 (1995).
- Murawski, N. J., Klintsova, A. Y., Stanton, M. E. Neonatal alcohol exposure and the hippocampus in developing male rats: effects on behaviorally induced CA1 c-Fos expression, CA1 pyramidal cell number, and contextual fear conditioning. Neurociência. 206, 89-99 (2012).
- Thomas, J. D., Sather, T. M., Whinery, L. A. Voluntary exercise influences behavioral development in rats exposed to alcohol during the neonatal brain growth spurt. Behav Neurosci. 122 (6), 1264-1273 (2008).
- Hamilton, G. F., et al. Neonatal alcohol exposure disrupts hippocampal neurogenesis and contextual fear conditioning in adult rats. Brain Res. 1412, 88-101 (2011).
- Hamilton, G. F., et al. Exercise and environment as an intervention for neonatal alcohol effects on hippocampal adult neurogenesis and learning. Neurociência. 265, 274-290 (2014).
- Kelly, S. J., Lawrence, C. R., Nagy, L. E. . Alcohol: Methods and Protocols. , (2008).
- Helfer, J. L., et al. Binge-like postnatal alcohol exposure triggers cortical gliogenesis in adolescent rats. J Comp Neurol. 514 (3), 259-271 (2009).
- Hamilton, G. F. . Behavioral Interventions to Alleviate the Impact of Neonatal Alcohol Exposure on Cell Morphology in the Rodent Hippocampus and Medial Prefrontal Cortex. Doctor of Philosophy thesis. , (2012).
- Klintsova, A. Y., et al. Persistent impairment of hippocampal neurogenesis in young adult rats following early postnatal alcohol exposure. Alcohol Clin Exp Res. 31 (12), 2073-2082 (2007).
- Brockett, A. T., LaMarca, E. A., Gould, E. Physical exercise enhances cognitive flexibility as well as astrocytic and synaptic markers in the medial prefrontal cortex. PLoS One. 10 (5), e0124859 (2015).
- Creer, D. J., Romberg, C., Saksida, L. M., van Praag, H., Bussey, T. J. Running enhances spatial pattern separation in mice. Proc Natl Acad Sci U S A. 107 (5), 2367-2372 (2010).
- Patten, A. R., et al. The benefits of exercise on structural and functional plasticity in the rodent hippocampus of different disease models. Brain Plast. 1 (1), 97-127 (2015).
- Van der Borght, K., et al. Physical exercise leads to rapid adaptations in hippocampal vasculature: temporal dynamics and relationship to cell proliferation and neurogenesis. Hippocampus. 19 (10), 928-936 (2009).
- Johansson, B. B., Belichenko, P. V. Neuronal plasticity and dendritic spines: effect of environmental enrichment on intact and postischemic rat brain. J Cereb Blood Flow Metab. 22 (1), 89-96 (2002).
- Sirevaag, A. M., Greenough, W. T. Differential rearing effects on rat visual cortex synapses. II. Synaptic morphometry. Brain Res. 351 (2), 215-226 (1985).
- Pham, T. M., Winblad, B., Granholm, A. C., Mohammed, A. H. Environmental influences on brain neurotrophins in rats. Pharmacol Biochem Behav. 73 (1), 167-175 (2002).
- Patten, A. R., et al. Long-term exercise is needed to enhance synaptic plasticity in the hippocampus. Learn Mem. 20 (11), 642-647 (2013).
- Patten, A. R., et al. The Benefits of Exercise on Structural and Functional Plasticity in the Rodent Hippocampus of Different Disease Models. Brain Plasticity. 1 (1), 97-127 (2015).
- Abou-Ismail, U. A. Are the effects of enrichment due to the presence of multiple items or a particular item in the cages of laboratory rat?. Appl Ani Behav Sci. 134 (1-2), 72-82 (2011).
- Stranahan, A. M., Khalil, D., Gould, E. Social isolation delays the positive effects of running on adult neurogenesis. Nat Neurosci. 9 (4), 526-533 (2006).
- Boschen, K. E., Hamilton, G. F., Delorme, J. E., Klintsova, A. Y. Activity and social behavior in a complex environment in rats neonatally exposed to alcohol. Alcohol. 48 (6), 533-541 (2014).
- Artola, A., et al. Long lasting modulation of the induction of LTD and LTP in rat hippocampal CA1 by behavioural stress and environmental enrichment. Eur J Neurosci. 23 (1), 261-272 (2006).
- Bergami, M., et al. A critical period for experience-dependent remodeling of adult-born neuron connectivity. Neuron. 85 (4), 710-717 (2015).
- Fréchette, M., Rennie, K., Pappas, B. A. Developmental forebrain cholinergic lesion and environmental enrichment: behaviour, CA1 cytoarchitecture and neurogenesis. Brain Res. 1252, 172-182 (2009).
- Rogers, J., et al. Dissociating the therapeutic effects of environmental enrichment and exercise in a mouse model of anxiety with cognitive impairment. Transl Psychiatry. 6, e794 (2016).
