Beoordeling van de geheugenfunctie bij pilocarpine-geïnduceerde epileptische muizen
Summary
Dit artikel presenteert experimentele procedures voor het beoordelen van geheugenstoornissen bij pilocarpine-geïnduceerde epileptische muizen. Dit protocol kan worden gebruikt om de pathofysiologische mechanismen van epilepsie-geassocieerde cognitieve achteruitgang te bestuderen, wat een van de meest voorkomende comorbiditeiten bij epilepsie is.
Abstract
Cognitieve stoornissen is een van de meest voorkomende comorbiditeiten in temporale kwab epilepsie. Om epilepsie-geassocieerde cognitieve achteruitgang samen te vatten in een dierlijk model van epilepsie, genereerden we met pilocarpine behandelde chronische epileptische muizen. We presenteren een protocol voor drie verschillende gedragstests met behulp van deze epileptische muizen: nieuwe objectlocatie (NL), nieuwe objectherkenning (NO) en patroonscheiding (PS) tests om leren en geheugen voor respectievelijk plaatsen, objecten en contexten te evalueren. We leggen uit hoe je het gedragsapparaat instelt en experimentele procedures voor de NL-, NO- en PS-tests aans te bieden na een open veldtest die de basale motorische activiteiten van de dieren meet. We beschrijven ook de technische voordelen van de NL- en NO- en PS-tests met betrekking tot andere gedragstests voor het beoordelen van de geheugenfunctie bij epileptische muizen. Tot slot bespreken we mogelijke oorzaken en oplossingen voor epileptische muizen die niet 30 s van goed contact met de objecten maken tijdens de kennismakingssessies, wat een cruciale stap is voor succesvolle geheugentests. Zo biedt dit protocol gedetailleerde informatie over het beoordelen van epilepsie-geassocieerde geheugenstoornissen met behulp van muizen. De NL- en PS-tests zijn eenvoudige, efficiënte tests die geschikt zijn voor de evaluatie van verschillende soorten geheugen bij epileptische muizen.
Introduction
Epilepsie is een chronische aandoening die wordt gekenmerkt door spontane terugkerende aanvallen1,,2,3. Omdat repetitieve aanvallen structurele en functionele afwijkingen in de hersenen1,2,3,abnormale epileptische aanvalactiviteit kunnen veroorzaken, kan abnormale aanvalsactiviteit bijdragen aan cognitieve disfunctie, wat een van de meest voorkomende epilepsie-geassocieerde comorbiditeiten is4,5,6. In tegenstelling tot de chronische epileptische aanvallen, die van voorbijgaande aard en kortstondig zijn, kunnen cognitieve stoornissen gedurende het leven van epileptische patiënten voortduren, waardoor hun kwaliteit van leven verslechtert. Daarom is het belangrijk om de pathofysiologische mechanismen van epilepsie-geassocieerde cognitieve achteruitgang te begrijpen.
Verschillende experimentele diermodellen van epilepsie zijn gebruikt om de leer- en geheugentekorten aan te tonen die gepaard gaan met chronische epilepsie7,8,9,10,11,12. Zo zijn het Morris waterdoolhof, contextuele angstconditionering, hole-board, novel object location (NL) en nieuwe objectherkenning (NO) tests vaak gebruikt om geheugendisfunctie in temporale kwab epilepsie (TLE) te beoordelen. Omdat de hippocampus een van de primaire regio’s is waarin TLE pathologie vertoont, worden gedragstests die hippocampusafhankelijke geheugenfunctie kunnen evalueren vaak bij voorkeur geselecteerd. Echter, gezien het feit dat aanvallen kunnen leiden tot afwijkende hippocampale neurogenese en bijdragen aan epilepsie-geassocieerde cognitieve achteruitgang10, gedragsparadigma’s voor het testen van dentate pasgeboren neuronale functie (dat wil zeggen, ruimtelijke patroon scheiding, PS)8,13 kan ook waardevolle informatie over de cellulaire mechanismen van geheugenstoornissen in epilepsie.
In dit artikel demonstreren we een batterij geheugentests, NL, NO en PS, voor epileptische muizen. De tests zijn eenvoudig en gemakkelijk toegankelijk en vereisen geen geavanceerd systeem.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit werk beschrijft experimentele procedures voor het evalueren van cognitieve functie bij muizen met chronische epilepsie. Veel verschillende gedragstestparadigma’s worden gebruikt om leer- en geheugenfuncties bij muizen18te beoordelen. De Morris water doolhof, radiale arm doolhof, Y-doolhof, contextuele angst conditionering, en object-based tests zijn de meest gebruikte gedragstests en bieden betrouwbare resultaten. Onder hen, de NL, NO, en PS tests zijn efficiënte, eenvoudige methoden voor de …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We danken Dr. Jae-Min Lee voor zijn technische ondersteuning. Dit werk werd ondersteund door de National Research Foundation of Korea (NRF) subsidies gefinancierd door de Koreaanse overheid (NRF-2019R1A2C1003958, NRF-2019K2A9A2A08000167).
Materials
| 1 ml syringe | Sung-shim | Use with the 26 or 30 gauge needle | |
| 70% Ethanol | Duksan | UN1170 | Spray to clean the box and objects |
| black curtain | For avoiding unnecessary visual cues | ||
| Cresyl violet | Sigma | C5042 | For Cresyl violet staining |
| cryotome | Leica | E21040041 | For tissue sectioning |
| double-sided sticky tape | For the firm placement of the objects | ||
| DPX mounting medium | Sigma | 06522 | |
| ethanol series | Duksan | UN1170 | Make 100%, 95%, 90%, 80%, 70% ethanol solutions |
| floor plate with narrow grid patterns | Leehyo-bio | Behavioral experiment equipment, plate size: 42.5 x 42.5 x 0.5 cm, grid size: 2.75 x 2.75 cm | |
| floor plate with wide grid patterns | Leehyo-bio | Behavioral experiment equipment, plate size: 42.5 x 42.5 x 0.5 cm, grid size: 5.5 x 5.5 cm | |
| illuminometer | TES Electrical Electronic Corp. | 1334A | For the measurement of the room lighting (60 Lux) |
| Intensive care unit | Thermocare | #W-1 | |
| ketamine hydrochloride | Yuhan | 7003 | Use to anesthetize the mouse for transcardial perfusion |
| LED lamp | Lungo | P13A-0422-WW-04 | Lighting for the behavioral test room |
| objects | Rubber doll, 50 ml plastic tube, glass Coplin jar, plastic T-flask, glass bottle | ||
| open field box | Leehyo-bio | Behavioral experiment equipment, size: 44 x 44 x 31 cm | |
| paper towel | Yuhan-Kimberly | 47201 | Use to dry open field box and objects |
| paraformaldehyde | Merck Millipore | 104005 | Make 4% solution |
| pilocarpine hydrochloride | Sigma | P6503 | |
| ruler | Use to locate the objects in the open field box | ||
| scopolamine methyl nitrate | Sigma | S2250 | Make 10X stock |
| Smart system 3.0 | Panlab | Video tracking system | |
| stopwatch | Junso | JS-307 | For the measurement of explorative activities of mice |
| sucrose | Sigma | S9378 | For cryoprotection of tissue sections |
| terbutaline hemisulfate salt | Sigma | T2528 | Make 10X stock |
| video camera (CCD camera) | Vision | VCE56HQ-12 | Place the camera directly overhead of the open field box |
| xylazine (Rompun) | Bayer korea | KR10381 | Use to anesthetize the mouse for transcardial perfusion |
| xylene | Duksan | UN1307 | For Cresyl violet staining |
Referências
- Chang, B. S., Lowenstein, D. H. Mechanisms of disease – Epilepsy. New England Journal of Medicine. 349 (13), 1257-1266 (2003).
- Scharfman, H. E. The neurobiology of epilepsy. Current Neurology and Neuroscience Report. 7 (4), 348-354 (2007).
- Rakhade, S. N., Jensen, F. E. Epileptogenesis in the immature brain: emerging mechanisms. Nature Reviews in Neurology. 5 (7), 380-391 (2009).
- Breuer, L. E., et al. Cognitive deterioration in adult epilepsy: Does accelerated cognitive ageing exist. Neuroscience and Biobehavior Reviews. 64, 1-11 (2016).
- Leeman-Markowski, B. A., Schachter, S. C. Treatment of Cognitive Deficits in Epilepsy. Neurology Clinics. 34 (1), 183-204 (2016).
- Helmstaedter, C., Elger, C. E. Chronic temporal lobe epilepsy: a neurodevelopmental or progressively dementing disease. Brain. 132, 2822-2830 (2009).
- Groticke, I., Hoffmann, K., Loscher, W. Behavioral alterations in the pilocarpine model of temporal lobe epilepsy in mice. Experimental Neurology. 207 (2), 329-349 (2007).
- Long, Q., et al. Intranasal MSC-derived A1-exosomes ease inflammation, and prevent abnormal neurogenesis and memory dysfunction after status epilepticus. Proceedings of the National Academy of Science U. S. A. 114 (17), 3536-3545 (2017).
- Lima, I. V. A., et al. Postictal alterations induced by intrahippocampal injection of pilocarpine in C57BL/6 mice. Epilepsy & Behavior. 64, 83-89 (2016).
- Cho, K. O., et al. Aberrant hippocampal neurogenesis contributes to epilepsy and associated cognitive decline. Nature Communication. 6, 6606 (2015).
- Zhou, Q., et al. Adenosine A1 Receptors Play an Important Protective Role Against Cognitive Impairment and Long-Term Potentiation Inhibition in a Pentylenetetrazol Mouse Model of Epilepsy. Molecular Neurobiology. 55 (4), 3316-3327 (2018).
- Jiang, Y., et al. Ketogenic diet attenuates spatial and item memory impairment in pentylenetetrazol-kindled rats. Brain Research. 1646, 451-458 (2016).
- Zhuo, J. M., et al. Young adult born neurons enhance hippocampal dependent performance via influences on bilateral networks. Elife. 5, 22429 (2016).
- Kim, J. E., Cho, K. O. The Pilocarpine Model of Temporal Lobe Epilepsy and EEG Monitoring Using Radiotelemetry System in Mice. Journal of Visualized Experiments. (132), e56831 (2018).
- Gage, G. J., Kipke, D. R., Shain, W. Whole animal perfusion fixation for rodents. Journal of Visualized Experiments. (65), e3564 (2012).
- Muller, C. J., Groticke, I., Bankstahl, M., Loscher, W. Behavioral and cognitive alterations, spontaneous seizures, and neuropathology developing after a pilocarpine-induced status epilepticus in C57BL/6 mice. Experimental Neurology. 219 (1), 284-297 (2009).
- Brandt, C., Gastens, A. M., Sun, M., Hausknecht, M., Loscher, W. Treatment with valproate after status epilepticus: effect on neuronal damage, epileptogenesis, and behavioral alterations in rats. Neuropharmacology. 51 (4), 789-804 (2006).
- Wolf, A., Bauer, B., Abner, E. L., Ashkenazy-Frolinger, T., Hartz, A. M. A Comprehensive Behavioral Test Battery to Assess Learning and Memory in 129S6/Tg2576 Mice. PLoS One. 11 (1), 0147733 (2016).
- Lueptow, L. M. Novel Object Recognition Test for the Investigation of Learning and Memory in Mice. Journal of Visualized Experiments. (126), e55718 (2017).
- Antunes, M., Biala, G. The novel object recognition memory: neurobiology, test procedure, and its modifications. Cognitive Processing. 13 (2), 93-110 (2012).
- van Goethem, N. P., van Hagen, B. T. J., Prickaerts, J. Assessing spatial pattern separation in rodents using the object pattern separation task. Nature Protocols. 13 (8), 1763-1792 (2018).
- Leger, M., et al. Object recognition test in mice. Nature Protocols. 8 (12), 2531-2537 (2013).
- Moscovitch, M., Cabeza, R., Winocur, G., Nadel, L. Episodic Memory and Beyond: The Hippocampus and Neocortex in Transformation. Annual Reviews in Psychology. 67, 105-134 (2016).
- Eichenbaum, H. A cortical-hippocampal system for declarative memory. Nature Reviews Neuroscience. 1 (1), 41-50 (2000).
- Brown, M. W., Aggleton, J. P. Recognition memory: What are the roles of the perirhinal cortex and hippocampus. Nature Reviews Neuroscience. 2 (1), 51-61 (2001).
- Winters, B. D., Forwood, S. E., Cowell, R. A., Saksida, L. M., Bussey, T. J. Double dissociation between the effects of peri-postrhinal cortex and hippocampal lesions on tests of object recognition and spatial memory: Heterogeneity of function within the temporal lobe. Journal of Neuroscience. 24 (26), 5901-5908 (2004).
- Winters, B. D., Bussey, T. J. Transient inactivation of perirhinal cortex disrupts encoding, retrieval, and consolidation of object recognition memory. Journal of Neuroscience. 25 (1), 52-61 (2005).
- Bermudez-Rattoni, F., Okuda, S., Roozendaal, B., McGaugh, J. L. Insular cortex is involved in consolidation of object recognition memory. Learning & Memory. 12 (5), 447-449 (2005).
- Akirav, I., Maroun, M. Ventromedial prefrontal cortex is obligatory for consolidation and reconsolidation of object recognition memory. Cerebral Cortex. 16 (12), 1759-1765 (2006).
- Cohen, S. J., Stackman, R. W. Assessing rodent hippocampal involvement in the novel object recognition task. A review. Behavior Brain Research. 285, 105-117 (2015).
- Cohen, S. J., et al. The Rodent Hippocampus Is Essential for Nonspatial Object Memory. Current Biology. 23 (17), 1685-1690 (2013).
- Broadbent, N. J., Gaskin, S., Squire, L. R., Clark, R. E. Object recognition memory and the rodent hippocampus. Learning and Memory. 17 (1), 5-11 (2010).
- Tuscher, J. J., Taxier, L. R., Fortress, A. M., Frick, K. M. Chemogenetic inactivation of the dorsal hippocampus and medial prefrontal cortex, individually and concurrently, impairs object recognition and spatial memory consolidation in female mice. Neurobiology of Learning and Memory. 156, 103-116 (2018).
- de Lima, M. N., Luft, T., Roesler, R., Schroder, N. Temporary inactivation reveals an essential role of the dorsal hippocampus in consolidation of object recognition memory. Neuroscience Letters. 405 (1-2), 142-146 (2006).
- Hammond, R. S., Tull, L. E., Stackman, R. W. On the delay-dependent involvement of the hippocampus in object recognition memory. Neurobiology of Learning and Memory. 82 (1), 26-34 (2004).
- Clark, R. E., Zola, S. M., Squire, L. R. Impaired recognition memory in rats after damage to the hippocampus. Journal of Neuroscience. 20 (23), 8853-8860 (2000).
- Stackman, R. W., Cohen, S. J., Lora, J. C., Rios, L. M. Temporary inactivation reveals that the CA1 region of the mouse dorsal hippocampus plays an equivalent role in the retrieval of long-term object memory and spatial memory. Neurobiology of Learning and Memory. 133, 118-128 (2016).
- Mumby, D. G., Gaskin, S., Glenn, M. J., Schramek, T. E., Lehmann, H. Hippocampal damage and exploratory preferences in rats: memory for objects, places, and contexts. Learning & Memory. 9 (2), 49-57 (2002).
- Jeong, K. H., Lee, K. E., Kim, S. Y., Cho, K. O. Upregulation of Kruppel-Like Factor 6 in the Mouse Hippocampus after Pilocarpine-Induced Status Epilepticus. Neurociência. 186, 170-178 (2011).
- Kim, J. E., Cho, K. O. The Pilocarpine Model of Temporal Lobe Epilepsy and EEG Monitoring Using Radiotelemetry System in Mice. Journal of Visualized Experiments. (132), e56831 (2018).
- Jiang, Y., et al. Abnormal hippocampal functional network and related memory impairment in pilocarpine-treated rats. Epilepsia. 59 (9), 1785-1795 (2018).
- Wang, L., Liu, Y. H., Huang, Y. G., Chen, L. W. Time-course of neuronal death in the mouse pilocarpine model of chronic epilepsy using Fluoro-Jade C staining. Brain Research. 1241, 157-167 (2008).
- Detour, J., Schroeder, H., Desor, D., Nehlig, A. A 5-month period of epilepsy impairs spatial memory, decreases anxiety, but spares object recognition in the lithium-pilocarpine model in adult rats. Epilepsia. 46 (4), 499-508 (2005).
- Benini, R., Longo, D., Biagini, G., Avoli, M. Perirhinal Cortex Hyperexcitability in Pilocarpine-Treated Epileptic Rats. Hippocampus. 21 (7), 702-713 (2011).
- Yassa, M. A., Stark, C. E. Pattern separation in the hippocampus. Trends in Neurosciences. 34 (10), 515-525 (2011).
- Goncalves, J. T., Schafer, S. T., Gage, F. H. Adult Neurogenesis in the Hippocampus: From Stem Cells to Behavior. Cell. 167 (4), 897-914 (2016).
- Sahay, A., et al. Increasing adult hippocampal neurogenesis is sufficient to improve pattern separation. Nature. 472 (7344), 466-539 (2011).
