Miljømæssige Modulationer i antallet af Midbrain dopaminneuroner i voksne mus
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
Varige ændringer i hjernen eller "hjernens plasticitet" ligger til grund adaptive adfærd og hjerne reparation efter sygdom eller skade. Endvidere kan interaktioner med vores miljø fremkalde hjernens plasticitet. Stigende grad forskning forsøger at identificere, hvilke miljøer stimulerer hjernens plasticitet gavnlig til behandling af hjerne og adfærdsmæssige forstyrrelser. To miljømæssige manipulationer er beskrevet som at forøge eller formindske antallet af tyrosin hydroxylase immunpositive (TH +, den hastighedsbegrænsende enzym i dopamin (DA) syntese) neuroner i voksne mus midthjernen. Den første kategori omfatter parring han- og hunmus sammen kontinuerligt i 1 uge, hvilket øger midthjernen TH + neuroner med ca. 12% hos mænd, men nedsætter midthjernen TH + neuroner med ca. 12% hos kvinder. Den anden omfatter boliger mus uafbrudt i 2 uger i »beriget miljøer" (EE) indeholdende løbehjul, legetøj, reb, redemateriale, etc., som jegncreases midthjernen TH + neuroner med ca. 14% hos mænd. Derudover er en protokol beskrevet for samtidig infusion af medicin direkte ind i midthjernen under disse miljømæssige manipulationer til at identificere mekanismerne bag miljømæssigt induceret hjernens plasticitet. For eksempel er EE-induktion mere midthjernen TH + neuroner ophævet ved samtidig blokade af synaptisk input på midthjernen neuroner. Sammen indikerer disse data, at oplysninger om miljøet videresendes via synaptic input til midthjernen neuroner for at tænde eller slukke udtryk for 'Da' gener. Således passende miljømæssig stimulering eller narkotika målretning af de underliggende mekanismer, kan være nyttige til behandling af hjerne- og adfærdsmæssige lidelser forbundet med ubalancer i midthjernen DA (f.eks Parkinsons sygdom, opmærksomhed underskud og hyperactivity disorder, skizofreni, og stofmisbrug).
Introduction
DArgic signalering af neuroner i det ventrale tegmentalområde (VTA) og substantia nigra pars compacta (SNC) i midthjernen menes at være vigtige for belønning motiveret kognitive, følelsesmæssige og motoriske adfærd. Men for meget eller for lidt midthjernen DA signalering forårsager mange invaliderende symptomer i en række neurologiske lidelser (fx Parkinsons sygdom, opmærksomhed underskud og hyperactivity disorder, skizofreni, og stofmisbrug). Narkotika som hæver eller sænker DA signalering lindre disse symptomer, men de producerer også bivirkninger, der kan tilskrives dysreguleret signalering og off-target effekter. Lægemiddeleffektivitet også falder med tiden på grund af kompenserende reaktioner i hjernen. Udfordringen er derfor at genoprette normal midthjernen DA signalering på en mere målrettet og fysiologiske måde, og et yndet metode er ved at øge eller mindske antallet af midthjernen DA-neuroner.
Beviser har hobet for sevrelle årtier at ekspressionen af gener og proteiner involveret i metaboliske og DA menneskehandel og andre katekolaminer i modne voksne celler kan ændres (revideret i 1). I midthjernen, reducerer antallet af tyrosin hydroxylase immunpositive (TH +, den hastighedsbegrænsende enzym i DA syntese) neuroner stiger derefter efter neurotoksin administration 2,3, mens antallet af TH immunonegative (TH-) neuroner viser den modsatte mønster (dvs. stigninger derefter falder 3). Dette er i overensstemmelse med tab derefter få af "DA fænotype" af nogle celler. Har også vist Antallet af TH + og TH- SNC neuroner til at ændre sig i lige, men modsatte retninger efter forskellige behandlinger, som ændrer den elektriske aktivitet af disse celler 4,5. For eksempel infusion af små konduktans, calcium-aktiverede kalium (SK) kanal antagonist apamin i midthjernen i 2 uger nedsætter antallet af TH + og stiger (med samme beløb) Number af TH- snc neuroner 4,5. I modsætning hertil infusion af SK kanal agonist 1 EBIO forøger antallet af TH + og nedsætter (med samme beløb) antallet af TH- SNC neuroner 4,5. Lignende ændringer blev observeret efter en bred vifte af behandlinger rettet mod SNC neuronal aktivitet, herunder nogle, som målrettet afferente input 4. Denne tilsyneladende regulering af antallet af SNC DArgic neuroner af neuronal aktivitet og afferent input rejser muligheden for, at miljøet eller adfærd kan påvirke antallet af SNC neuroner. Indeed voksne mus udsat for forskellige miljøer har mere eller mindre midthjernen (SNC og VTA) TH + neuroner, og mindst nogle af disse miljø-inducerede ændringer ophæves ved samtidig blokade af synaptisk input i midthjernen 6. Formålet med denne meddelelse er at: (1) give yderligere oplysninger om, hvordan du gennemfører vores miljømæssige manipulationer og lægemiddelinfusioner; og (2) give yderligere oplysninger til støtte vores påstand om, at environment regulerer antallet af midthjernen DA-neuroner via afferent input.
Protocol
Representative Results
Discussion
Miljømæssige manipulationer
Motivationen bag udformningen af disse miljømæssige manipulationer (køn parring og miljøberigelse) var at afgøre, om miljøet, og / eller adfærd foranlediget af miljøet, er forbundet med ændringer i antallet af midthjernen DA-neuroner. Fokus var derfor på at levere miljøer og stimulerende adfærd, der er tilbøjelige til at engagere midthjernen DA signalering. Disse omfattede parring med det modsatte køn, og miljøberigelse omfattende a…
Disclosures
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 |
References
- 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. Neuroscience. 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. Neuroscience. 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).
