אפנון סביבתי של מספר המוח התיכון דופמין נוירונים בעכברים בוגרים
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
שינויים ארוכי טווח במוח או 'הגמישות מוחית' עומדים בבסיס התנהגות מסתגלת ותיקון המוח הבא מחלה או פציעה. יתר על כן, יחסי גומלין עם הסביבה שלנו יכולים לגרום לגמישות מוחית. יותר ויותר, מחקר מנסה לזהות אילו סביבות לעורר גמישות מוחית מועילה לטיפול במוח והפרעות התנהגות. שתי מניפולציות סביבתיות מתוארות בי להגדיל או להקטין את מספר immunopositive hydroxylase טירוזין (TH +, אנזים שער הגבלה בדופמין סינתזה (DA)) תאי עצב במוח התיכון העכבר הבוגר. הראשון כולל גברים זיווג ונקבות עכברים יחד ברציפות במשך השבוע 1, אשר מגדיל TH + נוירונים המוח התיכון בכ -12% בגברים, אך יורד TH + נוירונים המוח התיכון בכ -12% בנשים. השנייה כוללת עכברי דיור ברציפות במשך 2 שבועות ב'סביבות מועשרים "(EE) המכילות גלגלי ריצה, צעצועים, חבלים, חומר קינון, וכו ', שבו אניncreases TH + נוירונים המוח התיכון בכ -14% בגברים. בנוסף, פרוטוקול מתואר במקביל יציקת תרופות ישירות לתוך המוח התיכון במניפולציות הסביבתיות אלה כדי לסייע בזיהוי מנגנוני פלסטיות מוח לסביבה מושרה. לדוגמא, EE-גיוס של יותר TH + נוירונים המוח התיכון הוא בוטל על ידי מצור מקביל של קלט סינפטי על נוירונים המוח התיכון. יחד, נתונים אלה מצביעים על כך שמידע על הסביבה מועבר באמצעות קלט סינפטי לנוירונים המוח התיכון כדי לעבור או לבטל ביטוי של גני 'DA'. כך, גירוי סביבתי מתאים, או תרופת מיקוד של המנגנונים העומדים בבסיס, עשויה להיות מועילה לטיפול בהפרעות במוח והתנהגות הקשורים לחוסר איזון בDA המוח התיכון (למשל מחלת פרקינסון, קשב וריכוז והפרעת היפראקטיביות, סכיזופרניה, והתמכרות לסמים).
Introduction
הוא חשב DArgic איתות על ידי תאי עצב באזור הגחון tegmental (VTA) וcompacta סעיפי nigra substantia (SNC) של המוח התיכון להיות חשוב להתנהגויות קוגניטיביות, רגשיות ומוטורי מוטיבציה גמול. עם זאת, איתות DA המוח התיכון יותר מדי או מעט מדי גורמת לתסמינים רבים השבתה במגוון רחב של הפרעות נוירולוגיות (למשל מחלת פרקינסון, קשב וריכוז והפרעת היפראקטיביות, סכיזופרניה, והתמכרות לסמים). תרופות שתגדלנה או יקטינו DA האיתות להקל על תסמינים אלה, אולם הם גם מייצרים תופעות לוואי מיוחסות לאיתות dysregulated והשפעות חוץ-היעד. יעילות תרופה גם יורדת לאורך זמן בשל תגובות מפצות של המוח. האתגר לכן הוא להחזיר איתות DA המוח התיכון נורמלית באופן יותר ממוקד ופיזיולוגי, וגישה מועדפת היא על ידי הגדלת או הפחתת מספר תאי עצב DA המוח התיכון.
ראיות הולכות ומצטברות במשך sevהעשורים eral שהביטוי של גנים וחלבונים מעורבים בחילוף חומרים וDA סחר וקטכולאמינים אחרים בתאים בוגרים הוא לשינוי (שנסקרו ב1). במוח תיכון, מספר immunopositive hydroxylase טירוזין (TH +, אנזים שער הגבלה בסינתזת DA) נוירונים ירידות לאחר מכן מגדילה הבא ממשל עצבי 2,3, בעוד שמספר TH immunonegative (TH-) נוירונים מציג את הדפוס ההפוך (כלומר עליות לאחר מכן יורד 3). זה עולה בקנה אחד עם אובדן ולאחר מכן לקבל של 'פנוטיפ DA "על ידי חלק מתאים. מספר הנוירונים TH + וTH- SNC גם הוכח לשנות כיוונים שווים אך הפוכים לאחר טיפולים שונים המשנים את הפעילות החשמלית של תאים אלה 4,5. לדוגמא, עירוי של הקטנות-המוליכות, אשלגן מופעל סידן (SK) apamin אנטגוניסט ערוץ למוח תיכון 2 שבועות מקטין את מספר TH + ועליות (באותו הסכום) נוmber של TH- SNC נוירונים 4,5. בניגוד לכך, עירוי של SK אגוניסט ערוץ 1-EBIO מגדיל את מספר TH + ויורד (באותו הסכום) מספר הנוירונים TH- SNC 4,5. שינויים דומים נראו הבא מגוון טיפולי מיקוד פעילות עצבית SNC, כוללים כמה שממוקדים תשומות מביא 4. תקנה זו לכאורה של מספר הנוירונים SNC DArgic על ידי פעילות עצבית וקלט מביא מעלה את האפשרות שהסביבה או ההתנהגות יכולה להשפיע על מספר הנוירונים SNC. יש אכן עכברים בוגרים שנחשפו לסביבות שונות TH פחות או יותר המוח התיכון (SNC וVTA) + נוירונים, ולפחות חלק משינויים הנגרם סביבה אלה בוטלו על ידי מצור מקביל של קלט הסינפטי במוח תיכון 6. המטרות של תקשורת זו הן: (1) לספק פרטים נוספים על כיצד ליישם המניפולציות הסביבתיות שלנו וחליטות בסמים; ו- (2) ולמסור נתונים נוספים התומכים לטענה שלנו שהדוארnvironment מסדיר את מספר תאי עצב DA המוח התיכון, באמצעות קלט מביא.
Protocol
Representative Results
Discussion
מניפולציות סביבתיות
המוטיבציה מאחורי העיצוב של מניפולציות אלה סביבתיים (זיווג בין המינים והעשרה סביבתית) הייתה לקבוע האם הסביבה, ו / או התנהגות תתבקש על ידי הסביבה, קשורה לשינויים במספר תאי עצב DA המוח התיכון. הדגש היה אפוא במ…
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).
