Miljö modulation av antalet mitthjärnan dopaminneuroner i vuxna möss
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
Långvariga förändringar i hjärnan eller "hjärnans plasticitet" bakom adaptivt beteende och hjärn reparation efter sjukdom eller skada. Dessutom kan interaktioner med vår miljö framkalla hjärnans plasticitet. Alltmer, är forskning försöker identifiera vilka miljöer stimulerar hjärnans plasticitet välgörande för behandling hjärnan och beteendestörningar. Två miljö manipulationer beskrivs som ökar eller minskar antalet tyrosinhydroxilas immunopositiva (TH +, det hastighetsbegränsande enzymet i dopamin (DA) syntes) nervceller i den vuxna musen mitthjärnan. Den första omfattar pairing manliga och kvinnliga möss tillsammans kontinuerligt under 1 vecka, vilket ökar mitthjärnan TH + nervceller med cirka 12% hos män, men minskar hjärnan TH + nervceller med cirka 12% hos kvinnor. Den andra består av bostäder möss kontinuerligt i 2 veckor i "berikade miljöer" (EE) innehållande löphjul, leksaker, rep, bomaterial, etc., som jagncreases mitthjärnan TH + nervceller med cirka 14% hos män. Dessutom är ett protokoll beskrivs för samtidigt infusion läkemedel direkt in i mitthjärnan under dessa miljö manipulationer för att hjälpa till att identifiera mekanismerna bakom miljö inducerad hjärnans plasticitet. Till exempel är EE-induktion av mer mitthjärnan TH + neuroner avskaffas genom samtidig blockad av synaptisk inmatning på mitthjäman neuroner. Tillsammans har dessa uppgifter tyder på att information om miljön förmedlas via synaptiska ingång till mitthjärnan nervceller för att slå på eller stänga av uttryck av "DA" gener. Således lämplig miljö stimulering, eller drog inriktning av de underliggande mekanismerna, kan vara till hjälp för behandling av hjärn och beteendestörningar associerade med obalanser i mitthjärnan DA (t.ex. Parkinsons sjukdom, uppmärksamhetsstörning och hyperaktivitet, schizofreni, och drogmissbruk).
Introduction
DArgic signalering av neuroner i den ventrala tegmentala arean (VTA) och substantia nigra pars compacta (SNC) för mitthjärnan tros vara viktiga för belöning-motiverade kognitiva, känslomässiga och motoriska beteenden. Dock orsakar för mycket eller för lite mitthjärnan DA signalering många invalidiserande symptom i olika neurologiska sjukdomar (t.ex. Parkinsons sjukdom, uppmärksamhet underskott och Hyperactivity Disorder, schizofreni, och narkotikamissbruk). Läkemedel som ökar eller minskar DA signalering lindra dessa symptom, men de producerar också biverkningar som kan tillskrivas dysreglerad signalering och off-target effekter. Läkemedlets effektivitet avtar också över tiden på grund av kompenserande svar i hjärnan. Utmaningen är därför att återställa normal mitthjärnan DA signalering på ett mer målinriktat och fysiologiska sätt, och en gynnad tillvägagångssätt är genom att öka eller minska antalet mitthjärnan DA nervceller.
Bevis har ackumulerats för sevrala decennier att uttrycket av gener och proteiner involverade i metaboliserande och handel DA och andra katekolaminer i mogna vuxna celler är modifierbara (granskade i 1). I mitthjärnan, minskar antalet tyrosinhydroxilas immunopositiva (TH +, det hastighetsbegränsande enzymet i DA syntes) nervceller sedan ökar efter neurotoxin administration 2,3, medan antalet TH immunonegative (TH) neuroner visar det motsatta mönstret (dvs ökar sedan minskningar 3). Detta överensstämmer med förlust sedan vinna den "DA fenotypen" av vissa celler. Antalet TH + och TH- snc neuroner har också visats att ändras i lika men motsatta riktningar efter olika behandlingar som förändrar den elektriska aktiviteten hos dessa celler 4,5. Till exempel, infusion av liten-konduktans, kalciumaktiverade kalium (SK) kanalantagonist apamin i mitthjärnan under två veckor minskar antalet TH + och ökar (med samma belopp) NUmber av TH- SNC Neuroner 4,5. I motsats härtill ökar infusion av SK kanal agonisten en-EBIO antalet TH + och minskar (med samma belopp) antalet TH- snc neuroner 4,5. Liknande förändringar sågs efter olika behandlingar riktade SNC nervaktivitet, inklusive några som riktade afferenta ingångar 4. Denna uppenbara reglering av antalet SNC DArgic neuroner genom neuronal aktivitet och afferenta ingång tar upp möjligheten att miljön eller beteende kan påverka antalet SNC neuroner. Indeed vuxna möss som exponeras för olika miljöer har mer eller mindre mitthjärnan (SNC och VTA) TH + nervceller, och åtminstone en del av dessa miljö inducerade förändringar avskaffas genom samtidig blockad av synaptisk input i mitthjärnan 6. Syftet med detta meddelande är att: (1) ge mer information om hur man genomför våra miljö manipulationer och drog infusioner; och (2) ge ytterligare uppgifter som stöder vårt påstående att eMILJÖ reglerar antalet mitthjärnan DA nervceller, via afferenta ingång.
Protocol
Representative Results
Discussion
Miljö manipulationer
Motiveringen bakom utformningen av dessa miljö manipulationer (kön ihopparning och miljöberikning) var att fastställa om miljön, och / eller beteende föranletts av miljön, är förknippad med förändringar i antalet mitthjärnan DA nervceller. Fokus låg därför på att ge miljöer och stimulerande beteenden som sannolikt kommer att engagera mitthjärnan DA signalering. Dessa inkluderade parningen med det motsatta könet, och miljöberikning omfattande…
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).
