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Behavior

Estimulação do nervo vago como uma ferramenta para induzir plasticidade em Pathways relevantes para a Aprendizagem Extinção

Published: August 21, 2015
doi:
10.3791/53032
, , ,
1School of Behavioral and Brain Sciences,The University of Texas at Dallas

Summary

Estimulação do nervo vago (VNS) emergiu como uma ferramenta para induzir plasticidade sináptica alvejado na parte frontal do cérebro para modificar uma série de comportamentos. Este protocolo descreve como implementar VNS para facilitar a consolidação da memória de extinção do medo.

Abstract

Extinction describes the process of attenuating behavioral responses to neutral stimuli when they no longer provide the reinforcement that has been maintaining the behavior. There is close correspondence between fear and human anxiety, and therefore studies of extinction learning might provide insight into the biological nature of anxiety-related disorders such as post-traumatic stress disorder, and they might help to develop strategies to treat them. Preclinical research aims to aid extinction learning and to induce targeted plasticity in extinction circuits to consolidate the newly formed memory. Vagus nerve stimulation (VNS) is a powerful approach that provides tight temporal and circuit-specific release of neurotransmitters, resulting in modulation of neuronal networks engaged in an ongoing task. VNS enhances memory consolidation in both rats and humans, and pairing VNS with exposure to conditioned cues enhances the consolidation of extinction learning in rats. Here, we provide a detailed protocol for the preparation of custom-made parts and the surgical procedures required for VNS in rats. Using this protocol we show how VNS can facilitate the extinction of conditioned fear responses in an auditory fear conditioning task. In addition, we provide evidence that VNS modulates synaptic plasticity in the pathway between the infralimbic (IL) medial prefrontal cortex and the basolateral complex of the amygdala (BLA), which is involved in the expression and modulation of extinction memory.

Introduction

Medo condicionado clássico fornece um modelo animal amplamente utilizado para estudar a função biológica de perturbações de ansiedade. Durante o condicionamento do medo, um estímulo aversivo (o estímulo não condicionado, EUA, por exemplo, um choque eléctrico na pata) é apresentada em conjunto com um estímulo neutro, tal como um tom e / ou um quadro (o estímulo condicionado; CS). Durante o condicionamento do medo, as associações entre o CS e os EUA são formadas. Eventualmente, a apresentação do CS sozinho induz uma resposta de medo (resposta condicionada; CR). Em extinção medo, o CS é apresentada repetidamente na ausência de os EUA, fazendo com que o CR a diminuir gradualmente 1. Assim, a extinção do medo condicionado é um processo ativo em que as respostas comportamentais medo de estímulos neutros são atenuados quando já não prever resultados aversivos. Extinção de respostas condicionadas requer a consolidação de novas memórias que competem com as associações aprendidas. Uma característica dos transtornos de ansiedade é impaextinção Ired 2-4. Assim, a extinção do medo condicionado em modelos animais serve como um paradigma importante tanto para a aprendizagem inibidor e como um modelo de terapia comportamental para transtornos de ansiedade humanos 5,6.

Porque existe uma estreita correspondência entre o medo ea ansiedade humana, pensa-se que estes estudos podem fornecer insights sobre a natureza biológica de distúrbios relacionados com a ansiedade como o transtorno de estresse pós-traumático e ajudará a desenvolver estratégias para tratá-los. Um objetivo importante da pesquisa pré-clínica é ajudar aprendizagem extinção e para induzir plasticidade alvejado em circuitos de extinção para consolidar a aprendizagem extinção. Estimulação do nervo vago (VNS) é uma abordagem neuroprosthetic minimamente invasivo que pode ser usado para fornecer modulação temporal e específico do circuito apertado de áreas do cérebro e sinapses envolvidos em uma tarefa contínua. Uma série de estudos recentes do grupo de Michael Kilgard na Universidade do Texas em Dallas temmostraram que o emparelhamento VNS com estímulos sensoriais ou motoras discretas (por exemplo, um tom ou um puxão alavanca) é altamente eficaz na promoção da plasticidade cortical para tratar o zumbido 7, ou para superar os défices motores após acidente vascular cerebral 8-10. Além disso, não contingente VNS que ocorre dentro de um intervalo de tempo curto depois de saber semelhante promove plasticidade cortical e melhora a consolidação da memória em ratos e em seres humanos 11-13.

Considerando o papel do nervo vago na via parassimpático, não é surpreendente que possa participar na modulação da plasticidade sináptica e memórias. Altamente eventos emocionais tendem a produzir memórias mais fortes do que as memórias não-emocionais. Isto é provavelmente devido à influência dos hormônios do estresse sobre a consolidação da memória. Pós-treino administração da adrenalina hormônio do estresse aumenta a consolidação da memória em animais humanos e não-humanos, mas a adrenalina não atravessar a barreira sangue-cérebro-barreira 14, 15 </sup>. Portanto, a liberação de adrenalina induzida por estresse deve impactar o cérebro indirectamente para melhorar a consolidação da memória. Fortes evidências sugerem que o nervo vago pode ser o elo entre a adrenalina circulante eo cérebro. Miyashita e Williams 16 acharam que a administração sistêmica da adrenalina aumentou disparo do nervo vago, e aumento dos níveis de norepinefrina na amígdala 17. A administração sistémica de adrenalina não melhora a consolidação da memória quando os receptores β-adrenérgicos são bloqueados na amígdala 18 sugerindo que o nervo vago desempenha um papel importante no caminho que se transforma experiências emocionalmente carregadas em memórias de longo prazo.

Assim, o emparelhamento com VNS treinamento tem o potencial de melhorar as mudanças do cérebro que suportam a consolidação da memória e exposição a estímulos condicionados, na ausência de reforço aumenta a consolidação da aprendizagem extinção em ratos 19,20. Aqui descreve-se a utilização de um VNSsa ferramenta para promover a plasticidade cortical e facilitar a extinção de uma resposta de medo condicionada.

Protocol

Todos os procedimentos descritos neste protocolo são realizadas de acordo com o Guia NIH para o Cuidado e Uso de Animais de Laboratório, e eles foram aprovados pelo Comitê de Cuidado e Uso da Universidade do Texas em Dallas animal Institucional. 1. Construção de VNS Punhos Criar uma ferramenta de perfuração por serrar a ponta de uma agulha 22 G ½. Execute o fim agora sem corte dos 22 ½ G agulha sobre um arquivo de metal várias vezes para achatá-lo. Segure a ag…

Representative Results

Esta secção ilustra exemplos de resultados que podem ser obtidos através da utilização de VNS em combinação com a aprendizagem extinção para reduzir a expressão da resposta de medo condicionado em ratos. Para Dias 1 e 2 (Auditivo Medo Condicionado), os ratos foram treinados em uma tarefa auditiva medo condicionado em choques nas patas que foram pareados com um tom. No Dia 3 (Pré-Tratamento de teste), tons foram apresentados na ausência de choques nas patas para medir os níveis de congelamento e inferir aqui…

Discussion

Nós apresentamos aqui um protocolo que é usado para facilitar a extinção do medo condicionado durante uma única sessão de exposição a estímulos condicionados 19 e modular a plasticidade na via entre o córtex infralimbic ea amígdala basolateral que podem mediar a aprendizagem extinção 20. Um passo crucial para o sucesso deste protocolo é a entrega dos VNS durante o treinamento de extinção. Portanto, um cuidado especial deve ser dada para a construção dos eléctrodos de punho e a co…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This research was supported by the National Institute of Mental Health MH 086960-01A1 (Christa K. McIntyre).

Materials

Alcohol
Atropine Fisher A0132-5G
Betadine Henry Schein 69066950
Hydrogen peroxide  CVS 209478
Ketamine Henry Schein  1129300
Marcaine Henry Schein 6312615
Mineral Oil CVS 152355
Neosporin CVS 629451
Oxygen Home Depot 304179
Pennicillin Fisher PENNA-10MU
Propane Home Depot 304182
Xylazine Henry Schein 4019308
Tools
Jewelery Torch Smith Equipment 23-1001D
Sewing Needle Walgreens 441831
#5 Forceps (2) Fine Science Tools 11254-20
Soldering Iron Home Depot  203525863
AmScope SM-4TX-144A 3.5X-45X Circuit Board Boom Stereo Microscope + 144 LED AmScope SM-4TX-144A
Helping Hands A-M Systems  726200
Scalpel Blade Holder Fine Science Tools 10003-12
Metal File Home Depot 6601
Ruler Home Deopt 202035324
Curved Hemostats  Fine Science Tools 130009-12
Fine Scissors Fine Science Tools 14058-09
Spatula Fine Science Tools
Small Screwdriver Home Depot 646507
Magnetic Fixator Retraction System Fine Science Tools 18200-04, 18200-01, 18200-05
Heating Pad Walgreens 30294
Clippers Walgreens 277966
Sharpie Staples 125328
Ring Forceps Fine Science Tools 11103-09
Custom Micropipette Glass Tools (J shape and Straight) – Borosilicate glass Sutter Instrument B150-110-10
Adson Forceps Fine Science Tools 11006-12
Cuffs
Tubing Braintree Scientific Inc MRE-065
Platinum Iridium Wire Medwire 10IR9/49T
Gold Pins Mill-Max 1001-0-15-15-30-27-04-0
Suture Thread Henry Schein 100-5797
22 G Needles Fisher  14-815-525
Paper Tape Fisher  03-411-602
Solder Home Deopt 327793
Flux  Home Deopt 300142
Scalpel Blade, 10 or 15 Stoelting 52173-10
Silastic Laboratory Tubing .51 mm ID x .94 mm OD Fisher  508-002
Headcaps
Connector Pieces (male) Omnetics Connector Corporation A25001-004
Headcap pieces (female) Omnetics Connector Corporation A24001-004
Teets Dental Acrylic, Liquid and Powder A-M Systems 525000, 526000
26 Gauge Solid Copper Wire Staples 1016882  
Surgery
Bone Screws Stoelting+CB33:C61 51457
Scalpel Blades, 10 or 15 Stoelting 52173-10
1 ml syringes Fisher 14-826-261
22 G Needles Fisher  14-815-525
27 G Needles Fisher 14-826-48
2" x 2" Gauze Fisher 22-362-178
Swabs Fisher 19-120-472
Puppy Pads PetCo 1310747
Kim Wipes Fisher 06-666-A
Chamber and Behavioral Setting 
Husky Metal Front Base Cabinet (30WX19DX34H) Home Depot 100607961
Quiet Barrier­ HD Soundproofing Material (Sheet) (PSA) soundproofcow.com 10203041
Convoluted Acoustic Foam Panel soundproofcow.com 10432400
Isolated Pulse Stimulator Model 2100 A-M Systems 720000
Digital Camera – Logitech Webcam C210 Logitech B003LVZO88
MatLab Mathworks.com
Sinometer 10MHz Single Channel Oscilloscope Sinometer CQ5010C
OxyLED T-01 DIY Stick-on Anywhere 4-LED Touch Tap Light OXYLED B00GD8OKY0
5k ohm potentiomter Alpha Electronics B00CTWDHIO
Extech 407730 40-to-130-Decibel Digital Sound Level Meter Extech Instruments B000EWY67W
DSCK-C Dual Output, scrambled shocker Kinder Scientific Co
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Childs, J. E., Alvarez-Dieppa, A. C., McIntyre, C. K., Kroener, S. Vagus Nerve Stimulation as a Tool to Induce Plasticity in Pathways Relevant for Extinction Learning. J. Vis. Exp. (102), e53032, doi:10.3791/53032 (2015).
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