Motor och hippocampus Beroende spatial inlärning och referens minne bedömning i en transgen råttmodell av Alzheimers sjukdom med Stroke

Summary

För att undersöka komorbida Alzheimers sjukdom (AD) och stroke tillstånd i en ny modell, tre beteende uppgifter beskrivs som bedömer både motorstyrning och kognitiva beteenden. Dessa uppgifter innefattar balk promenad uppgift, cylinder uppgift och Morris vattenlabyrint.

Abstract

Alzheimers sjukdom (AD) är en försvagande neurodegenerativ sjukdom som resulterar i neurodegenerering och minnesförlust. Medan ålder är en viktig riskfaktor för AD har stroke också varit inblandad som en riskfaktor och en förvärrande faktor. Den komorbiditet av stroke och AD resulterar i försämrad slagrelaterade motorstyrning och AD relaterade kognitiva brister i jämförelse med varje tillstånd ensam. För att modellera det kombinerade tillståndet av stroke och AD, en roman transgen råttmodell av AD, med en muterad form av amyloid föregångsprotein (ett nyckelprotein involverat i utvecklingen av AD) inkorporeras i dess DNA, kan beräknas med en liten ensidiga striatala stroke.

För en modell med en kombination av både stroke och AD, måste beteendetester som bedömer stroke relaterade motorstyrning, förflyttning och AD relaterad kognitiv funktion implementeras. Cylinder uppgift innebär en kostnadseffektiv, mångsidig apparat som bedömer spontan forelimb motor användning. I denna uppgift är en råtta placeras i en cylindrisk anordning, där råttan kommer spontant bakre och kontakta cylinderns vägg med sina framben. Dessa kontakter anses frambens motor användning och kvantifieras under videoanalys efter provning. En annan kostnadseffektiv motor uppgift genomförs är balk promenad uppgift, som bedömer forelimb kontroll, bakben kontroll och förflyttning. Denna uppgift innebär en råtta går över en träbalk gör det möjligt att bedöma lem motorstyrning genom analys av forelimb besked, bakdelen halkar och faller. Bedömning av inlärning och minne avslutas med Morris vattenlabyrint för denna beteendeparadigm. Protokollet börjar med spatial inlärning, varvid råttan lokaliserar ett stationärt dold plattform. Efter spatial inlärning, är plattformen avlägsnas och både kortsiktiga och långsiktiga spatiala referensminnet bedöms. Alla tre av dessa uppgifter är känsliga för beteendeskillnader och avslutas inom 28 dagar för denna modell, vilket gör detta paraparadigmet tidseffektiv och kostnadseffektivt.

Introduction

Alzheimers sjukdom (AD) är den vanligaste formen av demens i den äldre befolkningen och en försvagande neurodegenerativ sjukdom. Histopatologiskt, presenterar AD sig som amyloid plack, neurofibrillära trassel och neuronal förlust. Amyloid plack består i huvudsak av beta-amyloidpeptid (Ap) som har framställts genom en förändrad proteolytisk spjälkning av amyloid föregångsprotein (APP) genom β-sekretas och y-sekretas enzymer ^1,2,3. Klyvningsprodukten, AP, avlagringar i hjärnan skapar patologiska amyloida plack och har toxiska effekter på hjärnan som kan leda till de karakteristiska lärande nedskrivningar och minnesförlust. Alla dessa steg tillsammans kallas den "amyloid kaskadhypotesen" ^3,4. Även om denna hypotes är viktigt när man undersöker AD, har andra cellförändringar befunnits föregå dessa plackformationer som avviker från den ursprungliga amyloidkaskadvägen. dessa andracellförändringar tros bidra till tidig minnesförlust, lärande nedskrivningar och andra kognitiva dysfunktioner som är involverade i AD före plackbildning ^3,5,6.

Med AD blir allt vanligare, är riskfaktorer för utveckling av AD blir en mycket viktig fokus för forskningen. Även ålder är den viktigaste riskfaktorn för sporadiska former av AD, har andra riskfaktorer identifierats, inklusive stroke ^7,8. Stroke är inte bara en riskfaktor, men det kan också förvärra redan finns demenssjukdomar. Till exempel, kliniskt, utvecklingen av AD har visat sig vara sämre hos patienter som tidigare hade upplevt stroke ^9. Dessutom har ökat APP expression och Ap ackumulering funnit i experimentella djurmodeller av Ap toxicitet i kombination med inducerad stroke ^10,11. Eftersom det är detta viktigt samspel mellan stroke och AD, är det viktigt att dessa två sjukdomar undersökas närmaretillsammans i komorbida modeller för att bättre förstå patofysiologi och beteenden inblandad i båda villkoren.

För att undersöka komorbida förhållanden, hade en lämplig modell att utvecklas i vilka en stroke kan interagera med Ap för att producera AD liknande patologi. För första gången var en APP21 transgen råtta som har en muterad human APP-gen införlivas dess DNA används för att uppnå en lämplig modell av AD. Mutationerna är den svenska dubbelmissense och Indiana enda missense-mutationer, som har båda varit inblandade i familjära former av AD ^4,8,12. I avsaknad av ytterligare förolämpning, denna råttmodell åldrar utan att utveckla de karakteristiska Ap plack eller neurofibrillära nystan ^12. Därför, i ett försök att inducera AD-liknande beteende patologi, är en liten slaglängd infördes in i den högra striatum för att efterlikna de små subkortikala stroke ofta närvarande i demenspatienter ^9. Slag i APP21 transgen rat förkroppsligar co-morbid tillstånd och möjliggör undersökning av olika typer av beteendeförändringar inblandade i båda sjukdomstillstånd. I synnerhet denna induktion av AD-liknande patologi och kognitiva brister i den vuxna råttan tillåter oss att undersöka de tidigaste molekylära och kognitiva förändringar som föregår AD.

Eftersom målet är att fastställa de första tecknen på beteendeförändringar och eftersom både stroke och AD har mycket tydliga beteende patologier, när man studerar co-morbid modell, beteende uppgifter måste bedöma en mängd olika beteende fenotyper. Det finns ett batteri av relativt känsliga tester som kan göras för att analysera motoriska och kognitiva beteenden i gnagarmodeller som innebär en mängd olika paradigmer och utrustning. Att specifikt analysera forelimb och bakbenen motorik, har cylinder uppgiften och balk promenad uppgift genomförts för att upptäcka motoriken och övervaka förflyttning i den här modellen. Andra känsliga uppgifter för att särskilt bedöma böter forelimb motorisk (dvs. trappan uppgift och enda pellet nå uppgift) kräver brist på mat ^11,13,14. För att undvika någon av de kända effekterna av brist på mat på sjukdoms patologier ^15,16,17, har dessa tester ansetts olämpliga för denna studie. Cylinder uppgift bedömer spontana användning av råttans framben under uppfödning i en ny miljö och kan detektera asymmetri mellan framben hos råttor med unilaterala stroke ^10,18. En stor fördel med denna uppgift är att apparaten kan användas för andra beteende uppgifter, såsom Porsolt tvingas simma uppgift ^19. I motsats till cylinder uppgiften, den balk promenad uppgift möjliggör även analys av bakbenen och forelimb motorisk kontroll, förutom locmotion ^10,14. Beam gång innefattar en rörelsekomponent, en balans komponent och skicklig fot placering. Båda dessa tester är kostnadseffektiva, enkelt och tidseffektivt och belysa effekterna av stroke och AD på d ifferences i lem funktion.

Bortsett från förändringar i motorik, AD innebär minnes underskott som kan presentera i tidiga skeden av sjukdomsförloppet. När man behandlar AD liknande patologier i en gnagare modell, är det viktigt att hippocampus beroende inlärning och minne bedöms eftersom hippocampus är en viktig hjärnans struktur påverkas till stor del i AD ^2. Hippocampus är en viktig hjärnregion för rumslig inlärning och minne och dess funktion kan testas med användning av olika maze paradigm hos gnagare. En av de mest utbredda labyrint uppgifter för gnagare modeller av olika sjukdomar är Morris vattenlabyrinten ^20. Morris water maze utnyttjar spatiala ljud för att hjälpa till råttan i att lokalisera en stationär gömda plattformen och testar rumsliga referensminnet när plattformen avlägsnas. En värdefull fördel med vattenlabyrinten inställning är att det är mycket anpassningsbar beroende på den föreslagna forskningsfrågan ^20.

tält "> För första gången har den teknik som beskrivs använts för att bedöma motor och kognitiv funktion i en ny co-morbid modell av stroke och AD råtta. involverar små streck i en APP21 transgen råttmodell. komorbiditet uppnåddes genom att inducera vasokonstriktion av blodkärlen i striatum för att producera en liten stroke i APP21 transgena råttor. detta stroke modell har väl etablerat som en co-morbid tillstånd i en alternativ råttmodell av AD ^11. Advancement i denna roman APP21 transgen råttmodell var avsedd att skapa en mer translationellt värdefull modell. Medan beteende uppgifter beskrivs med en co-morbid stroke och AD råttmodell, dessa uppgifter kan användas vidare till andra modeller av stroke eller modeller av andra neurologiska sjukdomar (dvs Parkinsons sjukdom). Den allmänna metod som beskrivs kommer att vara allmänt tillämplig på dessa andra sjukdomstillstånd, men beteendetidslinjer och paradigm kan kräva ändringar grundar sig på föreslagna research fråga och modell. Förutom att vara anpassningsbara, de uppgifter som anges är effektiva i att visa mindre underskott, samtidigt som kostnaden och tidseffektivt.

Protocol

Den lämpliga institutionella djuretik kommitté ska godkänna alla beteende förfaranden före start experiment. Alla djur arbete som beskrivs här godkändes av Western University Animal Använd underutskottet och följer den kanadensiska rådet om Animal Care riktlinjer. Dessa djurexperiment utfördes under den ljusa fasen. 1. Cylinder Task för Assessment Gross Forelimb Motor utrustning Setup Förvärva en plexiglascylinder med en perforerad lock som kommer att rymma storleken på råtta …

Representative Results

Beteende uppgifter som beskrivs användes för att demonstrera effekterna av stroke i ett APP21 transgen råttmodell av Alzheimers sjukdom. Kombinationen av stroke och APP21 transgen förväntas leda till större motor underskott i de drabbade extremiteterna, liksom ökade minnesbrister. Cylinder uppgift bedömde brutto forelimb motorik och representeras som användningen av drabbade forelimb. Dessutom var den balk promenad up…

Discussion

Kombinationen av stroke och Alzheimers resultat sjukdom i mycket tydliga beteende sjukdomar som kan påverka både motor och kognitiv funktion beroende på hur allvarligt varje tillstånd. Således är det nödvändigt att använda sig av en mångfald beteende uppgifter för att bestämma de individuella bidragen av dessa tillstånd, samt ge en inblick i de kombinerade och potentiellt interaktiva effekter i co-morbid tillstånd. De data som presenteras visar tre kostnadseffektiv, tidseffektivt och känsliga beteende upp…

Materials

Cylinder	Western University	Plexiglas Cylinder Cylinder Diameter: 23 cm Cylinder Height: 40 cm Platform Height: 30 cm Mirror Length: 35 cm Mirror Width: 26.5 cm	This was made specifically by Western University Machine Services for our lab. Please contact your own chosen manufacturer to design this product.
Handheld Video Camera	JVC	GZ-E200
Video Camera Tripod	Slik	F163
AM/FM Clock Radio	Sylvania	SCR1388
White Board	Walmart	Width: 71.12 cm Height: 55.88 cm	These can be purchased at any store (i.e. Walmart, University bookstores)
Dry-erase Marker	Expo	Expo Dry-erase Original Marker	These can be purchased at any store (i.e. Walmart, University bookstores)
Wooden Beam	Rona	Plywood Width: 2 cm Length: 100cm
VWR General Purpose Laboratory Tape	VWR Intl.	89097-920
iMovie '11	Apple Inc.	Version 9.0.9 (1795)	This is the version used in this manuscript, but any other iMovie version or video editing software could be used.
Morris Water Maze Pool with Platform	Stoelting Co.	60136/60035	These are not the exact products used in the video, but these are essentially identical.
Platform Cue	–	–	The platform cue used was created using a small metal stand and white spherical foam ball. These can likely be purchased at any store with home improvement materials (i.e. Walmart, Rona etc.)
Mainstays 71" Floor Lamp	Walmart	HW-F0377SLV
ANY-Maze Behavioural Tracking Software	Stoelting Co.	60000	There are ANY-maze® bundles that include the camera with or without a computer and accessories.
Compact Video Camera	Logitech	V-U0023
Laptop	Hewlett-Packard	HP® Pavilion dv6 Notebook PC	Laptop Specifics: AMD A6-3420M APU with Radeon™ HD Graphics 1.50 GHz, 6.00 GB RAM, 64-bit operating system.
Americana Non-toxic Acrylic Paint	DecoArt	DAO67-9	This can be ordered on the DecoArt site or purchased in store at DecoArt® retailers.
Poster Board	Walmart	PA-1961