Summary
在这里, 我们提出了一个使用改进的多平台方法 (MMPM) 来引入大鼠中心疲劳模型的协议。
Abstract
本文采用改进的多平台法 (MMPM), 介绍了一种大鼠中心疲劳模型。多平台箱设计成一个水箱, 底部有狭窄的平台。模型鼠被投入了坦克并且在平台上站立了14小时 (18:00-8:00) 每天连续21天, 与空白控制小组设置为对比。建模结束时, 模型组大鼠表现出明显的疲劳状态。为了评估模型, 我们进行了几个行为测试, 包括开放场测试 (常), 高附加迷宫 (吸盘) 测试, 和详尽的游泳 (ES) 测试。结果表明: 模型大鼠焦虑、空间认知功能障碍、肌肉表现不佳、自愿活动减少, 证实了中枢性疲劳的诊断。中枢神经递质的变化也验证了结果。最后, 该模型成功地模拟了中心疲劳, 未来的研究与模型可以帮助揭示疾病的病理机制。
Introduction
疲劳是威胁人类健康的主要因素之一1。在过去的几十年里, 各种研究已经证明疲劳是外围触发的, 但集中驱动, 总是伴随着情感和认知障碍。意大利生理学家 a. Mosso 首先提出了 "中心疲劳2" 这个词。它一般被定义为有限的自愿活动和认知功能障碍, 由于中枢神经系统的冲动传输功能障碍 (CNS)3。与周围肌肉疲劳相比, 中枢性疲劳强调中枢神经系统的变化, 以及由此产生的情绪/行为紊乱, 包括抑郁、焦虑、认知障碍和记忆力减退。一项研究表明, 许多因素会导致中枢性疲劳, 其中过度的体力活动和精神压力是相当不可缺少的4。至于发病机制, 如色氨酸-犬尿氨路径假说5解释某些途径的变化;然而, 还需要更深入的研究来揭示中枢性疲劳的中枢-周边相关性。
由于中心疲劳的基本机制尚不清楚, 有效的动物模型对进一步的研究具有十分重要的意义。现有的疲劳模型大多是由过度运动引起的, 如跑步机6和负重游泳7, 很少关注心理因素。为了更好地模拟中心疲劳的发展, 我们小组开发了 MMPM 的大鼠模型。在建模过程中, 老鼠仍然站在狭窄的平台上, 在多个平台盒长时间, 包括部分睡眠时间。与过度运动模型不同, MMPM 模型采用部分睡眠剥夺作为心理因素, 考虑到复杂的中枢性疲劳发病机制。
对于模型评价, 我们使用经常和测验来确定焦虑情绪和自愿活动。采用 ES 试验对周围肌肉的性能进行测量。此外, 我们采取大鼠的大脑和检测多巴胺 (DA)/血清素 (5 HT) 的内容, 在两个 hypothalamuses 观察中枢神经递质的差异。
下面提出的协议旨在模拟在人类生活中常见的情况下, 反复的体力活动和缺乏睡眠导致的中枢疲劳。然而, 通过调整模型的持续时间, 它可以用于许多其他领域, 如睡眠观察和应力研究。在今后的研究中, 我们希望这一模型能帮助发现更多的中枢神经系统变化及其与周边体系的联系, 揭示中枢性疲劳的发病机制。
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Protocol
所有的动物都是按照中国关于实验室动物的道德使用和护理的法律来维护的。
1. 预建模前准备
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实验室准备
- 在实验前至少30分钟运行紫外线灯。
- 控制实验室温度在 25 3 摄氏度, 相对湿度约30% 左右。
- 打开实验室灯在6:00 和关闭在18:00 建立一个 12 h/12 h 光/暗循环。
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多平台箱结构
- 构造一个不透明的塑料罐, 不盖 110 x 60 x 40 厘米3。
- 固定十五个圆形平台 (h = 8 cm, d = 6.5 cm) 在坦克的底部, 有序地分布在三行和五列。在每个平台之间留出足够的空间, 各列之间大约有10厘米, 行之间有13厘米。
- 在水箱的侧面设置一个出水口, 并安装一个水龙头。
- 用一个挂在上面的食物盒做一个铁网盖。
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分组和住房大鼠
注: 实验中使用8周大的雄性大鼠, 重约 200-210 克。在建模过程中, 老鼠成群地活着。- 用记号笔数老鼠的尾巴根。
- 对大鼠进行称重, 排除极轻或重的老鼠, 将其余的随机分为模型和对照组。
- 把老鼠轻轻地放进干净的笼子里, 让他们适应实验室至少3天。提供充足的水和食物供应。
2. 用 MMPM 建模
注: 该过程从18:00 开始, 第二天以8:00 为单位, 每天总计14小时, 超过21天。为了避免干扰因素, 同一个人需要进行整个实验, 同时穿着相同的实验室大衣。实验中使用了10只大鼠。
- 把油箱放在平坦的表面,例如地板上。然后用大约7厘米的温暖 (25 3 °c) 的水填满油箱, 在平台平坦的下面大约1厘米。
- 准备足够的食物和饮料为所有的老鼠在坦克1天。把饲料和水放进食物盒里, 把它挂在盖子上。
注意: 一些聪明的老鼠学会在食物盒上休息。如果是的话, 把他们送回坦克。 - 把模型组的老鼠从笼子里拿出来, 抓住它们的尾巴, 然后轻轻地放进油箱里。在水中发射所有的老鼠, 而不是平台来激发他们对水的恐惧。确保每只老鼠都有一个平台站立, 而控制组的老鼠留在他们原来的笼子里, 有足够的食物和水。
- 把油箱盖上监视老鼠以避免意外伤害。如果一只老鼠在水中停留超过1小时而不爬上平台, 从油箱中取出, 然后从测试中取下。
- 14小时后, 把模型鼠从水箱里拿出来, 用烘干机擦干头发。如果老鼠的尾巴褪色, 就重新标记。把老鼠送回原来的笼子里, 给他们提供足够的食物和水。
- 冲洗油箱的每个角落。抬高油箱一侧, 打开水龙头流出污水。
- 用75% 乙醇喷雾消毒油箱, 并将其暴露在紫外线照射下。
3. 模型评估: 行为测试
注意: 所有的测试都是在行为实验室进行的。在测试期间不允许噪音和额外光线, 以避免干扰。如果可能, 请使用同一个人进行每次测试。图像处理中灰度识别需要深色外套和手套。执行经常第一, 因为它对老鼠的行为影响最小。
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经常
- 在打开的字段框上检查录音机, 确保它正确地连接到工作站上, 并覆盖盒子的每个角落。调整照明以消除框中的阴影。
- 把老鼠搬进他们原来的笼子里的行为实验室。允许他们在测试前至少适应1小时。
- 用75% 乙醇清洁和消毒盒子, 以确保以前的实验没有留下任何粪便或气味。
- 从笼子里取出一只老鼠的背部, 轻轻地放进盒子的中央区域。迅速撤退的武器从箱子, 以免阻止射击。
- 输入老鼠的号码, 开始录音。计数和记录大鼠垂直活动的频率, 包括饲养和攀登。
- 5分钟后, 停止录音, 把老鼠从盒子里拿出来, 把它还给笼子。
- 重复步骤 3.1.3 3.1.6 直到所有的老鼠都完成了测试。
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EPM
- 对经常 (步骤 3.1.1 3.1.2) 执行预检和驯化步骤。
- 把老鼠从笼子里拿回来, 轻轻地放到两只胳膊的接合处。把老鼠朝左张开的手臂, 并迅速离开, 以免阻止射击。
- 输入老鼠的号码, 开始录音。计数和记录不同臂入口的频率。如果老鼠在测试中掉下迷宫, 把它捡起来送回迷宫。记录数据分析的详细信息。
- 5分钟后, 停止录音, 把老鼠拿出来, 把它还给笼子。
- 去除粪便, 用75% 乙醇擦拭迷宫, 消除前鼠的气味。
- 重复步骤 3.2.2 3.2.5 直到所有的老鼠都完成了测试。
-
ES 试验
- 填充泳池 (70 x 30 x 110 厘米3) 与 80 cm 温暖 (25 @ 3 °c) 水。
注: 如果水箱中有恒温器, 水温应设定在37摄氏度左右, 这与大鼠的体温相似。如果没有, 将其设置为室温以保持其恒定。 - 给每只有针束的老鼠装上重物, 然后轻轻地把它绑在尾巴根部。负荷重于大鼠体重的10%。
- 抓住一只老鼠的尾巴, 把它扔进泳池。如果老鼠蜷缩或附着在墙上, 把它们分开, 把它们驱回水中。
- 开始计时的时候, 当老鼠被放进水中, 停止时间时, 它的疲惫, 这是证明是失败的水与嘴和鼻子在水下超过十年代。
注意: 有时, 疲惫和溺水突然发生。一定要有足够的实验者记录和保存的动物在同一时间。 - 把筋疲力尽的老鼠从水中取出, 不要打断别人。干他们的头发, 重新标记他们的数字, 并把他们送回笼子。
- 一组完成后, 更换水箱中的水。在所有的老鼠都完成后, 清空泳池, 用乙醇和紫外光清洁和消毒。
- 填充泳池 (70 x 30 x 110 厘米3) 与 80 cm 温暖 (25 @ 3 °c) 水。
4. 模型评估: 中枢神经递质检测
- 麻醉大鼠腹腔内注射10% 水合氯醛 (3 毫升/千克) 直到昏迷。
- 斩首老鼠。
- 沿后内侧线进行纵切口, 打开颅骨两侧, 露出大脑。把头骨翻过来, 把大脑移开, 把大脑放在冰袋上。
- 分离并除去下丘脑, 它是位于大脑基底中央部分的菱形区域, 与周围组织有明显的边界。把它放在不育的管子里, 用液氮冷冻。把所有的样品都存放在-80 摄氏度的冰箱里。
- 用高效液相色谱法 (HPLC)8测定下丘脑中 DA 和 5 HT 的含量。
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Representative Results
我们用 MMPM 描述了一种大鼠中心疲劳模型。24只大鼠随机分为对照组和模型组, 每组12只大鼠。该模型装置设计成一个水箱, 底部有狭窄的平台 (图 1)。模型鼠每天在平台上站立14小时, 包括部分睡眠时间, 21 天 (图 2)。
行为测试是在建模后进行的, 以评估大鼠的情绪和物理变化。通常的结果 (图 3) 表明, 与对照组相比 (n = 10), 在模型大鼠 (n = 10) 的饲养运动和自愿活动的平均速度 (p < 0.05, p < 0.01) 显著下降, 和外环入口的延迟明显增加 (p < 0.01)。该测试 (图 4) 显示, 21 天的建模减少了张开臂输入和持续时间的频率与对照组相比 (n = 10) (p < 0.05, p < 0.01), 同时增加了接近臂进入和持续时间的频率 (p < 0.05)。ES 试验 (图 5) 的结果表明, 模型组 (n = 10) 的游泳持续时间明显少于对照组 (n = 10) (p < 0.001)。
接下来, 我们检测到两个 hypothalamuses 中的 DA 和 5 HT 含量, 观察中枢神经递质的差异。结果 (图 6) 显示, 与对照组相比 (n = 10) (p < 0.05, p < 0.01), 下丘脑的 da 和 da 到5的比值显著降低 (n = 10), 而 5 HT 含量增加显著 (p < 0.05)。
图 1: 多平台框的示意图.(A) 前视图。(B) 最高视图。多平台盒是一个 coverless 塑料罐 (110 x 60 x 40 cm3) 与十五个丙烯酸平台固定在底部和一个水龙头的侧面。每个平台由一根柱子和一个圆形平面 (d = 6.5 cm) 平台组成, 大于柱子顶部。平台 (h = 8 厘米) 分布在三行和五列中。相邻的平台在列中相隔10厘米, 行中为13厘米。该罐最多可容纳15只老鼠。请单击此处查看此图的较大版本.
图 2: 建模的照片.站在站台上的老鼠是建模的第十五天。它的干头发和暗淡的眼睛表明一个明显的疲劳状态。
图 3: 经常分析.(A) 垂直活动频率的比较。数据显示为均值电子扫描电镜 (n = 10)。以不等方差 (F = 9.877, p = 0.006 < 0.05), 意义由独立样品 t 测试, t = 2.226, p = 0.049 < 0.05 决定。模型大鼠 (n = 10) 与对照组相比, 垂直活动 (饲养) 的频率下降 (n = 10)。(B) 对自愿活动的平均速度进行比较。数据显示为中 IQR (n = 10)。意义是由曼-惠特尼 U 测试, z =-2.685, p = 0.007 < 0.01 决定。模型大鼠自愿活动的平均速度与对照组相比下降。(C) 对外环入口的延迟进行比较。数据显示为均值电子扫描电镜 (n = 10)。以不等方差 (F = 5.748, p = 0.028 < 0.05), 重要性由 t 测试, t =-3.724, p = 0.03 < 0.01 决定。模型大鼠的外环入口潜伏期增加, 这意味着它们比控制大鼠花更多的时间进入出环。注: p< 0.05 (*);p <0.01 (**);p < 0.001 (**)。
图 4: 对吸盘测试的分析.(A) 对张开臂输入频率的比较。数据显示为均值电子扫描电镜 (n = 10)。具有等方差 (F = 0.982, p = 0.348 > 0.05), 意义由 t 检验, t = 2.710, p = 0.014 < 0.05 决定。模型大鼠 (n = 10) 的张开臂输入频率与对照鼠 (n = 10) 相比下降。(B) 在张开臂上的持续时间比较。数据显示为均值电子扫描电镜 (n = 10)。具有等方差 (F = 0.100, p = 0.755 > 0.05), 意义由 t 检验, t = 3.304, p = 0.004 < 0.01 决定。模型大鼠的张开臂持续时间与控制大鼠相比下降, 这意味着模型大鼠在张开臂上的时间较少。(C) 接近臂输入频率的比较。数据显示为均值电子扫描电镜 (n = 10)。具有等方差 (F = 0.141, p = 0.712 > 0.05), 意义由 t 检验, t =-2.466, p = 0.024 < 0.05 决定。模型大鼠闭合臂项的频率随对照组的增大而增加。(D) 密切武装的持续时间比较。数据显示为均值电子扫描电镜 (n = 10)。以不等方差 (F = 4.796, p = 0.042 < 0.05), 重要性由 t 测试, t =-2.736, p = 0.0016 < 0.05 决定。模型大鼠的闭合臂持续时间与控制大鼠相比增加, 这意味着模型大鼠在闭合臂上花费的时间更多。注: p < 0.05 (*);p <0.01 (**);p < 0.001 (**)。请单击此处查看此图的较大版本.
图 5: 详尽的游泳试验分析.数据显示为中 IQR (n = 10), 并报告为p < 0.05 (*), p < 0.01 (**), p < 0.001 (**)。意义是由曼-惠特尼 U 测试, z =-3.326, p = 0.001 确定。模型大鼠的游泳时间 (n = 10) 比对照鼠明显短 (n = 10)。
图 6: 中央神经递质含量分析.(A) 对 DA 内容的比较。数据显示为均值电子扫描电镜 (n = 10)。具有等方差 (F = 0.088, p = 0.771 > 0.05), 意义由 t 检验, t = 3.717, p = 0.002 < 0.01 决定。模型大鼠 (n = 10) 与对照鼠 (n = 10) 相比, 两 hypothalamuses 的 DA 含量均呈下降趋势。(B) 5 HT 含量的比较。数据显示为均值电子扫描电镜 (n = 10)。以不等方差 (F = 5.282, p = 0.034 < 0.05), 重要性由 t 测试, t =-2.997, p = 0.012 < 0.05 决定。在模型大鼠中, hypothalamuses 的 5 HT 含量与对照大鼠相比均有下降趋势。比率比较。数据显示为中 IQR (n = 10)。意义是由曼-惠特尼 U 测试, z =-3.175, p = 0.001 确定。模型大鼠与对照大鼠相比, DA-5-HT 的比值显著降低。注: p < 0.05 (*);p <0.01 (**);p < 0.001 (**)。
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Discussion
MMPM 最初设计为睡眠剥夺9。老鼠被发射到水箱里, 平台固定在底部。由于对水的本能的恐惧, 老鼠仍然站在平台上, 没有睡眠发生。研究表明, 不同时间的睡眠剥夺导致大鼠行为和情绪的变化, 包括认知障碍10, 消极情绪11, 中心疲劳。一些研究人员证明, 采用单平台法 (SPM) 的慢性睡眠剥夺可诱发中枢性疲劳, 并有认知障碍和社会障碍12。其他研究表明, 连续几天间歇性剥夺会导致情绪紊乱和中枢性疲劳, 这可以用内啡肽13治疗。我们以前的研究证明, 与5天14天相比, 21 天的剥夺导致更多的中枢性疲劳, 而不是与压力相关的情绪障碍14。MMPM 的许多因素可能导致中枢性疲劳, 包括长时间站立、狭小的遮蔽空间、单调乏味和重复的环境以及缺乏睡眠。睡眠剥夺与中枢性疲劳之间的潜在相关性可能与下丘脑-垂体-肾上腺 (HPA) 轴在不同的水平, 其中单胺类神经递质的变化可能发挥关键作用。
在本协议中, 我们开发了一个使用 MMPM 的中心疲劳模型, 并通过行为测试和神经递质检测对其进行评估。首先, 我们在实验室创建一个 12 h/12 h 光/暗循环 (6:00-18:00) 来模拟大鼠的自然昼夜节律, 其平均睡眠时间为12.6 小时, 夜间约 2.4-4.2 小时, 白天 8.2-9.6 小时.然后将模型鼠放入多个平台盒中, 每天连续21天站立14小时 (18:00-8:00), 对照组设置为对比。实验结束时, 模型组中的大鼠表现出明显的疲劳状态, 包括钝毛、微弱的尾部颜色、暗淡的眼睛以及笼中活动的减少。
行为测试的结果显示身体和情绪方面的变化。经常被广泛应用于啮齿动物模型评估中, 以评估勘探行为和自愿活动16。啮齿类动物有 thigmotaxis 的本能, 即一旦它们被放进一个开阔的领域, 它们就会迅速地移动到墙附近的外环。同时, 他们对新的环境感到好奇, 并且渴望通过垂直饲养和横向运动来探索中心区域。两种动机的冲突反映了焦虑情绪17。结果表明, 模型大鼠的自愿活动下降的平均速度下降的基础上。此外, 模型大鼠的饲养频率与控制大鼠相比明显降低, 这可能意味着焦虑情绪。此外, 模型大鼠在进入外环时往往花更多的时间, 在探索中没有明显的偏好, 提示模型大鼠的空间认知障碍。该测验是评估焦虑的经典测试。焦虑的大鼠倾向于保持密切的手臂安全, 而不是探索开放的手臂18。结果表明, 模型大鼠与对照组相比, 在闭合臂上花费的时间较多, 张开臂的时间较短, 与不同臂的进入频率相似, 总体上验证了模型大鼠的焦虑情绪。在 ES 试验中, 模型大鼠的游泳时间比控制大鼠短得多, 提示疲劳导致的肌肉表现不佳。结果表明, 模型大鼠焦虑、认知障碍、肌肉表现不佳、自愿活动有限, 均表现为中枢性疲劳。
对于中枢神经系统, 中枢神经递质的所有变化都表明中枢疲劳。我们发现大容量的显著下降和下丘脑的 5 HT 的增加。5-HT 是由氨基酸色氨酸 (跨国激进党) 合成的单胺类神经递质。剧烈的活动会增加5多羟的世代, 释放更多的自由激进党进入血液;累积的 5 HT 作为回报, 抑制了电机系统的中央控制, 导致较差的肌肉验19。DA 是一种易激动的神经递质, 在运动神经活动开始时增加, 并通过疲劳20的出现而下降。DA 和 5-HT 关联并相互作用作为一个励磁抑制系统, 影响到电机系统的中心控制21。因此, DA 与 5-HT 比值的下降是中枢疲劳的一个重要指标。
《议定书》中有一些对成功至关重要的说明。首先, 对雄性大鼠的模型持续时间和条件进行了测试。温度偏好和睡眠持续时间在菌株和性别之间差异14。其次, 大鼠应该在一个笼子里生活, 最多有6只老鼠, 在整个实验中提供足够的食物和水。在建模的头两个星期里, 老鼠很恼火, 可能在坦克和笼子里打架。继续监视他们, 防止受伤的老鼠死亡。另外, 记得在从水箱中取出后, 把老鼠的头发晒干, 尤其是在冬天, 以防寒冷的情况。
虽然该模型是为中心疲劳设计的, 但增加复杂因素以扩大其使用是可行的。例如, 我们安装振动马达和弹簧到平台上模拟海浪和改变剥夺模式, 试图建立一个导航疲劳模型。通过调整模型持续时间, 可以在许多其他字段中使用。作为动物模型研究, 该研究有其局限性。首先, 模型的预测有效性没有证据。在今后的研究中, 我们应该对大鼠进行抗疲劳治疗, 并对其恢复进行评估, 以证明模型的有效性。此外, 目前对该模型的评价更侧重于消极情绪和中枢神经系统的变化;然而, 中央疲劳也体现为学习困难和社会回避12。行为测试如莫里斯水迷宫和社会互动测试可以进行, 以获得更全面的了解疾病。我们希望在这里引入的中心疲劳模型可以帮助探讨中枢疲劳的病理机制。
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Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
这项工作得到北京自然科学基金 (7162124 号) 和北京中医药大学新奥基金会的支持。
Materials
Name | Company | Catalog Number | Comments |
multiple platform sleep deprivation water tank | Customization,it is provided by the neuroimmunological laboratory of Beijing University of Chinese Medicine | 110cm x 60cm x 40cm. There are 15 plastic small platforms at the bottom. The small platform is 6.5cm in diameter and 8cm high | |
Wistar rats | Beijing Weitong Lihua Experimental Animal Technology Company | license number SYXK (Beijing) 2016-0011 | Use 32 Wistar healthy male rats ,8 week old (200-210 g) |
Agilent 1100LC high performance liquid chromatograph | Agilent | G1379A, G1311A, G1313A , G1316A | G1379A, G1311A type chromatographic pump, G1313A automatic sampler, G1316A column temperature box |
DECADE II SDC electrochemical detector | Dutch ANTEC company | glassy carbon electrode, Ag/AgCl reference electrode, workstations (Clarity CHS) | |
Biofuge Stratos high-speed refrigeration centrifuge | HERAEUS | ||
VCX130 ultrasonic fracturing instrument | SONICS | ||
ACS-ZEAS electronic scale | Phos technology development, Beijing. | The weight of the weighing rats can be accurate to 0.1g. | |
Open Field Box | Customization,it is provided by the neuroimmunological laboratory of Beijing University of Chinese Medicine | wooden box of open field 100 cm by 100 cm x 40 cm, inside wall and bottom as the gray.The bottom is divided into 25 equal area squares, each of which is 20cm x 20cm, and the 16 grids along the outer wall are the external ones, and the other 9 grids are central.The camera is mounted above the median. | |
Elevated Plus-maze | Beijing zhongshi dechuang technology development co. LTD. | The open arms and close arms of the cross are composed of 30cm x 5cm x 15cm, and the central area is 5cm x 5cm, with a camera mounted above the center and 45cm high. | |
rat swimming bucket. | Zhenhua biological instrument equipment co., LTD. Anhui,China. | The volume of plastic drum is 70cm x 30cm x 110cm, which is used for swimming in rats. | |
Thermometer | Shiya instrument co., LTD., changzhou,China. | Control water temperature | |
Small water pump | Xincheng technology co., LTD., chengdu,China. | Used for water tank and swimming behavior. | |
Ethovition3.0 behavioral software. | Nuldus,Netherlands | Measurement analysis of rat behavior videos. |
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