Механический анализ избегания конфликтов для измерения болевого поведения у мышей
Summary
Механический анализ избегания конфликтов используется в качестве нерефлексивного считывания болевой чувствительности у мышей, которое может быть использовано для лучшего понимания аффективно-мотивационных реакций в различных моделях боли у мышей.
Abstract
Боль включает в себя как сенсорные (ноцицептивные), так и аффективные (неприятные) измерения. В доклинических моделях боль традиционно оценивалась с использованием рефлексивных тестов, которые позволяют делать выводы относительно ноцицептивного компонента боли, но предоставляют мало информации об аффективном или мотивационном компоненте боли. Поэтому разработка тестов, которые фиксируют эти компоненты боли, важна с точки зрения трансляции. Следовательно, исследователи должны использовать нерефлексивные поведенческие анализы для изучения восприятия боли на этом уровне. Механическое избегание конфликтов (MCA) – это установленный добровольный нерефлексивный поведенческий анализ для изучения мотивационных реакций на вредный механический стимул в парадигме 3 камер. Изменение предпочтения мыши в отношении местоположения, когда она сталкивается с конкурирующими вредными стимулами, используется для вывода о воспринимаемой неприятности яркого света по сравнению с тактильной стимуляцией лап. Этот протокол описывает модифицированную версию анализа MCA, который исследователи боли могут использовать для понимания аффективно-мотивационных реакций в различных моделях боли у мышей. Хотя это конкретно не описано здесь, наши примеры данных MCA используют внутриплантарный полный адъювант Фройнда (CFA), травму сохраненного нерва (SNI) и модель перелома / литья в качестве моделей боли для иллюстрации процедуры MCA.
Introduction
Боль — это сложный опыт с сенсорными и аффективными компонентами. Снижение порога восприятия боли и гиперчувствительность к тепловым и/или механическим раздражителям являются ключевыми особенностями этого опыта, которые могут охватить тесты болевого поведения, вызванные стимулом (например, тест Харгривза на тепловую чувствительность и тест фон Фрея на механическую чувствительность)1,2. Хотя такие тесты дают надежные и воспроизводимые результаты, они ограничены их зависимостью от рефлексивного ухода от воспринимаемого вредного стимула. Это поставило под сомнение постоянную зависимость исследований боли только от этих тестов. С этой целью исследователи боли в течение нескольких лет изучали альтернативные / дополнительные поведенческие тесты для использования в моделях боли грызунов в попытке охватить больше аффективных и / или мотивационных компонентов боли. Эти невызываемые, добровольные или нерефлексивные меры (например, бег колес, роение, обусловленное предпочтение места 3,4,5) реализуются в попытке улучшить переводимость доклинических исследований боли.
Анализ механического предотвращения конфликтов (MCA) был первоначально описан Harte et al. в 2016году 6, используется преимущественно у крыс 7,8 и представляет собой модификацию более раннего подхода – парадигмы побега-избегания места. В этом подходе вредный стимул задней лапы выполняется в желательной (темной) камере, чтобы стимулировать целенаправленное поведение животного, чтобы избежать / избежать такой стимуляции 9,10. Вместо того, чтобы полагаться на ручную вредную стимуляцию задней лапы наблюдателем, анализ MCA заставляет мышей договариваться о потенциально вредном стимуле, чтобы избежать отвратительной среды и достичь темной камеры. Конфликт / избегание, которое дает анализу его название, возникает из этих двух конкурирующих мотиваций: избегать ярко освещенных областей и избегать вредной стимуляции лап. Анализ MCA также разделяет особенности с условным тестированием предпочтений места, где сочетание облегчения боли с сигналами окружающей среды приводит к изменениям в поведении, которые отражают предпочтение обезболивающего / вознаграждающего контекста11.
По сути, все эти анализы разделяют схожий подход: использование сдвига в предпочтении животного одной аверсивной среде перед другой в качестве индикатора их аффективного / мотивационного состояния. Анализ MCA представляет собой 3-камерную парадигму, состоящую из ярко освещенной камеры, за которой следует темная средняя камера с регулируемыми по высоте зондами и темная третья камера без каких-либо аверсивных стимулов. Неповрежденная мышь обычно мотивирована сбежать в затемненную камеру, учитывая врожденное отвращение грызунов к яркому свету12. В этом примере естественная мотивация к выходу из ярко освещенной среды преодолевает нежелание сталкиваться со стимуляцией задней лапы (регулируемые датчики высоты), которая возникает исключительно в затемненной среде. Напротив, мышь, испытывающая боль (например, из-за воспаления или невропатии), может предпочесть проводить больше времени в ярко освещенной среде, поскольку есть мотивация избегать неприятного тактильного опыта механических зондов в условиях продолжающейся тактильной гиперчувствительности.
В этой статье описывается модифицированная версия анализа MCA. Мы адаптировали оригинальный метод (который был выполнен на крысах6) для использования на мышах. Мы также сократили количество тестируемых зондов с шести до трех (0, 2 и 5 мм над высотой пола), чтобы упростить сбор данных. Этот подход был протестирован на нескольких моделях боли и подтвержден известными анальгетиками, что указывает на то, что гиперчувствительность к боли и / или связанные с ней аффективные и мотивационные изменения приводят к этим изменениям в поведении. Этот подход относительно быстр в проведении и адаптируем по сравнению с другими нерефлексивными мерами, которые могут занять много дней привыкания и обучения 1,2. В сочетании с другими мерами боли MCA может генерировать ценную информацию об аффективных и мотивационных аспектах боли.
Protocol
Representative Results
Discussion
Как и во всех поведенческих тестах, правильное обращение, рандомизация и ослепление обращения с животными имеют важное значение во всем. Учитывая многофакторные входные данные в сложном поведении и принятии решений, крайне важно, чтобы животные обрабатывались, привыкали и тестировали…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
GM поддерживается стипендией NDSEG Graduate Fellowship. VLT поддерживается грантовыми #GM137906 NIH NIGMS и Фондом Риты Аллен. AJS поддерживается грантами Министерства обороны W81XWH-20-1-0277, W81XWH-21-1-0197 и Фондом Риты Аллен. Мы благодарны доктору Алексаю Кравицу из Медицинской школы Вашингтонского университета за разработку и предоставление в свободный доступ файлов 3D-принтера для пола камеры 2 и пластины зонда.
Materials
| 32.8ft 3000K-6000K Tunable White LED Strip Lights, Dimmable Super Bright LED Tape Lights with 600 SMD 2835 LEDs | Lepro | SKU: 410087-DWW-US | For lighting chamber 1. https://www.lepro.com/32ft-dimmable-tunable-white-led-strip-lights.html |
| 3D printed 'spike bed' and 'chamber 2 floor' | Shapeways | N/A | Optional, for mechanical probes as an alternative to blunted map pins. |
| 70% ethanol | Various | N/A | To clean MCA between mice. |
| Acryl-Hinge 2 | TAP Plastics | N/A | for attaching chamber lids to rear walls. https://www.tapplastics.com/product/plastics/handles_hinges_latches/acryl_hinge_2/122 |
| Chemcast Cast Acrylic Sheet, Clear | TAP Plastics | N/A | 3mm thick. For front wall of chamber 1. https://www.tapplastics.com/product/plastics/cut_to_size_plastic/acrylic_sheets_cast_clear/510 |
| Chemcast Cast Transparent Colored Acrylic, Transparent Dark Red – 50% | TAP Plastics | N/A | 3mm thick. 50% light transmission. For walls and lids of chambers 2 and 3. https://www.tapplastics.com/product/plastics/cut_to_size_plastic/acrylic_sheets_transparent_colors/519 |
| Chemcast Translucent & Opaque Colored Cast Acrylic, Sign Opaque White – 0.1% | TAP Plastics | N/A | 3mm thick. For side walls and lid of chamber 1. https://www.tapplastics.com/product/plastics/cut_to_size_plastic/acrylic_sheets_color/341 |
| Disinfectant (e.g. Quatricide) | Pharmacal Research Laboratories, Inc. | 65020F | To disinfect MCA at the end of a testing session. |
| Dry-erase markers and board | Various | N/A | To add experimental info to the beginning of video footage. |
| Map pins | Various | N/A | Optional, for mechanical probes. Use sandpaper to blunt sharp points before use. Can be used in place of 3D-printed parts. |
| Paper towels | Various | N/A | To clean/disinfect MCA. |
| SCIGRIP Weld-On #3 Acrylic Cement | TAP Plastics | N/A | For assembling acrylic sheets into chambers and affixing hinges. https://www.tapplastics.com/product/repair_products/plastic_adhesives/weld_on_3_cement/131 |
| Stopwatch | Various | N/A | To record escape latencies/dwell times in real-time or from recorded video. |
| Timer | Various | N/A | To ensure LED turn-on, barrier removal and test completion are timed consistently. |
| Video camera | Various | HDRCX405 Handycam Camcorder | To record mouse behavior in the MCA device. Can be substituted with any consumer-grade video camera capable of 1080p resolution. |
| Tripod | Famall | N/A | Any tripod that can hold the camera at bench height for recording MCA footage is acceptable. |
References
- Hargreaves, K., Dubner, R., Brown, F., Flores, C., Joris, J. A new and sensitive method for measuring thermal nociception in cutaneous hyperalgesia. Pain. 32 (1), 77-88 (1988).
- Chaplan, S. R., Bach, F. W., Pogrel, J. W., Chung, J. M., Yaksh, T. L. Quantitative assessment of tactile allodynia in the rat paw. Journal of Neuroscience Methods. 53 (1), 55-63 (1994).
- Sheahan, T. D., et al. Inflammation and nerve injury minimally affect mouse voluntary behaviors proposed as indicators of pain. Neurobiology of Pain. 2, 1-12 (2017).
- Wodarski, R., et al. Cross-centre replication of suppressed burrowing behaviour as an ethologically relevant pain outcome measure in the rat: a prospective multicentre study. Pain. 157 (10), 2350-2365 (2016).
- King, T., et al. Unmasking the tonic-aversive state in neuropathic pain. Nature Neuroscience. 12 (11), 1364-1366 (2009).
- Harte, S. E., Meyers, J. B., Donahue, R. R., Taylor, B. K., Morrow, T. J. Mechanical Conflict System: A Novel Operant Method for the Assessment of Nociceptive Behavior. PLoS One. 11 (2), 0150164 (2016).
- Pahng, A. R., Edwards, S. Measuring Pain Avoidance-Like Behavior in Drug-Dependent Rats. Current Protocols in Neuroscience. 85 (1), 53 (2018).
- Odem, M. A., et al. Sham surgeries for central and peripheral neural injuries persistently enhance pain-avoidance behavior as revealed by an operant conflict test. Pain. 160 (11), 2440-2455 (2019).
- LaBuda, C. J., Fuchs, P. N. A behavioral test paradigm to measure the aversive quality of inflammatory and neuropathic pain in rats. Experimental Neurology. 163 (2), 490-494 (2000).
- LaBuda, C. J., Fuchs, P. N. Morphine and gabapentin decrease mechanical hyperalgesia and escape/avoidance behavior in a rat model of neuropathic pain. Neuroscience Letters. 290 (2), 137-140 (2000).
- Vichaya, E. G., et al. Motivational changes that develop in a mouse model of inflammation-induced depression are independent of indoleamine 2,3 dioxygenase. Neuropsychopharmacology. 44 (2), 364-371 (2019).
- Hascoët, M., Bourin, M., Nic Dhonnchadha, B. A. The mouse light-dark paradigm: a review. Progress in Neuropsychopharmacology & Biological Psychiatry. 25 (1), 141-166 (2001).
- Shepherd, A. J., Mohapatra, D. P. Pharmacological validation of voluntary gait and mechanical sensitivity assays associated with inflammatory and neuropathic pain in mice. Neuropharmacology. 130, 18-29 (2018).
- Huck, N. A., et al. Temporal Contribution of Myeloid-Lineage TLR4 to the Transition to Chronic Pain: A Focus on Sex Differences. Journal of Neuroscience. 41 (19), 4349-4365 (2021).
- Pitzer, C., La Porta, C., Treede, R. D., Tappe-Theodor, A. Inflammatory and neuropathic pain conditions do not primarily evoke anxiety-like behaviours in C57BL/6 mice. European Journal of Pain. 23 (2), 285-306 (2019).
- Sieberg, C. B., et al. Neuropathic pain drives anxiety behavior in mice, results consistent with anxiety levels in diabetic neuropathy patients. Pain Reports. 3 (3), 651 (2018).
- Meuwissen, K. P. V., van Beek, M., Joosten, E. A. J. Burst and Tonic Spinal Cord Stimulation in the Mechanical Conflict-Avoidance System: Cognitive-Motivational Aspects. Neuromodulation. 23 (5), 605-612 (2020).
