本方案描述了在大鼠进行学习与记忆任务时,如何暂时且远程地抑制离散脑区中神经元活动的方法。该方法结合了药理遗传学(仅由设计药物激活的设计受体)与一种行为范式(感觉预条件),旨在区分学习过程中的不同组分。
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本方案描述了在大鼠进行学习与记忆任务时,如何暂时且远程地抑制离散脑区中神经元活动的方法。该方法结合了药理遗传学(仅由设计药物激活的设计受体)与一种行为范式(感觉预条件),旨在区分学习过程中的不同组分。
本方案描述了如何在动物进行学习与记忆任务时,暂时且远程地抑制特定脑区的神经元活动。该方法结合了药理遗传学(仅由设计药物激活的设计受体)与一种行为范式(感觉预条件化),旨在区分不同类型的学习过程。具体而言,通过病毒介导递送的方式,在啮齿类动物的特定脑区表达一种基因改造的抑制性G蛋白偶联受体(即设计受体)。三周后,当设计受体的表达水平达到较高程度时,在特定行为实验开始前30分钟系统性给予一种药理学试剂(即设计药物)。该药物可特异性结合设计受体,从而抑制表达该受体的神经元活动,而在其他方面无生物学活性。脑区的抑制状态可持续2至5小时(取决于给药剂量和途径)。行为范式完成后,需对脑组织进行检测,以确认病毒注射位点准确及受体表达正常。该方法特别适用于确定单个脑区对行为特定成分的贡献,并可应用于多种不同的行为范式研究中。
行为神经科学领域的一个激动人心的挑战是确定复杂行为的神经基础。已有多种技术被用于识别特定脑区对复杂行为各子成分的贡献,这些技术包括永久性损毁、通过套管植入实现的暂时性脑区失活以及光遗传学方法。尽管这些方法增进了我们对学习过程中脑区特异性的理解,但每种技术都存在一定的局限性。具体而言,永久性损毁通常在行为测试前实施,因此其效应贯穿整个实验范式始终。涉及短期神经抑制剂(例如,河豚毒素)的套管实验可能对脑组织造成显著损伤,并在行为测试前诱导实验对象产生应激反应。此外,通过套管进行的失活作用仅限于套管尖端周围的脑区组织。最后,尽管光遗传学技术在特定脑区活动的时间控制方面具有高度灵活性,但其成本高昂且技术要求复杂。
这些局限性可通过采用药理遗传学方法(仅由设计药物激活的设计受体,DREADDs)加以克服1,2。重要的是,尽管药理遗传学的概念较为复杂,其技术操作却十分简便。类似于传统的立体定位手术方法(例如将毒素(如 NMDA、红藻氨酸)注入特定脑区),该技术涉及将携带编码修饰型抑制性G蛋白偶联受体(hM4Di;即设计受体)DNA片段的腺相关病毒(AAV)注入标准实验啮齿类动物的特定脑区(见图1)。该病毒载体还包含一个荧光报告基因(mcitrine)。一旦病毒被细胞摄取,设计受体(及报告蛋白)在注射后约3周达到最大表达水平,并可通过系统给予原本无生物学活性的设计药物氯氮平-N-氧化物(clozapine-N-oxide, CNO)选择性激活,作用持续时间为2–5小时1,3。由于实验者能够对特定脑区神经活动实现精确且非侵入性的时间控制,药理遗传学方法特别适用于多阶段行为范式的联合研究。在本示例中,比较了压后皮层(RSC)在刺激-刺激学习中的作用与其在经典条件反射学习中的功能,但这种联合策略同样适用于大量旨在探究特定脑区如何参与复杂行为的科学问题。
此外,尽管本方案中未作描述,但可采用病毒和转基因方法实现特定细胞类型的DREADD表达2。与涉及药理学和/或其他类型实验干预的行为学范式一样,在使用DREADD方法时,必须仔细考虑实验设计及后续的定量分析。对于初次使用DREADD方法的研究人员,建议参考关于当前DREADD技术的全面综述2。
每天,生物体会学习新的刺激和事件,以及它们之间的相互关系。即使在熟悉的环境中(如家中),人们也能迅速察觉刺激之间关系的变化,因为这些变化可能预示着重要事件的发生。这种刺激-刺激(即, 关系性学习涉及多种刺激的结合,传统上被认为与海马体相关,海马体位于内侧颞叶的中央区域4然而,海马体并非孤立存在或独立发挥作用;内侧颞叶内外的皮层区域为海马结构提供了关键的感觉信息5-7. 传统永久性损毁研究为多个皮层区域的参与提供了有力证据(例如, 在依赖海马的学习过程中,后压部皮层、后鼻周皮层和内嗅皮层等脑区发挥重要作用,但现有方法在解析特定脑区于学习不同阶段的具体作用方面存在局限性8-10.
本实验方案通过在三阶段感觉性预处理范式11,12的某一单阶段期间沉默后扣带皮层(RSC),检验RSC对刺激-刺激学习是否必要的假设。简言之,大鼠接受含有设计受体的腺相关病毒(AAV)注射,约3周后,在行为测试开始前30分钟给予设计药物(CNO)。在本方案中,实验组大鼠在测试的第一阶段(即发生刺激-刺激学习的阶段)接受CNO处理,而在后续两个测试阶段接受载体对照。为控制CNO对行为可能产生的非特异性影响,对另一组大鼠注射设计受体(hM4Di)但给予载体而非CNO。为排除病毒注射及受体表达的普遍性效应,另设对照组大鼠注射不含设计受体的对照病毒,并给予CNO处理。
多种不同血清型的腺相关病毒(AAV)被用于递送遗传物质。目前,美国国立卫生研究院(NIH)关于涉及重组或合成核酸分子研究的指导原则指出,当AAV(所有血清型)或重组/合成AAV载体所携带的转基因不编码潜在致瘤性基因产物或毒素分子,且在无辅助病毒存在的情况下生产时,应采取生物安全等级1(BSL-1)防护措施(附录B-1,风险组1(RG1)病原体)13。目前已有大量关于AAV结构、应用及安全性的综述可供参考14,15。然而值得注意的是,由于存在关于AAV在啮齿类动物中可能影响生殖16,17以及潜在致癌机制18-20的担忧,部分机构要求在操作AAV时采用生物安全等级2(BSL-2)防护措施。在美国使用病毒载体进行基因操作时,应在实验前通过咨询研究所在机构的监管委员会、美国疾病控制与预防中心(CDC)以及《涉及重组DNA分子研究的NIH指导原则》13,确认适用的生物安全等级。上述指南对个人防护、研究人员培训、载体 containment、去污染措施、去污染后材料的处置以及注射后实验动物的饲养要求均作出了明确规定。此外,应咨询并遵循所在机构的动物护理与使用委员会(IACUC)或相应机构监管委员会的指导原则,以确保AAV的安全操作、给药及废弃物处理。
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动物实验已获得欧柏林学院机构动物护理与使用委员会的批准,并符合《实验动物护理与使用指南》的要求21。
1. 病毒注射准备
注意:本方案采用 BSL-1 防护措施。当使用 BSL-2 防护措施时,需穿戴一次性实验服、手套、鞋套、护目用品和颗粒物防护口罩(N95 型)。所有操作 BSL-2 物质的人员必须由当地公共卫生机构进行颗粒物防护口罩的适配性检测。有关病毒载体操作与储存的更多细节,请参见 Lowery & Majewska (2010)22。
2. 手术
3. 行为实验装置
注意:感觉预条件装置由一个标准的操作性条件反射箱(12英寸长 × 9.5英寸宽 × 11.5英寸高)组成,箱体底部为不锈钢网格地板,两侧为Plexiglas侧壁,另两侧为金属壁。
4. 感觉预条件范式概述
5. 药理学与行为学实验步骤
6. 行为数据的分析
注意:所有行为实验的因变量均为大鼠头部进入食杯的时间长度,通过食杯内红外光电管的中断信号进行检测。数据(单位:秒)由计算机软件采集并记录。
7. AAV 定位与表达的验证
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行为学结果
实验完成后,应定量和定性评估特定脑区暂时失活的效果。本示例采用三阶段行为学范式(感觉预条件化),在预条件化阶段给予CNO以抑制后扣带皮层(RSC)的神经活动,旨在验证RSC对于中性刺激间关联形成具有必要性的假设12。需要强调的是,研究者并不局限于本文所述的行为学范式或实验设计,因为药理遗传学方法可与大多数行为学范式相结合。
尽管通常不会对预条件化阶段(第1阶段)期间产生的数据进行分析,但量化大鼠在条件化阶段(第2阶段)是否学会了光-食物的关联非常重要。如图3A所示,实验组(Expt)和对照组(Ctrl)大鼠在光刺激呈现期间的食物杯行为均逐渐增加(图3A),表明大鼠已建立了视觉刺激(光)与食物奖励之间的经典条件反射关联。此外,两组大鼠在食物奖励呈现期间的食物杯行为也均逐渐增加(图3B),表明它们获取奖励的动机相当。在关键的测试阶段,当单独呈现听觉刺激而无其他刺激时,对照组大鼠的辨别分数显著不同于实验组...
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本方案描述了如何应用药理遗传学方法(DREADD)来研究特定脑区在多阶段复杂学习任务中的作用。通过在学习的不同阶段临时且远程地抑制特定脑区的神经活动,这种联合方法为研究多种行为提供了平台,包括更精细或被掩盖的学习形式。在本方案所描述的示例中,对照组大鼠和在压后皮层(RSC)表达设计受体的大鼠被用于一项三阶段行为任务12。任务的第一阶段涉及呈现多个中性刺激,假设对照组大鼠会在其中两个刺激之间形成刺激-刺激关联。工作假说认为RSC对刺激-刺激学习是必需的,因此,在连续4天的条件化过程中,每次行为测试开始前30分钟,对照组和实验组大鼠分别系统性给予设计药物(CNO)或溶剂对照。当CNO与设计受体结合时,会降低表达该受体的神经元的活动。在后续的行为条件化和测试阶段,当假设RSC不再影响学习时,则不再给予CNO,从而不干扰神经活动。
方案中的关键步骤
AAV 化合物的安全操作:药理遗传学方法所涉及的手术操作在技术上并不比简单的立体定位注射更为复杂,但在某些机构使用 AAV 需要实验人员遵守 BSL-2 防护规范。研究人员...
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作者声明不存在任何竞争性经济利益。
感谢 Robinson et al.12 的作者们为本实验方案所部分依据的手稿作出的贡献。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 雄性,Long Evans 大鼠,55-60 日龄 | Hilltop Lab Animals Inc | ||
| rAAV8/hSyn-HA-hM4D(Gi)-IRES-mCitrine | 病毒载体核心实验室 | 注意:此为 BSL-1 级化合物 | |
| rAAV8/hSyn-GFP | 病毒载体核心实验室 | 注意:此为 BSL-1 级化合物 | |
| 氯氮平-N-氧化物(Clozapine-N-oxide) | R&D Systems | 4936-10 | 设计药物 |
| 大鼠笼盖(聚碳酸酯材质) | Alternative Design | FT 8XL-PC | 用于输注后 48-72 小时覆盖动物笼具 |
| 滤纸(替换用) | Alternative Design | FP-R-1018XAD | 与笼盖配套使用的滤纸 |
| 台式虎钳 | JETS | 2201-265 | 用于在通风橱内固定含有 AAV 的微量离心管 |
| 生物危害垃圾袋 | Staples | 113444 | Medline 生物危害内衬袋 |
| 生物危害垃圾桶 | Amazon.com | United Solutions 34 加仑矩形带轮垃圾桶,配挂钩锁紧手柄 | |
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