本方案描述了使用改良T型迷宫评估缺氧性心脏骤停所致脑缺血中功能学习/记忆的方法。
方法文章
本方案描述了使用改良T型迷宫评估缺氧性心脏骤停所致脑缺血中功能学习/记忆的方法。
背景:在全脑缺血(即心脏骤停)模型中,由于手术后运动能力较差,评估轻度至中度认知功能障碍可能较为困难。例如,接受手术操作的大鼠在进行莫里斯水迷宫实验时可能无法游泳,从而导致实验无效。
新方法:我们建立了一种改良的行为学自发交替T型迷宫测试。改良T型迷宫方案的主要优势在于其设计相对简单,但足以有效评估脑缺血后的功能学习/记忆能力。此外,数据分析过程简便直接。我们采用T型迷宫检测大鼠在轻度至中度(6分钟)窒息性心脏骤停(ACA)存在或不存在条件下的学习/记忆缺陷。大鼠具有天然的探索倾向,会交替进入T型迷宫的不同臂,而海马损伤的大鼠则倾向于选择固定一侧,导致自发交替率降低,从而揭示在有或无ACA情况下与海马相关的功能性学习/记忆能力。
结果:与对照组相比,ACA组的侧向偏好比率更高,而交替次数更低。
与现有方法的比较:莫里斯水迷宫和巴恩斯迷宫均常用于评估学习/记忆功能。然而,莫里斯水迷宫相比其他迷宫更具应激性。巴恩斯迷宫广泛用于测量参考记忆(长期记忆),而ACA诱导的神经认知缺陷与工作记忆(短期记忆)的关系更为密切。
结论:我们建立了一种简单而有效的方法,通过T型迷宫在全脑缺血模型(ACA)中界定工作记忆(短期记忆)。
根据美国心脏协会(2017年)的数据,心脏骤停(CA)导致的死亡每四分钟发生一次,在美国每年影响超过40万人1。已有充分证据表明,心脏骤停会因血液灌注不足而导致神经元性脑损伤2,3,4。心脏骤停引起的脑损伤主要发生在海马体对缺血敏感的CA1区5,6,7,影响对学习和记忆至关重要的神经元8,9,10,11,12。此外,在缺血条件下海马体(即CA1神经元)树突棘密度的减少,在空间记忆障碍中起关键作用13,14,15。由于心脏骤停后出现这些病理变化,焦虑、抑郁、创伤后应激障碍和记忆丧失等行为障碍更为常见。尽管医学技术(如高效的院前急救服务)的进步与心脏骤停存活率的提高相关,但大多数神经保护治疗(除低温疗法外)未能改善心脏骤停后的功能预后16,17。心脏骤停幸存者通常生活质量较差,并承受不断增长的医疗支出负担16。
通过行为学测试评估脑缺血后的认知状态,对于确定药物疗效以及最终开展成功的临床试验具有重要意义。20世纪40年代,Edward Tolman设计了首个行为学实验,用于研究基于海马的空间记忆18。随后,多种迷宫(如Morris水迷宫、放射状迷宫、T形或Y形迷宫以及Barnes迷宫)被开发出来,用于评估大鼠基于海马的空间学习与记忆能力19,20,21,22,23。其中应用较广泛的行为学测试之一是Morris水迷宫,用于检测大鼠模型中的空间学习与记忆功能24。然而,Morris水迷宫要求大鼠具备完整的游泳能力及运动功能控制。在诸如窒息性心脏骤停(ACA,一种心脏骤停的大鼠模型)等缺血实验中,需进行股动脉/静脉插管,以获取重要的血压、血气数据并给予多种药物。由于股动脉/静脉插管可能影响后肢活动能力,导致大鼠无法正常游泳,因此Morris水迷宫可能并不适用于ACA模型下认知功能障碍的检测。
巴恩斯迷宫是另一种广泛用于检测啮齿类动物模型空间学习和记忆能力的行为学实验方法。巴恩斯迷宫不需要动物发挥完全的运动功能和控制能力,因此比莫里斯水迷宫更具低应激性。过去,我们曾使用巴恩斯迷宫开展实验,以确定对照组或假手术组与ACA诱导的大鼠之间是否存在功能性学习/记忆差异。然而,所获得的巴恩斯迷宫数据在检测轻度至中度ACA后认知功能障碍方面的分辨力不足,原因是该迷宫通常用于评估参考记忆(长期记忆)25,26,而ACA诱导的神经认知缺陷更倾向于与工作记忆(短期记忆)相关27,28,29,30,这表明巴恩斯迷宫在评估我们所用ACA模型中的记忆功能时可行性较低。
因此,我们开发了一种改良的T型迷宫,利用自发交替实验来评估ACA后的短时工作记忆。与其它行为学测试相比,该改良T型迷宫自发交替实验的主要优势在于其操作简便,且对大鼠造成的应激较小,因为该方法无需预先训练动物,也无需像莫里斯水迷宫和巴恩斯迷宫那样进行复杂的计算分析或辅助程序(例如大鼠的视频成像)。本文表明,改良T型迷宫自发交替实验是一种简单但高效的动物行为实验范式,能够提供足够的分辨能力,以准确检测和评估导致短期记忆丧失疾病(如ACA)中的海马功能。
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所有实验操作均按照美国国立卫生研究院的指南进行,并经机构动物护理和使用委员会(LSU Health Sciences Center-Shreveport)批准,用于使用雄性Sprague Dawley大鼠(300-350 g,9-10周龄)。在进行ACA手术前,大鼠禁食过夜。
1. T型迷宫装置的设计与设置
注意:T型迷宫的设计应基于Deacon和Rawlins在2006年提出的模型31。
2. 窒息性心脏骤停(ACA)
3. T型迷宫


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全脑缺血(ACA)主要导致工作记忆(短期记忆)功能障碍28,29。为评估ACA后学习与记忆功能,我们采用改良的自发交替实验来评价工作记忆(短期记忆)30。自发交替实验结果显示,与对照组(62.96 ± 6.07%)相比,ACA组连续三天的交替率显著降低(26.19 ± 4.96%)(*p0.05)35,原因是接受ACA处理的大鼠较对照组表现出明显的侧向偏好(82.14 ± 4.57% 对 62.89 ± 2.86%,*p0.05) (图3a和3b)35,从而导致自发交替率下降。结果以均值±标准误(S.E.M.)表示。数据采用单因素方差分析(one-way ANOVA),随后进行Turkey...
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与Deacon和Rawlins的方案相比,本研究进行了若干修改31。使用3D打印机制造T型迷宫,3D打印为商业化T型迷宫提供了经济且成本效益高的替代方案。为降低大鼠在实验过程中的焦虑情绪,T型迷宫实验在光线最暗的暗室中进行。当大鼠进入其中一个目标臂后,我们轻柔地封闭相对的另一臂。这一操作可避免实验中可能引起的压力,同时防止在放下闸门时对大鼠尾巴造成损伤。任何不必要的应激都会抑制大鼠在后续实验中的表现。因此,本研究采用"T"型连接块作为闸门,以消除测试过程中塑料滑动闸门所产生的摩擦噪音。该步骤可显著降低大鼠在T型迷宫实验中的焦虑水平。
适应是T型迷宫实验成功的关键步骤,因为焦虑的大鼠缺乏在迷宫中奔跑的动力。因此,必须确保大鼠在实验前已适应人类的触摸、高度以及从笼子转移到迷宫的过程。当操作者试图接触焦虑的大鼠时,它们会发出吱吱声或嘶嘶声。此外,焦虑的大鼠在T型迷宫实验过程中通常表现出长时间的僵直反应,或拒绝进入迷宫奔跑,且大部分时间停留在起始臂,不探索迷宫其他区域。如果大鼠不进入迷宫奔跑,可轻触其尾部以促使其移动。另一种可...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本研究工作得到了美国国立卫生研究院/国家神经疾病与卒中研究所资助项目1R01NS096225-01A1、美国心脏协会资助项目AHA-13SDG1395001413、AHA-17GRNT33660336、AHA-17POST33660174、路易斯安那州立大学研究委员会资助项目、马尔科姆·费斯特心血管研究奖学金以及伊芙琳·F·麦克奈特脑研究所的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
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| 3D 打印机耗材 | Hatchbox | PLA,1.75 mm 线径 | |
| 200 证明纯乙醇 | Koptec | V1005SG | |
| Sani-Chips | PJ Murphy-Forest Products | 粒径:8 至 20 目;2.2 立方英尺/包;可高压灭菌袋装 | |
| 大鼠 | Charles River Laboratories | Sprague-Dawley | |
| 维库溴铵溴化物 | Sun Pharmaceutical | 47335-931-40 | 10 mg |
| 肾上腺素 | Par Pharmaceutical | 42023-103-01 | 肾上腺素氯化物溶液 1 mg/mL,1:1000 |
| 盐酸丁丙诺啡注射液 | Pfizer | 00409-2012-32 | 0.3 mg/mL |
| SketchUp | Trimble Inc. | 三维建模软件 | |
| VentElite 小动物呼吸机 | Harvard Apparatus | 55-7040 | 适用于从小鼠到豚鼠(10 g 至 1 kg)体型范围的动物 |
| PowerLab 8/35 | Adinstruments | PL3508 | 8 个模拟输入通道 – 其中 4 个可用于差分模式。 |
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| LabChart 8 | Adinstruments | ||
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