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利用小鼠畏光行为研究偏头痛样症状

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DOI：

10.3791/62839

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2021年8月11日

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1Department of Neuroscience and Pharmacology, University of Iowa, 2School of Behavioral and Brain Sciences, University of Texas at Dallas, 3Center for the Prevention and Treatment of Visual Loss, Veterans Administration Health Center, Iowa City, IA, 4Department of Molecular Physiology and Biophysics, University of Iowa, 5Department of Neurology, University of Iowa

本文内容

摘要

啮齿类动物无法报告偏头痛症状。在此，我们描述了一种可操作的实验范式（明/暗箱和开放旷场实验），用于测量畏光现象，这是偏头痛患者中最常见且最令人困扰的症状之一。

摘要

偏头痛是一种复杂的神经系统疾病，其特征是头痛和感觉异常，例如对光的敏感性增加，表现为畏光。尽管无法确认小鼠是否正在经历偏头痛，但对光的回避行为可作为偏头痛相关畏光症状的行为替代指标。为了检测对光的回避行为，我们采用明暗箱实验，测量小鼠在无干预条件下选择停留在明亮或黑暗环境中的时间。该实验方法通过两项关键改进得以优化：在正式实验前对小鼠进行实验箱的预先适应，以及可调节的箱内照明系统，使光照强度可在55 lux至27,000 lux范围内灵活调整。由于更倾向于停留在黑暗环境中的行为也可能反映焦虑状态，因此我们同时采用一种不依赖光照的焦虑行为检测方法——旷场实验，以区分焦虑与对光的回避行为。本文中，我们描述了明暗箱实验和旷场实验的改良测试范式，并介绍了这些方法在两种小鼠品系中经腹腔注射降钙素基因相关肽（CGRP）以及在光遗传学脑刺激研究中的应用。

引言

偏头痛是一种常见的神经系统疾病，影响约17%的美国人1，是全球范围内导致残疾的第二大原因2,3。患者会出现持续4至72小时的头痛，并伴有以下至少一种症状：恶心和/或呕吐，或畏光和畏声4。近年来，降钙素基因相关肽（CGRP）抗体的研发取得了新进展，目前已获美国食品药品监督管理局（FDA）批准，开启了偏头痛治疗的新时代5,6,7。这些抗体可阻断CGRP或其受体，使约50%的偏头痛患者症状得以预防7。在过去一年中，已有两种小分子CGRP受体拮抗剂获得FDA批准用于偏头痛的急性治疗，另有两种正在研发中8。尽管治疗手段不断进步，偏头痛发作的具体机制仍不明确。例如，CGRP发挥作用的部位尚不清楚。治疗性抗体难以穿过血脑屏障却仍具疗效，提示CGRP可能在外周部位（如脑膜和/或三叉神经节）发挥作用。然而，我们也不能排除其在缺乏血脑屏障的室周器官等中枢部位的作用9。至少对于畏光而言，根据我们使用神经胶质原纤维酸性....

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方案

动物实验已获得爱荷华大学动物护理与使用委员会的批准，并按照美国国立卫生研究院制定的标准进行。

1. 光照/黑暗实验

  1. 明暗箱装置（参见 材料表）设置。本节中所有设备均为商业化产品。
    1. 在架子上放置隔音箱（内部尺寸：宽 59.7 厘米 × 高 38 厘米 × 深 35.6 厘米），箱内配有可抽拉托盘，便于接触实验腔室和暗插件。
    2. 将直流电源和直流稳压电源连接至隔音屏蔽箱。
    3. 将透明无缝开放场箱（27.31 cm × 27.31 cm × 20.32 cm，长×宽×高）放置于隔间抽屉式底座上。
    4. 将黑色红外透射塑料暗区插件（28.7 cm × 15 cm × 20.6 cm，长×宽×高）放入开放场箱中，确保箱体被均分为两个大小相等的区域：暗区和光区。
    5. 通过电缆将三组16光束红外阵列分别连接到开放场箱体的X、Y和Z轴，并连接至红外USB控制器。
    6. 将红外USB控制器连接到计算机。
    7. 在计算机上安装能够记录和收集鼠标位置及活动的追踪软件。
    8. 对于光源面板的设置，首先将发光二极管（LED）光源面板（长×宽：27.70 × 27.70 cm；含360个LED，日光平衡色温，5600K，60°泛光光束角）从其原始外壳中取出。
    9. 将LED驱动器、散热器和电....

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结果

该行为学测试范式旨在检测避光行为。可使用未经处理的野生型小鼠和光遗传学小鼠进行实验，以在实时刺激特定神经元群体的同时，研究光厌恶反应。

该方法已被用于研究外周给予CGRP对CD1和C57BL/6J小鼠10,16以及在C57BL/6J小鼠中对丘脑后核神经元进行光刺激19对畏光行为的影响。实验中使用了年龄为10–20周、包括雄性和雌性的小鼠（图2A、图2B–D和图3）。结果显示，在明暗箱实验中，腹腔注射CGRP显著减少了CD1（图2A）和C57BL/6J（图2B）小鼠在明区停留的时间，但在旷场实.......

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讨论

明暗箱实验被广泛用于评估类似焦虑的行为12。该实验基于小鼠天生对光的厌恶，以及将其置于新环境（明区）时的探索倾向。然而，正如我们在此报道的，该实验也可用于评估避光行为。

在进行测试之前，必须仔细考虑预暴露的次数及其必要性。这取决于小鼠品系或模型。例如，在我们的明暗箱实验方案中，未经处理的野生型CD1和C57BL/6J小鼠在接受处理测试程序前会预先暴露于明暗箱环境中两次，而光遗传学小鼠则不需要进行预暴露。最近一项研究报道，对于CD1小鼠而言，一次预暴露已足以在腹腔注射CGRP后表现出对光的厌恶行为17。因此，在处理日到来时，新奇性这一参数的重要性将有所降低10,16。预暴露可通过降低探索驱动力，从而改变探索与厌恶之间的平衡，进而揭示出对光的厌恶表型。在某些情况下，预暴露并非必需。例如，对于神经系统中CGRP受体增加的基因改造小鼠，无需进行预暴露

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披露

作者声明无利益冲突。

致谢

本工作获得了美国国立卫生研究院（NIH）NS R01 NS075599 和 RF1 NS113839 项目的资助。本内容不代表退伍军人事务部（VA）或美国政府的观点。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
活动监测仪Med Assoc. Inc用于追踪小鼠行为的软件
定制丙烯酸支架用于调节LED面板的高度
暗箱插入件Med Assoc. IncENV-511
直流电源Med Assoc. IncSG-500T
直流稳压电源Med Assoc. IncSG-506
光纤套管DoricMFC_200/ 240-0.22_4.5mm_ZF1.25_FLT
杀菌性一次性擦拭巾Sani-ClothSKU # Q55172
散热片Wakefield490-6K连接至LED面板
红外控制器电源线Med Assoc. IncSG-520USB-1
红外USB控制器Med Assoc. IncENV-520USB
对接套筒DoricSLEEVE_ZR_1.25
改装LED光源面板Genaray SpectroSP-E-360D日光平衡色温（5600K）
电源MEAN WELL USASP-320-12连接至LED面板
无缝开放场箱Med Assoc. IncENV-510S
隔音屏蔽箱Med Assoc. IncENV-022MD-027
支架与夹具
三个16光束红外阵列Med Assoc. IncENV-256

参考文献

  1. Loder, S., Sheikh, H. U., Loder, E. The prevalence, burden, and treatment of severe, frequent, and migraine headaches in US minority populations: statistics from National Survey studies. Headache. 55 (2), 214-228 (2015).
  2. Collaborators, G. B. D. H.

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重印与许可

申请许可以重复使用本 JoVE 文章的文本或图表

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标签

CGRP ChR2

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