Methodenartikel

Beoordeling van stresseffecten op cognitieve flexibiliteit met behulp van een operante strategieverschuivingsparadigma

DOI:

10.3791/61228

⸱

4 mei 2020

 ,  , 
1Department of Psychology, Bryn Mawr College

In dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Stressvolle levensgebeurtenissen schaden de cognitieve functie, waardoor het risico op psychiatrische stoornissen toeneemt. Dit protocol illustreert hoe stress de cognitieve flexibiliteit beïnvloedt met behulp van een geautomatiseerd operante strategieverschuivingsparadigma bij mannelijke en vrouwelijke Sprague Dawley-ratten. Specifieke hersengebieden die ten grondslag liggen aan bepaald gedrag worden besproken en translationele relevantie van resultaten wordt onderzocht.

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Stress beïnvloedt de cognitieve functie. Of stress de cognitieve functie verbetert of schaadt, hangt af van verschillende factoren, waaronder het 1) type, de intensiteit en de duur van de stressor; 2) type cognitieve functie in studie; en 3) timing van de stressor in relatie tot het leren of uitvoeren van de cognitieve taak. Bovendien zijn sekseverschillen tussen de effecten van stress op de cognitieve functie op grote schaal gedocumenteerd. Hier beschreven is een aanpassing van een geautomatiseerd opererend strategieverschuivingsparadigma om te beoordelen hoe variaties in stress de cognitieve flexibiliteit bij mannelijke en vrouwelijke Sprague Dawley-ratten beïnvloeden. In het bijzonder wordt terughoudendheidsstress gebruikt voor of na de training in deze operante taak om te onderzoeken hoe stress de cognitieve prestaties bij beide geslachten beïnvloedt. Bepaalde hersengebieden die verband houden met elke taak in dit geautomatiseerde paradigma zijn goed ingeburgerd (d.w.z. de mediale prefrontale cortex en orbitofrontale cortex). Dit maakt gerichte manipulaties mogelijk tijdens het experiment of de beoordeling van bepaalde genen en eiwitten in deze regio's na voltooiing van het paradigma. Dit paradigma maakt het ook mogelijk om verschillende soorten prestatiefouten te detecteren die optreden na stress, die elk neurale substraten hebben gedefinieerd. Ook geïdentificeerd zijn duidelijke sekseverschillen in volhardende fouten na een herhaald stressparadigma. Het gebruik van deze technieken in een preklinisch model kan onthullen hoe stress de hersenen beïnvloedt en de cognitie schaadt bij psychiatrische stoornissen, zoals posttraumatische stressstoornis (PTSS) en depressieve stoornis (MDD), die duidelijke sekseverschillen in prevalentie vertonen.

Inleiding

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bij mensen kunnen stressvolle levensgebeurtenissen de cognitieve functie aantasten (d.w.z. cognitieve flexibiliteit1), wat het vermogen aangeeft om cognitieve verwerkingsstrategieën aan te passen aan nieuwe omstandigheden in de omgeving2. Stoornissen in cognitie bespoedigen en verergeren veel psychiatrische stoornissen, zoals posttraumatische stressstoornis (PTSS) en depressieve stoornis (MDD)3,4. Deze aandoeningen komen twee keer zo vaak voor bij vrouwen5,6,7,8,maar de biologische basis voor deze ongelijkheid blijft onbekend. Aspecten van uitvoerend functioneren bij mensen kunnen worden beoordeeld met behulp van de Wisconsin Card Sorting Task, een demonstratie van cognitieve flexibiliteit2. De prestaties in deze taak zijn verminderd bij patiënten met PTSS9 en MDD10, maar de neurale basis van deze verandering kan alleen worden onderzocht door beeldvorming van de hersenen11.

Vooruitgang in het begrijpen hoe stress de hersenen beïnvloedt, is gemaakt door het gebruik van diermodellen, met name knaagdieren. Omdat cognitieve flexibiliteit wordt beïnvloed bij stressgerelateerde ziekten, is het een uitzonderlijk relevant fenotype om te onderzoeken bij knaagdieren. Tot op heden heeft de meeste stress neurobiologie literatuur een alternatief cognitief flexibiliteitsparadigma gebruikt (soms aangeduid als de graaftaak)12,13,14,15. Hoewel deze taak uitgebreid is doorgelicht, vereist het meer tijd en moeite van de experimentator om knaagdieren te trainen. Aangepast en hier beschreven is een goed ingeburgerd geautomatiseerd set-shifting protocol16 om cognitieve flexibiliteit bij mannelijke en vrouwelijke Sprague Dawley-ratten te beoordelen met behulp van verschillende stressmodellen17,18. De procedure vereist minimaal toezicht door de experimentator en maakt het mogelijk om meerdere ratten tegelijkertijd te testen. Bovendien, in tegenstelling tot andere versies van deze geautomatiseerde taak19,vereist de aanpassing van dit paradigma slechts 3 dagen training en omvat een efficiënte geprogrammeerde gegevensanalyse.

Of stress de cognitieve functie verbetert of schaadt, hangt af van het type, de intensiteit en de duur van de stressor, evenals de timing van de stressor in relatie tot het leren of uitvoeren van een cognitieve taak20,21. Het protocol omvat dus stressprocedures zowel voor als na de operante training. Het onderzoekt ook representatieve resultaten van stressstudies. Bovendien zijn de hersengebieden die ten grondslag liggen aan bepaalde aspecten van set-shifting goed ingeburgerd2,16,22; zo beschrijft het rapport ook hoe bepaalde hersengebieden tijdens of na de stress- en strategieverschuivingsprocedures kunnen worden gericht en beoordeeld.

Er is beperkt onderzoek gedaan naar het direct onderzoeken van sekseverschillen in cognitieve flexibiliteit18,23.  Het protocol beschrijft hoe 1) zowel mannelijke als vrouwelijke ratten in het experimentele paradigma kunnen worden opgenomen, en vervolgens 2) oestruscycli voor en tijdens de procedures bij vrij fietsende vrouwtjes kan volgen. Eerdere studies hebben aangetoond dat stress vóór operante training kan leiden tot geslachtsspecifieke tekorten in cognitieve flexibiliteit bij ratten17. Met name vrouwelijke ratten vertonen verstoringen in cognitieve flexibiliteit na stress, terwijl cognitieve flexibiliteit verbetert bij mannelijke ratten na stress17. Interessant is dat een belangrijk kenmerk van stressgerelateerde psychiatrische stoornissen, die een geslachtsgebonden incidentie bij mensen hebben, cognitieve inflexibiliteit is. Deze resultaten suggereren dat vrouwen kwetsbaarder kunnen zijn voor dit type cognitieve stoornissen dan mannen. Het gebruik van deze technieken in diermodellen zal licht werpen op de effecten van stress op de hersenen en hoe het de cognitie bij psychiatrische stoornissen bij mensen schaadt.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Alle procedures in deze studie werden goedgekeurd door de Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) aan het Bryn Mawr College. Verkrijg IACUC of anderszins toepasselijke wettelijke goedkeuring voordat u proefdieren bestelt en met experimenten begint.

1. Bereiding van dieren

  1. Verkrijg mannelijke en vrouwelijke volwassen Sprague Dawley-ratten.
    OPMERKING: De ratten kunnen vóór de leeftijd van 65 dagen worden afgeleverd, maar begin pas na dit punt met procedures om ervoor te zorgen dat zowel mannetjes als vrouwtjes volledig volwassen zijn.
  2. Paarhuis ratten van hetzelfde geslacht voor zo lang mogelijk, omdat langdurige isolatie een stressor is24. Voor voedselbeperking huisvesten alleen ratten vlak voor het operante strategieverschuivingsprotocol.
  3. Na 1 week acclimatisatie, voorzichtig beginnen met het hanteren van ratten gedurende 3-5 minuten per dag. Verzamel het lichaamsgewicht van elke rat. Bovendien, als u geïnteresseerd bent in het beoordelen van hoe gonadale hormonen de resultaten kunnen beïnvloeden, verzamel vaginale lavage voor vrouwelijke ratten (beschreven in sectie 2).
  4. Beperk (van voedsel) dieren die in het operante strategieverschuivingsparadigma worden uitgevoerd ten minste 3 dagen voordat de training begint, zodat ze de taak met succes leren. Zorg ervoor dat water altijd vrij beschikbaar is. Voor elk dier moeten schriftelijke gegevens worden bijgehouden om de dagelijkse voedsel- en vochtconsumptie, hydratatiestatus en eventuele gedrags- en klinische veranderingen te documenteren die worden gebruikt als criteria voor tijdelijke of permanente verwijdering van een dier uit een protocol (Morton 2000; NRC 2003b).
    1. Als u langer dan 3 dagen voor de training een stressprocedure gebruikt, past u de voedselbeperking aan het aantal dagen stress aan (bijv. 5 dagen beperking plus voedselbeperking25).
    2. Lever elke dag 80% van de normale dagelijkse voedselinname (d.w.z. 4 g voedsel per 100 g lichaamsgewicht)26. Gebruik de dagelijkse gewichtsverzameling voor de rat om te berekenen hoeveel voedsel hij elke dag moet geven.
    3. Ga door met de voedselbeperking tijdens de trainings- en testdagen. Plaats echter geen voedsel in de thuiskooi totdat de rat de training of het testen voor de dag heeft voltooid, anders zullen ze niet gemotiveerd zijn om de taken uit te voeren voor een beloning voor voedselkorrels. Zorg ervoor dat de timing van voedsellevering aan ratten na voltooiing van de taak vrij onvoorspelbaar is, omdat dit helpt om verminderde motivatie te voorkomen om in de operante kamer uit te voeren (ten gunste van gewoon wachten op voedsel in de thuiskooi daarna).
      OPMERKING: Dieren die het beperkingsstressparadigma ondergaan, vertonen geen significant groter gewichtsverlies dan controle, niet-belaste proefpersonen. Verschillende stressprocedures kunnen echter zelf gewichtsverlies veroorzaken, wat resulteert in ratten die minder voedsel krijgen dan niet-gestresste tegenhangers tijdens voedselbeperking op basis van lichaamsgewicht. Dit kan een extra, verwarrende stressor opleveren. Als dit het geval lijkt te zijn, gebruik dan als alternatief een vaste hoeveelheid voedsel die aan elke proefpersoon wordt gegeven, ongeacht gewicht27.

2. Vaginale lavage

OPMERKING: Gonadale hormonen (d.w.z. oestrogeen en progesteron) zijn bekend om de stressrespons en cognitie te beïnvloeden28,29,30. Deze hormonen fluctueren over de oestruscyclus van vrouwelijke ratten31. Als u geïnteresseerd bent in het volgen van de oestruscyclus van vrij fietsende vrouwelijke knaagdieren om te correleren met stress- of cognitieve flexibiliteitsgegevens, verzamel dan vaginale lavage zoals hieronder beschreven. Representatieve gegevens over de oestruscyclusfase worden niet verstrekt.

  1. Om vaginale lavamonsters van vrouwen te verkrijgen, verzamelt u warm water in een schoon bekerglas, een glazen pipet, een "lavage" -dia (microscoopglaasje met acrylverfcirkels om het lavamonster vast te houden) en een leeg bekerglas.
  2. Vul de pipet met een kleine hoeveelheid warm water (~ 0,5 ml) en steek de punt vervolgens in de vagina van de vrouwelijke rat (door bij zijn staart op te tillen). Verdrijft het steriele water 2x-3x en verdrijft de verzamelde vloeistof op een microscopische dia. Laat de spoelschuifcirkel niet overlopen.
  3. Verdrijft overtollige vloeistof in het lege bekerglas. Label de lavaglaas met rattenaantallen en zet de monsters van elke rat in die volgorde, zodat het duidelijk is welk monster van elke rat is.
  4. Spoel de pipet grondig door schoon warm water te pipetteren en meerdere keren in het "overtollige" bekerglas te doseren voordat u de pipet vult om de volgende rat te bemonsteren.
  5. Draag de lavaglaasjes voorzichtig naar een brightfield-microscoop om het lavamonster in beeld te brengen en de dag binnen de oestruscyclus te classificeren zoals beschreven in Becker et al31.
    OPMERKING: Idealiter moet lavaging een paar weken worden gedaan om de cyclus van een vrouw goed te volgen en moet het elke dag op een zeer vergelijkbaar tijdstip worden uitgevoerd om te controleren op circadiane ritmes. Bij voorkeur moet deze procedure worden uitgevoerd vóór stress- en operante strategieverschuivingsprocedures. Het gebruik van wattenstaafjes en steriele zoutoplossing kan ook worden gebruikt als alternatief voor deze oogduitdruiptechniek. Gegevens voor vrouwelijke ratten kunnen post-hoc worden geanalyseerd op basis van de oestruscyclusdag (denk aan dagen van cyclus wanneer stress wordt uitgevoerd en / of dag van cyclus wanneer testen plaatsvindt).

3. Apparatuur en software

  1. Gebruik operante kamers voor gedragstraining en testen.
    1. Zorg ervoor dat de kamers ten minste twee intrekbare hendels bevatten met twee prikkellichten erboven, een huislamp en een dispenser voor versterking voor deze taken.
    2. Controleer of de hendels zich aan weerszijden van het centrale versterkingsafgiftegebied bevinden met één prikkellampje boven elke hendel.
    3. Gebruik het huislicht om de kamer te verlichten zonder de detectie van de lichtprikkel te verstoren (het is het beste als het huislicht zich op de achterwand van de kamer bevindt, tegenover de hendels en stimuluslampen).
  2. Gebruik stofloze voedselpellets (hier worden pellets van 45 mg gebruikt: 18,7% eiwit, 5,6% vet en 4,7% vezels) voor versterking bij ratten met voedselbeperking. Gebruik geen pellets met een hoog sucrose- of vetgehalte (tenzij er interesse is in hoe stress de smakelijke voedselinname beïnvloedt).
  3. Regel de presentatie van stimuli, hefboombediening en gegevensverzameling vanaf een computer met software die de kamer kan bedienen(Tabel met materialen).
    OPMERKING: Neem voor informatie over het coderen van programma's die deze software gebruiken contact op met de auteurs. MED-PC scripts zijn opgenomen als aanvullende bestanden. Deze software verzamelt informatie over de reacties van het dier voor elke proef (op welke hendel wordt gedrukt, of het correct / onjuist / geen reactie is en latentie om de keuze te maken). Op basis van deze informatie kunnen gebruikers verschillende metingen in het gedragsparadigma berekenen, zoals beschreven in de sectie gedragsanalyse.
  4. Voer elke dag op hetzelfde tijdstip training / testen uit om te controleren op circadiane ritmes in stresshormonen32 (en andere relevante maatregelen).
  5. Vul de onderste bak van elke operante doos met vers beddengoed om uitwerpselen / afval te verzamelen. Na elke sessie dumpt u elke lade, reinigt u de trays en de binnenkant van de kamer met alcoholdoekjes of een IACUC-goedgekeurd desinfectiemiddel en vervangt u deze door vers beddengoed voordat u een nieuw dier in de kamer plaatst.

4. Stressprocedures

  1. Beslis of de stressprocedure moet worden uitgevoerd voor, tijdens en/of na de training over het paradigma van de operante strategieverschuiving (bijv. 5 dagen beperkingsstress voorafgaand aan 3 dagen operante training versus 3 dagen operante training gevolgd door een enkele beperking en testen).
  2. Voer de stressprocedure dagelijks tegelijkertijd uit met betrekking tot operante training. (bijv. 30 minuten beperkingsspanning vanaf 9 uur .M,gevolgd door plaatsing in de operante kamer).
  3. Voer de stressprocedures uit in een aparte ruimte van zowel de koloniekamer als de strategieverschuivingsparadigmakamers (om ervoor te zorgen dat er geen verstorende factoren zijn die verband houden met getuigenstress)33. Plaats de rat kort in een transparante veiligheidsbuis in Broome-stijl en sluit de opening af, zorg ervoor dat u de ledematen of staart niet knijpt. Gebruik tussen elk onderwerp een IACUC-goedgekeurd desinfectiemiddel om de Broome-achtige buis te reinigen. Onjuiste ontsmetting kan feromonen achterlaten die het testprotocol nadelig kunnen beïnvloeden.
    OPMERKING: Schat in hoe lang de eerste groep ratten in de operante kamers zal doorbrengen. Dit zal variëren afhankelijk van de training versus de testdag; na het uitvoeren van verschillende cohorten kan echter een gemiddelde tijd worden berekend om elke taak te voltooien om toekomstige taken te schatten.
  4. Afhankelijk van het aantal operante kamers dat beschikbaar is, spreidt u de stressprocedure voor proefpersonen. Vier ratten ondergaan bijvoorbeeld een beheersingsstress en worden in vier operante kamers geplaatst. Een uur later ondergaan nog vier dieren stressprocedures die door de operante kamer worden gevolgd.

5. Opleiding

OPMERKING: Dit paradigma is aangepast van de operante set-shifting procedure ontwikkeld door Floresco et al. zodanig dat het kan worden voltooid in 3 dagen19.  Trainingsprocedures voor ratten vereisen 3 dagen (1 dag om elke taak te leren zoals hieronder beschreven). Het is zeldzaam dat een rat deze taken niet leert. Als een rat elke taak niet leert, moet deze worden uitgesloten van de laatste studie. Zie figuur 1A voor een visuele weergave van het trainingsparadigma dat hieronder wordt beschreven.

  1. Voordat u de rat in de kamer plaatst, moet u ervoor zorgen dat er voldoende voedselkorrels in de dispenser zitten en dat de operante dozen goed functioneren. Om dit te bereiken, laadt en start u een trainings- of testdagprogramma in een lege kamer, handmatig testend of de juiste hendel op de juiste manier één beloning per hefboompers levert.
  2. De rat trainen om op elke hendel te drukken
    1. Voordat u de rat voor de eerste trainingsdag in de doos plaatst, stelt u handmatig één voedselkorrelbeloning in op de juiste hendel, zoals aangegeven bij het laden van de trainingsprocedure in elke kamer.
    2. Train de rat met behulp van een schema met een vaste verhouding (FR-1), zodat elke juiste hefboompers wordt beloond met één versterking. Compenseer de juiste hendel per dag over proefpersonen en/of experimentele omstandigheden (waarbij slechts één hendel tegelijk wordt gevormd) door de juiste hendel aan te geven bij het laden van de trainingsprocedure op de computer die de kamers bedient.
    3. Laat de rat op de hendel drukken totdat deze het criterium bereikt door 50x op de juiste hendel te drukken, meestal om de taak tussen 30-45 minuten te voltooien.
    4. Dwing de volgende dag de rat om deze taak uit te voeren op de tegenovergestelde hendel met hetzelfde programma als de eerste dag van de training, maar wijs de tegenovergestelde hefboom aan als de juiste. Het is niet nodig om de hendel op deze trainingsdag te "vormen" met een voedselkorrel. Meestal wordt dit criterium snel verworven nadat ratten hebben geleerd om op de eerste hendel te drukken.
  3. De rat trainen om te reageren op de lichte keu
    1. Verlicht op de derde dag van de training het licht boven beide hendels voor 15 s proeven, waarbij de rat op een hendel kan drukken om mogelijk een voedselpelletbeloning te ontvangen. Tijdens de lichte discriminatietaak zal dit programma willekeurig selecteren welke hefboom correct is op een trial-by-trial basis.
    2. Als de rat op de juiste hendel drukt, zorg er dan voor dat de lichten 3 s blijven branden en de beloning wordt geleverd, gevolgd door een periode van 5 s, waarin de lichten worden uitgeschakeld voorafgaand aan de volgende proef. Als de rat op de verkeerde hendel drukt, zorg er dan voor dat er geen beloning wordt gegeven en dat de lichten gedurende 10 s worden uitgeschakeld voorafgaand aan de volgende proef.
    3. Bereken na deze laatste trainingsdag "side bias" om te bepalen of de rat een voorkeur heeft voor de linker- of rechterhendel door het aantal drukken van één hendel te delen door het totale aantal hendelpersen. Op de testdag zal de rat aan zijn minst geprefereerde kant beginnen om ervoor te zorgen dat hij de specifieke respons-beloningscontingency leert, in plaats van te reageren op een voorkeurshendel.

6. Testen

OPMERKING: Zie figuur 1B voor een visuele weergave van het testparadigma dat hieronder wordt beschreven.

  1. Plaats de rat op dag 4 (testdag) in de operante kamer volgens stressprocedures en test ze in nevendiscriminatie, zijomkering en lichte discriminatietaken. Zorg ervoor dat de lichtdiscriminatietaak alleen het licht boven de "juiste" hendel verlicht. In elke taak moeten ratten achtereenvolgens acht juiste proeven uitvoeren om elke discriminatie te voltooien zonder op de onbeloonde, onjuiste hendel te drukken. Een onjuiste hefboomdruk zal deze keten van proeven resetten.
    1. Test ratten met behulp van de side discrimination task. Beloon de rat met behulp van het zijdiscriminatieprogramma voor het indrukken van de hendel aan de minst gewenste kant zoals bepaald vanaf de derde trainingsdag, ongeacht de lichte keu. De taak eindigt bij het 8x achter elkaar indrukken van de juiste hendel (exclusief weglatingen).
    2. Voer de zijomkeringstest uit door ratten opnieuw uit te voeren met behulp van het zijdiscriminatieprogramma, maar deze keer de hendel tegenovergesteld aan de juiste van de zijdiscriminatietaak als correct aan te geven. Zorg ervoor dat de rat wordt beloond voor het indrukken van deze hendel, ongeacht de lichte aanwijzing. De taak eindigt bij het 8x achter elkaar indrukken van de juiste hendel (exclusief weglatingen).
    3. Voer de lichtdiscriminatietaak uit, die de rat beloont voor het indrukken van de hendel met het licht hierboven verlicht. Elke operante test is voltooid bij het 8x achter elkaar indrukken van de juiste hendel (exclusief weglatingen).
      OPMERKING: Op basis van eerdere studies coderen deze taken minimaal 30 proeven, ongeacht opeenvolgende persen, om ervoor te zorgen dat ratten voldoende tijd hebben om de regels van elke taak te leren18. Dus als de rat achtereenvolgens acht juiste onderzoeken behaalt voordat er 30 onderzoeken hebben plaatsgevonden, blijft de taak betrokken totdat 30 onderzoeken zijn voltooid.

7. Gedragsanalyse

OPMERKING: De gegevens die op de testdag voor elk dier worden verzameld, worden automatisch geregistreerd en opgeslagen door de computer, zolang een MED-PC-script voor elke taak is gestart en mag worden voltooid (zie aanvullende materialen voor MED-PC-scripts).

  1. Open de gegevens voor elke testdagtaak (zijdelingse discriminatie, zijomkering en lichtdiscriminatie) met behulp van het computerprogramma. De belangrijkste maatstaven die door het programma worden geregistreerd, zijn proeven naar criterium, fouten in criterium en tijd naar criterium. Deze maatregelen worden hieronder in detail beschreven.
    OPMERKING: De auteurs hebben een MATLAB-script gegenereerd dat automatisering van het analyseproces mogelijk maakt, evenals analyse van perseveratieve versus regressieve fouten (neem contact op met auteurs voor code-informatie om gegevensanalyse te stroomlijnen).
    1. Gebruik proeven volgens criterium (dat verwijst naar het totale aantal onderzoeken [exclusief omissies] dat nodig is voor de rat om achtereenvolgens acht juiste onderzoeken te voltooien, inclusief die acht onderzoeken) als de belangrijkste indicator van nauwkeurigheid. Deze gegevens bevinden zich in de eerste kolom in array B in een gegevensbestand dat is gegenereerd door het MED-PC-script voor een van de taken op de testdag.
    2. Onderzoek de totale fouten die tijdens elke taak zijn gemaakt. Deze gegevens bevinden zich in de derde kolom van array B in een gegevensbestand dat wordt gegenereerd door het MED-PC-script voor een van de taken op de testdag. Deze fouten zijn ook gecategoriseerd in volhardende of regressieve fouten. Volhardende fouten worden begaan wanneer de rat de eerdere regel van de vorige taak blijft volgen. Regressieve fouten worden begaan nadat deze zich heeft losgekoppeld van de vorige regel, maar blijft proberen de nieuwe regel te verkrijgen (voor meer informatie over hoe dit soort fouten worden berekend, raadpleegt u de gepubliceerde methode18).
    3. Als de rat niet binnen 15 s reageerde op een lichte aanwijzing, wordt het onderzoek gecategoriseerd als een omissie en telt het niet mee voor het totale aantal onderzoeken. Bereken dit door eerst het aantal juiste antwoorden (in de tweede kolom van array B in gegevensbestand) en het aantal fouten (in de derde kolom van array B in gegevensbestand) bij elkaar op tetellen. Trek vervolgens dit getal af van het totale aantal onderzoeken naar criterium (dit is het laatste getal in de eerste kolom van array B in een gegevensbestand, anders dan de proeven tot criterium).
    4. Gebruik start- en eindtijden die door het programma zijn geregistreerd (boven aan een gegevensbestand dat is gegenereerd door het MED-PC-script voor een van de taken op de testdag) om de tijd tot criterium te berekenen. De latentie tot de eerste hefboompers kan ook worden berekend uit het gegevensbestand door de variabele K (verstreken tijd in seconden vanaf de eerste hefboomdruk) van de tijd af te trekken van de tijd tot het criterium.
    5. Gemiddelde van de gegevens voor elke gedragsmaatstaf voor ratten binnen dezelfde behandelingsgroep. Voer geschikte statistische analyses uit (afhankelijk van hoeveel variabelen worden onderzocht).

8. Hersensubstraten

  1. Bepaal een geïnteresseerd hersengebied en / of aspect van cognitieve flexibiliteit. Als stress bijvoorbeeld de volhardende fouten in de zijomkeertaak verhoogt, kan de orbitofrontale cortex (OFC) van bijzonder belang zijn, omdat eerdere laesiestudies hebben aangetoond dat dit hersengebied een rol speelt bij vele vormen van omkeringsleren (d.w.z. ruimtelijke omkering getest in de zijomkeringstaak)34,35,36. In dit voorbeeld offer ratten nadat het strategieverschuivingsparadigma is voltooid en onderzoek c-fos (maat voor neurale activering37) in de OFC met behulp van beschreven immunohistochemische methoden25 en hier kort beschreven.
    1. Haal eerst hersenen van dieren en snijd ze in plakjes van 40 μm.
    2. Was het weefsel in fosfaat-gebufferde zoutoplossing (PBS) 4x gedurende 5 minuten elk en incubeer vervolgens gedurende 10 minuten in 0,3% waterstofperoxide om endogene peroxidasen te doven.
    3. Was het weefsel in PBS 2x gedurende 5 minuten elk en incubeer vervolgens in muis anti-c-fos primair antilichaam (1:500), 3% normaal ezelsserum (NDS) en 0,3% Triton X 's nachts.
    4. Was de volgende dag het weefsel in PBS 3x gedurende 5 minuten elk en incubeer vervolgens in biotine-SP-geconjugeerd ezel anti-muis sary antilichaam (1:500) gedurende 2 uur.
    5. Was het weefsel in PBS 3x gedurende 5 minuten elk en incubeer vervolgens gedurende 1 uur in het avidin-streptavidin AB-complex.
    6. Was weefsel in PBS 3x gedurende 5 minuten elk en incubeer vervolgens in DAB-oplossing gedurende maximaal 10 minuten terwijl weefsel een oxidatiechromogene reactie ondergaat.
    7. Was weefsel in PBS 3x gedurende 5 minuten elk en monteer vervolgens de hersenplakken op glazen microscoopglaasjes.
    8. Coverslip het weefsel met behulp van tolueen gebaseerd montagemedium en beeld met behulp van een brightfield microscoop.
      OPMERKING: Hier, zoals weerspiegeld in de representatieve resultaten, worden ratten geofferd 30 minuten nadat het strategieverschuivingsparadigma eindigt, ongeveer 60-90 minuten nadat de omkeertaak is voltooid (afhankelijk van de prestaties van elke rat in de lichte taak). Dit zou een optimale timing moeten vertegenwoordigen voor c-fos expressie38, die de prestaties in de omkeertaak weerspiegelt.
  2. Als alternatief kan een specifiek hersengebied voor medicijninjectie of virale injectie voorafgaand aan de uitvoering van stress of het operante strategieverschuivingsparadigma.
    OPMERKING: Onderzoekers willen misschien onderzoeken hoe het manipuleren van neurale substraten de effecten van stress op cognitieve flexibiliteit verandert. Onderzoekers kunnen bijvoorbeeld een bepaalde neurotransmitterreceptor in de prefrontale cortex blokkeren voorafgaand aan het testen.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Het aangepaste geautomatiseerde operante strategieverschuivingsparadigma dat hierboven werd beschreven, werd gebruikt om te bepalen of herhaalde terughoudendheidsstress de cognitie bij mannelijke en vrouwelijke Sprague Dawley-ratten beïnvloedt. Representatieve gedragsgegevens worden beschreven in figuur 2 hieronder. Kortom, controle- en herhaaldelijk in bedwang gehouden ratten voerden deze operante strategieverschuivingstest uit, die bestond uit een reeks taken: zijdiscriminatie, zijomkering...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Het protocol laat zien hoe de effecten van stress op de cognitieve functie kunnen worden gemeten. In het bijzonder wordt een aangepast opererend strategieverschuivingsparadigma gebruikt bij knaagdieren, dat cognitieve flexibiliteit meet (analoog aan de Wisconsin Card Sorting Task bij mensen)1. Cognitieve flexibiliteit duidt op het vermogen om cognitieve verwerkingsstrategieën aan te passen aan nieuwe omstandigheden in de omgeving, en het is cruciaal voor normaal dagelijks functioneren

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs willen Hannah Zamore, Emily Saks en Josh Searle bedanken voor hun hulp bij het opzetten van dit operante strategieverschuivingsparadigma in het Grafe-lab. Ze willen ook Kevin Snyder bedanken voor zijn hulp met de MATLAB-code voor analyse.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
3 inch glass pipette eye droppersAmazon4306-30-012LCVoor vaginale lavage
Alcohol WipesVWR15648-990Om trays in set shifting boxes tussen ratten schoon te maken
Biotin-SP-conjugated AffiniPure Donkey Anti-Mouse lgG (H+L), minimale kruisreactie met bovien, kip, geit, cavia, hamster, paard, mens, konijn, schapen serumeiwittenJackson ImmunoResearch715-065-150Alle andere DAB protocol kleuringsmaterialen zijn standaard buffers/DAB en worden hier niet gespecificeerd, omdat dit niet het hoofddoel van de methodenpaper is
C-fos muis monoklonaal primair antilichaamAbCamab208942Om neurale activering in hersengebieden na set shifting te kleuren
Stofvrije voedselpelletsBio ServF0021Voor set shifting boxes (dispenser voor beloning)
GraphPad PrismGebruikt voor gegevensanalyse
Leica DM4 B Microscoop en bijbehorende beeldvormingssoftwareLeicaVeel verschillende onderdelen voor de microscoop en werkstation, voor beeldvorming lavage en/of cfos
MatLabSoftware; code om set shifting data te helpen analyseren, beschikbaar op aanvraag.
Med-PC Software SuiteMed AssociatesSOF-736Software; gebruikt codes om operante kamers te bedienen
Operante KamersMed PCMED-008-B2Veel verschillende onderdelen voor de kamer instelling en software om ermee te werken; we schreven ook een aparte code voor set shifting, beschikbaar op aanvraag.
RattenstrooiselEnvigoT.7097
RattenvoerEnvigoT.2014.15
BeperkingsapparatenBryn Mawr CollegeGemaakt door onze werkplaatsVoor stress blootstelling; specificaties beschikbaar op aanvraag.
Scribbles 3d textielverfAmazon54139Voor vaginale lavage
Sprague Dawley RattensEnvigoMinimaal D65 Mannetjes en Vrouwtjes
VWR Superfrost Plus Micro GlijdVWR48311-703Voor vaginale lavage en/of hersensneden/kleuring voor c-fos

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Hurtubise, J. L., Howland, J. G. Effects of stress on behavioral flexibility in rodents. Neuroscience. 345, 176-192 (2016).
  2. Bissonette, G. B., Powell, E. M., Roesch, M. R. Neural structures underlying set-shifting: Roles of medial prefrontal cortex and anterior cingulate cortex. Behavioural Brain Research. 250, 91-101 (2013).
  3. Vasterling, J. J., Brailey, K., Constans, J. I., Sutker, P. B. Attention and memory dysfunction in posttraumatic stress disorder. Neuropsychology. 12 (1), 125-133 (1998).
  4. Bangasser, D. A., Kawasumi, Y. Cognitive disruptions in stress-related psychiatric disorders: A role for corticotropin releasing factor (CRF). Hormones and Behavior. 76, 125-135 (2015).
  5. Nestler, E. J., et al. Neurobiology of depression. Neuron. 34 (1), 13-25 (2002).
  6. Keane, T. M., Marshall, A. D., Taft, C. T. Posttraumatic stress disorder: etiology, epidemiology, and treatment outcome. Annual Review of Clinical Psychology. 2, 161(2006).
  7. Seeman, M. V. Psychopathology in women and men: focus on female hormones. The American Journal of Psychiatry. 154 (12), 1641-1647 (1997).
  8. Hodes, G. E., Epperson, C. N. Sex Differences in Vulnerability and Resilience to Stress Across the Life Span. Biological Psychiatry. 86 (6), 421-432 (2019).
  9. Monika, T. -B., Antoni, F., Piotr, G., Marian, M., Krzysztof, Z. Wisconsin Card Sorting Test in psychological examination of patients with psychiatric disorders. Polski merkuriusz lekarski: organ Polskiego Towarzystwa Lekarskiego. 25, Suppl 1 51-52 (2008).
  10. Merriam, E. P., Thase, M. E., Haas, G. L., Keshavan, M. S., Sweeney, J. A. Prefrontal cortical dysfunction in depression determined by Wisconsin Card Sorting Test performance. The American Journal of Psychiatry. 156 (5), 780-782 (1999).
  11. Monchi, O., Petrides, M., Petre, V., Worsley, K., Dagher, A. Wisconsin Card Sorting revisited: distinct neural circuits participating in different stages of the task identified by event-related functional magnetic resonance imaging. The Journal of Neuroscience: the Official Journal of the Society for Neuroscience. 21 (19), 7733-7741 (2001).
  12. Bulin, S. E., Hohl, K. M., Paredes, D., Silva, J. D., Morilak, D. A. Bidirectional optogenetically-induced plasticity of evoked responses in the rat medial prefrontal cortex can impair or enhance cognitive set-shifting. eNeuro. 7 (1), 0363(2019).
  13. Chaby, L. E., Karavidha, K., Lisieski, M. J., Perrine, S. A., Liberzon, I. Cognitive Flexibility Training Improves Extinction Retention Memory and Enhances Cortical Dopamine With and Without Traumatic Stress Exposure. Frontiers in Behavioral Neuroscience. 13, 24(2019).
  14. Drozd, R., Rojek-Sito, K., Rygula, R. The trait 'pessimism' does not interact with cognitive flexibility but makes rats more vulnerable to stress-induced motivational deficits: Results from the attentional set-shifting task. Behavioural Brain Research. 335, 199-207 (2017).
  15. Birrell, J. M., Brown, V. J. Medial frontal cortex mediates perceptual attentional set-shifting in the rat. The Journal of Neuroscience: the Official Journal of the Society for Neuroscience. 20 (11), 4320-4324 (2000).
  16. Floresco, S. B., Block, A. E., Tse, M. T. L. Inactivation of the medial prefrontal cortex of the rat impairs strategy set-shifting, but not reversal learning, using a novel, automated procedure. Behavioural Brain Research. 190 (1), 85-96 (2008).
  17. Grafe, L. A., Cornfeld, A., Luz, S., Valentino, R., Bhatnagar, S. Orexins Mediate Sex Differences in the Stress Response and in Cognitive Flexibility. Biological Psychiatry. 81 (8), 683-692 (2017).
  18. Snyder, K. P., Barry, M., Valentino, R. J. Cognitive impact of social stress and coping strategy throughout development. Psychopharmacology. 232 (1), 185-189 (2014).
  19. Brady, A. M., Floresco, S. B. Operant procedures for assessing behavioral flexibility in rats. Journal of Visualized Experiments. (96), e52387(2015).
  20. Sandi, C., Pinelo-Nava, M. T. Stress and Memory: Behavioral Effects and Neurobiological Mechanisms. Neural Plasticity. , 1-20 (2007).
  21. Shansky, R. M., Lipps, J. Stress-induced cognitive dysfunction: hormone-neurotransmitter interactions in the prefrontal cortex. Frontiers in Human Neuroscience. 7, 123(2013).
  22. Ragozzino, M. E., Detrick, S., Kesner, R. P. Involvement of the prelimbic-infralimbic areas of the rodent prefrontal cortex in behavioral flexibility for place and response learning. The Journal of Neuroscience: the Official Journal of the Society for Neuroscience. 19 (11), 4585-4594 (1999).
  23. Liston, C., et al. Stress-induced alterations in prefrontal cortical dendritic morphology predict selective impairments in perceptual attentional set-shifting. The Journal of Neuroscience: the Official Journal of the Society for Neuroscience. 26 (30), 7870-7874 (2006).
  24. Hatch, A., Wiberg, G. S., Balazs, T., Grice, H. C. Long-Term Isolation Stress in Rats. Science. 142 (3591), 507(1963).
  25. Grafe, L. A., Cornfeld, A., Luz, S., Valentino, R., Bhatnagar, S. Orexins Mediate Sex Differences in the Stress Response and in Cognitive Flexibility. Biological Psychiatry. 81 (8), 683-692 (2017).
  26. Animal Care and Use Committee, T. J. H. U. Species Specific Information: Rat. , Available from: http://web.jhu.edu/animalcare/procedures/rat.html (2020).
  27. Lapiz-Bluhm, M. D. S., et al. Behavioural assays to model cognitive and affective dimensions of depression and anxiety in rats. Journal of Neuroendocrinology. 20 (10), 1115-1137 (2008).
  28. McEwen, B. S. Permanence of brain sex differences and structural plasticity of the adult brain. Proceedings of the National Academy of Sciences. 96 (13), 7128-7130 (1999).
  29. Manber, R., Armitage, R. Sex, steroids, and sleep: a review. Sleep. 22 (5), 540-555 (1999).
  30. Sherwin, B. B. Estrogen and Cognitive Functioning in Women. Endocrine Reviews. 24 (2), 133-151 (2003).
  31. Becker, J. B., et al. Strategies and methods for research on sex differences in brain and behavior. Endocrinology. 146 (4), 1650-1673 (2005).
  32. Koch, C. E., Leinweber, B., Drengberg, B. C., Blaum, C., Oster, H. Interaction between circadian rhythms and stress. Neurobiology of Stress. 6, 57-67 (2017).
  33. Warren, B. L., et al. Neurobiological sequelae of witnessing stressful events in adult mice. Biological Psychiatry. 73 (1), 7-14 (2013).
  34. McAlonan, K., Brown, V. J. Orbital prefrontal cortex mediates reversal learning and not attentional set-shifting in the rat. Behavioural Brain Research. 146 (1-2), 97-103 (2003).
  35. Schoenbaum, G., Saddoris, M. P., Stalnaker, T. A. Reconciling the roles of orbitofrontal cortex in reversal learning and the encoding of outcome expectancies. Annals of the New York Academy of Sciences. 1121 (1), 320-335 (2007).
  36. Meunier, M. Effects of orbital frontal and anterior cingulate lesions on object and spatial memory in rhesus monkeys. Neuropsychologia. 35 (7), 999-1015 (1997).
  37. Zappulla, R. A., Wang, W., Friedrich, V. L., Grabel, J., Nieves, J. CNS activation patterns underlying motor evoked potentials as demonstrated by c-fos immunoreactivity. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 43, 155-169 (1991).
  38. Schoenenberger, P., Gerosa, D., Oertner, T. G. Temporal Control of Immediate Early Gene Induction by Light. PLoS ONE. 4 (12), 8185(2009).
  39. Chase, E. A., Tait, D. S., Brown, V. J. Lesions of the orbital prefrontal cortex impair the formation of attentional set in rats. The European Journal of Neuroscience. 36 (3), 2368-2375 (2012).
  40. Hancock, P. A., Warm, J. S. A dynamic model of stress and sustained attention. Human Performance in Extreme Environments. 7 (1), 15-28 (2003).
  41. Johnson, P. L., Molosh, A., Fitz, S. D., Truitt, W. A., Shekhar, A. Orexin, stress, and anxiety/panic states. Progress in Brain Research. 198, 133-161 (2012).
  42. Leuner, B., Shors, T. J. Stress, anxiety, and dendritic spines: what are the connections. Neuroscience. 251, 108-119 (2013).
  43. Holmes, A., Wellman, C. L. Stress-induced prefrontal reorganization and executive dysfunction in rodents. Neuroscience and Biobehavioral Reviews. 33 (6), 773-783 (2009).
  44. Placek, K., Dippel, W. C., Jones, S., Brady, A. M. Impairments in set-shifting but not reversal learning in the neonatal ventral hippocampal lesion model of schizophrenia: further evidence for medial prefrontal deficits. Behavioural Brain Research. 256, 405-413 (2013).
  45. Nikiforuk, A., Popik, P. Long-lasting cognitive deficit induced by stress is alleviated by acute administration of antidepressants. Psychoneuroendocrinology. 36 (1), 28-39 (2011).
  46. Bondi, C. O., Rodriguez, G., Gould, G. G., Frazer, A., Morilak, D. A. Chronic unpredictable stress induces a cognitive deficit and anxiety-like behavior in rats that is prevented by chronic antidepressant drug treatment. Neuropsychopharmacology. 33 (2), 320-331 (2008).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Stress door fixatieSprague Dawley rattenmediale prefrontale cortexorbitofrontale cortexperseveratieve foutenside reversal taaklichtdiscriminatietaaksekseverschillen

Gerelateerde artikelen