Het huidige protocol beschrijft een rattenmodel van door vloeistofpercussie geïnduceerd traumatisch hersenletsel, gevolgd door een reeks gedragstests om de ontwikkeling van dominant en onderdanig gedrag te begrijpen. Het gebruik van dit model van traumatisch hersenletsel in combinatie met specifieke gedragstests maakt de studie van sociale stoornissen na hersenletsel mogelijk.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Beoordeling van dominant-onderdanig gedrag bij volwassen ratten na traumatisch hersenletsel
* These authors contributed equally
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Concurrentie over hulpbronnen zoals voedsel, territorium en partners beïnvloedt relaties binnen diersoorten aanzienlijk en wordt gemedieerd door sociale hiërarchieën die vaak gebaseerd zijn op dominant-onderdanige relaties. De dominant-onderdanige relatie is een normaal gedragspatroon tussen de individuen van een soort. Traumatisch hersenletsel is een veel voorkomende oorzaak van sociale interactiestoornissen en de reorganisatie van dominant-onderdanige relaties in dierenparen. Dit protocol beschrijft onderdanig gedrag bij volwassen mannelijke Sprague-Dawley-ratten na de inductie van traumatisch hersenletsel met behulp van een vloeistofpercussiemodel in vergelijking met naïeve ratten door middel van een reeks dominant-onderdanige tests uitgevoerd tussen 29 dagen en 33 dagen na inductie. De dominant-onderdanige gedragstest laat zien hoe hersenletsel onderdanig gedrag kan veroorzaken bij dieren die concurreren om voedsel. Na traumatisch hersenletsel waren de knaagdieren meer onderdanig, zoals blijkt uit het feit dat ze minder tijd bij de feeder doorbrachten en minder snel als eerste bij de trog aankwamen in vergelijking met de controledieren. Volgens dit protocol ontwikkelt onderdanig gedrag zich na traumatisch hersenletsel bij volwassen mannelijke ratten.
Inleiding
Intraspecies concurrentie treedt op wanneer leden van dezelfde soort tegelijkertijd strijden om een beperkte hulpbron1. Daarentegen vindt interspecies competitie plaats tussen leden van twee verschillende soorten2. Intraspecies concurrentie is verdeeld in twee soorten, waaronder interferentie (aangepast) en exploitatie (wedstrijd), en ontstaat afhankelijk van het type hulpbron in geschil, zoals voedsel en territorium3.
Het bestaan van sociale hiërarchieën is onmogelijk zonder dominant-onderdanige relaties (DSR's). Dominantie presenteert zich als "winnen" en ondergeschiktheid als "verliezen" binnen paren van dieren4. DSR's verschijnen echter niet alleen in paren, maar ook in groepen van drie of meer. In 1922 beschreef Thorleif Schjelderup-Ebbe de dominantiehiërarchie bij gedomesticeerde kippen. De belangrijkste onderscheidende tekenen tussen de dominante en ondergeschikte dieren waren tijd doorgebracht bij de feeder en agressief gedrag. De dominantiehiërarchie is verdeeld in twee vormen: lineair en niet-lineair5. Lineaire dominantie omvat twee groepen, A en B. In dit paradigma van transitieve relaties6 domineert groep A groep B, of groep B domineert groep A. Niet-lineaire dominantie treedt op wanneer er ten minste één cirkelvormige relatie is: A domineert B, B domineert C en C domineert A7.
Er bestaan modellen voor het beoordelen van dominant-onderdanig gedrag voor verschillende soorten, waaronder knaagdieren, vogels8, niet-menselijke primaten 9,10,11 en mensen 12. De dominant-onderdanige methode is goed vertegenwoordigd in de literatuur en is toegepast als een model om manie en depressie13 te beoordelen, evenals antidepressiva activiteit14. Dit model is gebruikt om stress in het vroege leven na moederscheiding bij volwassen ratten te onderzoeken15. De DSR-paradigma's kunnen worden onderverdeeld in drie modellen: de reductie van dominant gedrag model 13,16, de reductie van onderdanig gedrag model14 en de clonidine-omkering van dominantie model17.
Deze studie toont een onderzoek naar DSR door middel van taken op basis van voedselconcurrentie. De voordelen van deze methode zijn de eenvoudige reproduceerbaarheid en het vermogen om dominant-onderdanig gedrag te observeren en nauwkeurig te analyseren. Bovendien is de dominant-onderdanige gedragstaak afhankelijk van voedsel in plaats van territorium, in tegenstelling tot vergelijkbare gedragstaken, waardoor deze gedragstaak goedkoper en eenvoudiger is en onderzoekers geen ingewikkelde training hoeven te ondergaan om de taak uit te voeren en de gegevens te verwerken.
Het algemene doel van de huidige studie is om de ontwikkeling van DSR na traumatisch hersenletsel (TBI) aan te tonen. TBI wordt geassocieerd met sociale beperkingen, depressie en angst. Het model van het induceren van TBI is een eenvoudig en effectief standaardmodel waarbij traumatisch hersenletsel wordt geïnduceerd met een vloeistofpercussieapparaat18,19.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
De experimenten werden goedgekeurd door het Comité voor de verzorging van dieren van de Ben-Gurion Universiteit van de Negev. De experimenten werden uitgevoerd naar aanleiding van de aanbevelingen van de Verklaringen van Helsinki en Tokio en de Richtlijnen voor de verzorging en het gebruik van proefdieren van de Europese Gemeenschap. Volwassen mannelijke Sprague-Dawley-ratten, met een gewicht van 300-350 g, werden gebruikt in deze studie. De dieren werden gehuisvest bij een kamertemperatuur van 22 °C ± 1 °C en een luchtvochtigheid van 40%-60% met licht-donkercycli.
1. Voorbereiding van dieren
- Selecteer willekeurig 30 volwassen mannelijke ratten en verdeel ze in twee groepen: TBI en sham.
- Zorg voor chow (zie de Tabel met materialen) en water ad libitum.
OPMERKING: Voer alle stappen van de test tegelijkertijd uit om te controleren op het effect van het tijdstip van de dag op gedragsprestaties. Het is het beste om de gedragstests 's ochtends (tussen 6:00 en 12:00 uur) uit te voeren om verstoring door algemene activiteit te voorkomen. - Voer basislijnbeoordelingen uit van de neurologische ernstscore vóór letsel in beide groepen ratten, zoals beschreven in stap 3 en tabel 1.
- Verdoof de ratten met 4% (voor inductie) en 1,5% (voor onderhoud) isofluraan. Injecteer Buprenorfine (0,05-0,1 mg/kg; SC) voor preventieve analgesie.
- Controleer op de immobilisatie van de rat door te testen op een gebrek aan beweging of pedaalreflex als reactie op een stimulerend middel.
OPMERKING: Voor toediening van anesthesie wordt een continue stroom van isofluraan aanbevolen.
2. Chirurgische ingreep
OPMERKING: Alle procedures moeten worden uitgevoerd in aseptische omstandigheden. Gebruik steriele handschoenen. Vervang de handschoenen als een niet-steriel oppervlak wordt aangeraakt. Breng oogheelkundig glijmiddel aan op beide ogen om uitdroging te voorkomen. De parasagittale vloeistof-percussieblessure werd uitgevoerd na eerder gepubliceerde rapporten18,20.
- Infiltreer de hoofdhuid met 0,5% bupivacaïne (zie de tabel met materialen), voer een incisie van 10 mm uit en trek de weefsels lateraal in.
- Voer craniotomie18,20 4 mm posterieur en 4 mm lateraal van bregma uit.
OPMERKING: Het operatiegebied moet meerdere keren in een cirkelvormige beweging worden gedesinfecteerd met zowel een scrub op basis van jodium of chloorhexidine als alcohol. - Induceer TBI18,19 door een vloeistofpercussie-apparaat (zie de materiaaltabel) gedurende 21-23 ms via de driewegstopkraan.
OPMERKING: Voer matige TBI uit met een amplitude van 2,5 atm. - Voer craniotomie uit op de groep schijnratten (figuur 1). Induceer geen TBI voor de schijngroep.
- Voer 0,1% bupivacaïne-infiltratie uit voordat u de wond sluit. Dien intramusculaire buprenorfine (0,01-0,05 mg/kg) toe als postoperatieve analgesie voordat u de isofluraan terugtrekt.
OPMERKING: Herhaal doses buprenorfine elke 12 uur gedurende ten minste 48 uur. - Breng de rat over naar de verkoeverkamer en controleer de ademhaling (bijv. Ademstilstand), neurologische (bijv. Verlamming) en cardiovasculaire toestand (bijv. Veranderingen in de kleur van pupillen, afname van wekedelenperfusie en bradycardie) gedurende 24 uur.
3. Evaluatie van de neurologische ernstscore
OPMERKING: De hoogst mogelijke score voor gedragsveranderingen en motorische functie is 24 punten. Een score van 0 vertegenwoordigt de intacte neurologische status en een score van 24 vertegenwoordigt ernstige neurologische disfunctie21,22,23 (tabel 1).
- Evalueer de neurologische ernstscore (NSS) zoals eerder beschreven24 op de TBI- en schijnratten vóór de operatie, 48 uur na de operatie (figuur 2A) en op dag 28 na de operatie (figuur 2B).
4. Het bestuderen van het dominante- onderdanige gedrag
- Verdeel de ratten willekeurig in kooien 1 week voor de test.
OPMERKING: Elke kooi moet één schijnrat en één TBI-rat bevatten. - Voer elke dag een sessie van 15 minuten uit gedurende 2 dagen voordat u gaat testen, zodat ratten kunnen wennen aan het protocol.
OPMERKING: De dominant-onderdanige taak werd gestart op dag 29 na het letsel (figuur 1). - Gebruik een apparaat (zie de materiaaltabel) gemaakt van twee transparante acrylglasdozen (30 cm x 20 cm x 20 cm, doos A en doos B, figuur 3) verbonden door een slanke tunnel van 15 cm x 15 cm x 60 cm 15,19,25.
- Vul een feeder (figuur 3) met gezoete melk en plaats deze in het midden van de tunnel. Gebruik melk bestaande uit 10% suiker en 3% vet.
- Plaats het apparaat op een tafel met een hoogte van 80 cm boven de vloer.
- Plaats elke rat gedurende 15 minuten in het apparaat voor gewenning op de eerste 2 dagen. Start de taak na 2 gewenningsdagen.
- Selecteer willekeurig één rat uit de controlegroep en één uit de groep met traumatisch hersenletsel (TBI) en plaats ze op gelijke afstand van de feeder, zodat ze gedurende 5 minuten kunnen verkennen.
- Geef de ratten ad libitum toegang tot water.
OPMERKING: De taak duurde 5 dagen. Voedselbeperking werd uitgevoerd voor de gehele taakperiode. Het voedsel werd elke dag gedurende 1 uur na de testperiode gegeven. - Reinig de apparatuur met 5% alcohol voordat u de volgende tests met andere ratten uitvoert.
OPMERKING: Het reinigen van het apparaat zal de geur van de vorige ratten elimineren. Voer de test uit in een ruimte met een goede luchtcirculatie.
5. Opnemen van de video en data-analyse
- Plaats een camera en installeer de aanbevolen computersoftware (zie de materiaaltabel) om de gegevens vast te leggen, op te slaan en te verwerken.
OPMERKING: De camera moet op een hoogte van 290 cm van de vloer worden geïnstalleerd. - Neem de video op terwijl de ratten in de arena zijn.
OPMERKING: De camera en het apparaat stonden 210 cm uit elkaar. Het deel van de arena waar de test wordt uitgevoerd, moet zichtbaar zijn in het cameraframe. - Voer data-analyse23 handmatig uit door twee analisten die blind zijn voor de groepen.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
Beoordeling van de neurologische ernstscore
Neurologische afwijkingen werden beoordeeld bij mannelijke ratten na TBI met behulp van de NSS. De ratten werden verdeeld in twee groepen: een TBI-groep en een controlegroep. De controlegroep werd onderworpen aan een schijnoperatie. De NSS stond de beoordeling van motorische functie en gedragsverandering toe door een puntensysteem22,23; Een score van 24 duidde op een ernstige neurologische disfunctie...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
Klinische studies geven aan dat hersenletsel het risico op psychiatrische stoornissen kan verhogen26,27. Bovendien beïnvloedt TBI de ontwikkeling van sociaal gedrag28,29. In dit protocol had het TBI-model effect op de presentatie van dominant-onderdanig gedrag. Dominant-onderdanig gedrag manifesteerde zich in termen van tijd doorgebracht op de feeder en wie als eerste naar de feeder kwam.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs hebben niets te onthullen.
Dankbetuigingen
Het werk maakt deel uit van het proefschrift van Dmitry Frank.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| 2% chlorhexidine in 70% alcohol solution | SIGMA - ALDRICH | 500 cc | Voor algemene antisepsis van de huid in het operatieveld |
| 4 planken van verschillende diktes (1,5 cm, 2,5 cm, 5 cm en 8,5 cm) | Dit is om het neurologische defect te evalueren | ||
| 4-0 Nylon-naald | 4-00 | ||
| Flessen | Techniplast | ACBT0262SU | |
| Bupivacaïne 0,1 % | |||
| Diamant boor 3 mm diameter | Glass Hole Saw Kit | Optioneel. | |
| Digitale weegschaal | SIGMA - ALDRICH | Rs 4.000 | |
| Dissectie schaar | SIGMA - ALDRICH | Z265969 | |
| Ethanol 99,9 % | Apotheek | 5%-10% oplossing gebruikt om apparatuur te reinigen en geuren te verwijderen | |
| Vloeistof-percussionsapparaat | Op maat gemaakt in de universiteitswerkplaats | Er wordt geen specifiek merk aanbevolen. | |
| Gaasjes | Fisher | ||
| Handschoenen (dunne laboratoriumhandschoenen) | Optioneel. | ||
| Verwarming met thermometer | Heatingpad-1 | Model: HEATINGPAD-1/2 | Er wordt geen specifiek merk aanbevolen. |
| Horizon-XL | Mennen Medical Ltd | ||
| Isofluran, USP 100% | Piramamal Critical Care, Inc | NDC 66794-017 | Verdovingsvloeistof voor inhalatie |
| Logitech Webcam Software | Logitech | 2.51 | Software voor videocamera |
| Operatietang | SIGMA - ALDRICH | ||
| Operatieschaar | SIGMA - ALDRICH | ||
| PC-computer voor USV-opname en data-analyse | Intel | Intel core i5-6500 CPU @ 3,2 GHz, 16 GB RAM, 64-bits besturingssysteem | |
| Plexiglasdozen verbonden door een smalle doorgang | Twee transparante plexiglasdozen van 30 cm × 20 cm × 20 cm verbonden door een smalle doorgang van 15 cm × 15 cm × 60 cm | ||
| Purina Chow | Purina | 5001 | Rodent laboratoriumvoer voor ratten, is een levenscyclusvoeding die is gebruikt in biomedisch onderzoek |
| Rattenkooien (rattenverblijf of een andere behuizing) | Techniplast | 2000P | Er wordt geen specifiek merk aanbevolen |
| Scalpelmesjes 11 | SIGMA - ALDRICH | S2771 | |
| SPSS | SPSS Inc., Chicago, IL, USA | Een pakket van 20 | |
| Stereotaxisch instrument | Op maat gemaakt in de universiteitswerkplaats | Er wordt geen specifiek merk aanbevolen | |
| Timing-apparaat | Interval Timer: Timing voor het opnemen van USV's | Optioneel. Elke timer is geschikt, hoewel het handig is om een intervaltimer te gebruiken als je meerdere ratten knijpt | |
| Videocamera | Logitech | C920 HD PRO WEBCAM | Digitale videocamera voor high-definition opname van ratgedrag onder dominante onderdanigheidstest |
Referenties
- Birch, L. C. The meanings of competition. The American Naturalist. 91 (856), 5-18 (1957).
- Crombie, A. C. Interspecific competition. The Journal of Animal Ecology. 16 (1), 44-73 (1947).
- Riechert, S. E. Game theory and animal contests. Game Theory and Animal Behavior. Dugatkin, L. A., Reeve, H. R. , Oxford University Press. Oxford, UK. 64-93 (1998).
- Chase, I. D., Tovey, C., Spangler-Martin, D., Manfredonia, M. Individual differences versus social dynamics in the formation of animal dominance hierarchies. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 99 (8), 5744-5749 (2002).
- Vonk, J., Shackelford, T. K. Encyclopedia of Animal Cognition and Behavior. , Springer. Cham, Switzerland. (2019).
- De Vries, H. An improved test of linearity in dominance hierarchies containing unknown or tied relationships. Animal Behaviour. 50 (5), 1375-1389 (1995).
- Appleby, M. C. The probability of linearity in hierarchies. Animal Behaviour. 31 (2), 600-608 (1983).
- Drent, P. J., Oers, K. v, Noordwijk, A. J. v Realized heritability of personalities in the great tit (Parus major). Proceedings of the Royal Society of London. Series B: Biological Sciences. 270 (1510), 45-51 (2003).
- Sapolsky, R. M. Endocrinology alfresco: psychoendocrine studies of wild baboons. Recent Progress in Hormone Research. 48, 437-468 (1993).
- Shively, C. A. Social subordination stress, behavior, and central monoaminergic function in female cynomolgus monkeys. Biological Psychiatry. 44 (9), 882-891 (1998).
- Shively, C. A., Grant, K. A., Ehrenkaufer, R. L., Mach, R. H., Nader, M. A. Social stress, depression, and brain dopamine in female cynomolgus monkeys. Annals of the New York Academy of Sciences. 807, 574-577 (1997).
- Tse, W. S., Bond, A. J. Difference in serotonergic and noradrenergic regulation of human social behaviours. Psychopharmacology. 159 (2), 216-221 (2002).
- Malatynska, E., Knapp, R. J. Dominant-submissive behavior as models of mania and depression. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 29 (4-5), 715-737 (2005).
- Malatynska, E., et al. Reduction of submissive behavior in rats: A test for antidepressant drug activity. Pharmacology. 64 (1), 8-17 (2002).
- Frank, D., et al. Early life stress induces submissive behavior in adult rats. Behavioural Brain Research. 372, 112025(2019).
- Knapp, R. J., et al. Antidepressant activity of memory-enhancing drugs in the reduction of submissive behavior model. European Journal of Pharmacology. 440 (1), 27-35 (2002).
- Malatyńska, E., Kostowski, W. The effect of antidepressant drugs on dominance behavior in rats competing for food. Polish Journal of Pharmacology and Pharmacy. 36 (5), 531-540 (1984).
- Kabadi, S. V., Hilton, G. D., Stoica, B. A., Zapple, D. N., Faden, A. I. Fluid-percussion-induced traumatic brain injury model in rats. Nature Protocols. 5 (9), 1552-1563 (2010).
- Boyko, M., et al. Traumatic brain injury-induced submissive behavior in rats: Link to depression and anxiety. Translational Psychiatry. 12 (1), 239(2022).
- Jones, N. C., et al. Experimental traumatic brain injury induces a pervasive hyperanxious phenotype in rats. Journal of Neurotrauma. 25 (11), 1367-1374 (2008).
- Frank, D., et al. A novel histological technique to assess severity of traumatic brain injury in rodents: Comparisons to neuroimaging and neurological outcomes. Frontiers in Neuroscience. 15, 733115(2021).
- Frank, D., et al. A metric test for assessing spatial working memory in adult rats following traumatic brain injury. Journal of Visualized Experiments. (171), e62291(2021).
- Frank, D., et al. Induction of diffuse axonal brain injury in rats based on rotational acceleration. Journal of Visualized Experiments. (159), e61198(2020).
- Zlotnik, A., et al. β2 adrenergic-mediated reduction of blood glutamate levels and improved neurological outcome after traumatic brain injury in rats. Journal of Neurosurgical Anesthesiology. 24 (1), 30-38 (2012).
- Frank, D., et al. A novel histological technique to assess severity of traumatic brain injury in rodents: Comparisons to neuroimaging and neurological outcomes. Frontiers in Neuroscience. 15, 733115(2021).
- Marinkovic, I., et al. Prognosis after mild traumatic brain injury: Influence of psychiatric disorders. Brain Sciences. 10 (12), 916(2020).
- Robert, S. Traumatic brain injury and mood disorders. Mental Health Clinician. 10 (6), 335-345 (2020).
- Sabaz, M., et al. Prevalence, comorbidities, and correlates of challenging behavior among community-dwelling adults with severe traumatic brain injury: A multicenter study. The Journal of Head Trauma Rehabilitation. 29 (2), 19-30 (2014).
- Aaronson, A., Lloyd, R. B. Aggression after traumatic brain injury: A review of the current literature. Psychiatric Annals. 45 (8), 422-426 (2015).
- Koolhaas, J. M., et al. The resident-intruder paradigm: A standardized test for aggression, violence and social stress. Journal of Visualized Experiments. (77), e4367(2013).
- Bhatnagar, S., Vining, C. Facilitation of hypothalamic-pituitary-adrenal responses to novel stress following repeated social stress using the resident/intruder paradigm. Hormones and Behavior. 43 (1), 158-165 (2003).
- Boyko, M., et al. The effect of depressive-like behavior and antidepressant therapy on social behavior and hierarchy in rats. Behavioural Brain Research. 370, 111953(2019).
- Gruenbaum, B. F., et al. A complex diving-for-food Task to investigate social organization and interactions in rats. Journal of Visualized Experiments. (171), e61763(2021).
- Grasmuck, V., Desor, D. Behavioural differentiation of rats confronted to a complex diving-for-food situation. Behavioural Processes. 58 (1-2), 67-77 (2002).
- Pinhasov, A., Crooke, J., Rosenthal, D., Brenneman, D., Malatynska, E. Reduction of Submissive Behavior Model for antidepressant drug activity testing: Study using a video-tracking system. Behavioural Pharmacology. 16 (8), 657-664 (2005).
- Nesher, E., et al. Differential responses to distinct psychotropic agents of selectively bred dominant and submissive animals. Behavioural Brain Research. 236 (1), 225-235 (2013).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
