$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
De ziekte van Parkinson (PD) is een motorische aandoening, maar niet-motorische symptomen zijn bekend om vóór de motorische manifestaties en zijn cruciaal gedurende alle ziektestadia 1,2,3,4. Daaronder zijn depressie en angst de meest voorkomende neuropsychiatrische symptomen, wat de levenskwaliteit van PD-patiënten ernstig beïnvloedt en een hogere symptoomlast bij vrouwen veroorzaakt dan bij mannen5. Desondanks worden ze vaak ondergediagnosticeerd en onvoldoende behandeld6. Om al deze redenen is het essentieel om de neurobiologie en de circuits die betrokken zijn bij de neuropsychiatrische symptomen van PD te begrijpen om patiënten te stratificeren en hen meer persoonlijke zorg te bieden.
Hoewel de etiologie van PD gedeeltelijk onduidelijk blijft, zijn er verschillende belangrijke neuropathologische kenmerken geïdentificeerd. De ziekte wordt gekenmerkt door de progressieve degeneratie en het verlies van dopaminerge (DA) neuronen en vezels in het nigrostriatale systeem, wat leidt tot de prototypische motorische tekorten die geassocieerd worden met PD 7,8. Een ander kenmerk van PD is de aanwezigheid van Lewy-lichamen (LB) en Lewy-neurieten – intracellulaire insluitsels gevormd door fibrillaire eiwitaggregaten – voornamelijk bestaande uit het eiwit α-synucleïne (α-Syn)9,10. Neuroimagingstudies tonen ook aan dat andere neurotransmittersystemen worden beïnvloed – zelfs vóór de betrokkenheid van DA – waaronder het serotonerge (5-HT) systeem 11,12,13. Veranderingen in het serotonerge (5-HT) systeem worden vaak geassocieerd met stemmingsstoornissen, en afzettingen van α-synucleïne (α-Syn) zijn aangetroffen in de 5-HT raphe nuclei (RN) van personen die de ziekte van Parkinson (PD) en depressie14 zijn gediagnosticeerd.
De dorsale raphe-kernen (DR) zijn de grootste 5-HT kern in de RN15 en spelen een cruciale rol in emotionele regulatie, perceptie, beloning, agressie en sociale interacties. Daardoor wordt disfunctie in de DR geassocieerd met neuropsychiatrische stoornissen zoals stress, angst en depressie15,16. Op dit punt is het belangrijk de sterke, bidirectionele functionele en anatomische verbinding tussen de DR en de prefrontale cortex (PFC) te benadrukken, een hersengebied dat essentieel is voor hogere orde hersenfuncties. Hoewel de meer dorsale gebieden van de PFC gerelateerd zijn aan cognitieve functies, spelen de meer ventromediale gebieden (vmPFC) een fundamentele rol in emotionele regulatie, actiecontrole, geheugen en besluitvorming17,18. Daarom beïnvloeden de vmPFC en de DR samen de stemming significant, en veranderde activiteit in dit circuit wordt geassocieerd met depressieve symptomen18. Bovendien is aangetoond dat de ophoping van geaggregeerde vormen van α-Syn in 5-HT neuronen in de RN angst- en depressief-achtige fenotypesinduceert 19,20,21.
Met behulp van een PD vrouwelijke muismodel met een depressief fenotype dat de mutante A53T-vorm van menselijke α-syn (h-α-Syn) in de DR overexpresseert via een adeno-geassocieerde virale (AAV) vector, hebben we een elektrofysiologische opnamemethode ontwikkeld. Deze methode is bedoeld om de rol van het vmPFC-DR-circuit bij depressieve/angststoornissen bij PD te onderzoeken. Deze aanpak omvat het beoordelen van de neuronale activiteit van de infralimbische (IL) en prelimbische (PL) cortex bij wakkere muizen via single-unit en local field potentials (LFP) opnames. Dit wordt gedaan met een multikanaalsonde in combinatie met een virtual reality runner. Met het besef van de betrokkenheid van de PL- en IL-cortex bij aversieve conditionering, meten we ook hun activiteit tijdens zo'n paradigma om hun functie in stressvolle situaties te evalueren. Het is cruciaal te begrijpen dat de PL voornamelijk geconditioneerde reacties aanstuurt, terwijl de IL-cortex een sleutelrol speelt in het uitsterven van deze reacties22,23.
Het volgende protocol beschrijft de stappen voor het implanteren van een hoofdbalk en het acuut registreren van de elektrische activiteit van de PL- en IL-cortex in vivo. Dit bereiken we met behulp van een virtual reality-corridor, die een cilindrische loopband voor muisen met een kop vastgezet combineert met een dubbel scherm visueel display. Het protocol is opgebouwd in vier hoofdfasen: (1) hoofdstaafimplantatiechirurgie, (2) habituatie, (3) opname en signaalacquisitie, en (4) data-analyse: spike-sortering en data-preprocessing.
Drie weken na het induceren van h-α-Syn-overexpressie in het 5-HT-systeem van de hersenen, ondergaan muizen de hoofdstaafimplantatie-operatie, die daaropvolgende kopfixatie mogelijk maakt. Na een herstelperiode van een week zijn muizen vier dagen gewend aan zowel de experimentator als het loopband- en hoofdfixatiesysteem. Op de opnamedag wordt deze opstelling gebruikt om neurale activiteit uit de PL- en IL-cortexen te registreren onder basisomstandigheden en tijdens aversieve conditionering. De ruwe neurale data wordt verwerkt via automatische spike-sortering met Kilosort4, gevolgd door handmatige curatie in Phy2, om hoogwaardige single-unit clusters te extraheren voor verdere analyse (Figuur 1).
Het voorgestelde wakkere, kopvaste multikanaals vmPFC-opnameprotocol biedt verschillende voordelen ten opzichte van klassieke alternatieven, zoals verdoofde of ex vivo preparaten en draadloze opnames bij vrij bewegende dieren. In tegenstelling tot verdoofde of ex vivo benaderingen maakt deze methode de beoordeling van vmPFC-activiteit mogelijk onder gecontroleerde visuele en auditieve stimulatie binnen een virtual reality-omgeving, wat essentieel is voor het implementeren van aversieve conditioneringsparadigma's24,25. In tegenstelling tot vrij bewegende opnames biedt de kopvaste configuratie precieze experimentele controle over sensorische input en taakcontingenties, waardoor variabiliteit wordt verminderd en consistente proefstructuren mogelijk zijn. Bovendien vermindert hoofdfixatie het risico op taakontkoppeling die wordt waargenomen in vrij bewegende paradigma's, vooral onder aversieve stimulatie, terwijl het toch hoogrendement, stabiele multikanaalopnames mogelijk maakt26.
Vanuit praktisch oogpunt vereist dit protocol dat dieren gewend raken aan hoofdfixatie en lopen op de loopband, maar het profiteert van commercieel verkrijgbare, relatief betaalbare hoofdfixatiesystemen met cilindrische loopbanden. Dit maakt de aanpak toegankelijk voor kleinere laboratoria, omdat probes meerdere keren hergebruikt kunnen worden (tot ~10 inserties), wat de kosten aanzienlijk verlaagt vergeleken met chronisch vrij bewegende implantaten. Deze methode biedt daardoor een balans tussen experimentele controle, gedragsrelevantie en kosteneffectiviteit. Een andere factor om te overwegen is de implementatie van het aversieve conditioneringsparadigma. In deze studie gebruikten we een experimenteel ontwerp gebaseerd op de natuurlijke afkeer van knaagdieren voor licht: 10 auditieve tonen (geconditioneerde stimuli) werden elk gevolgd door een korte blootstelling aan intens licht (onconditionerende stimulus). Hoewel dit patroon minder stressvol is dan andere klassieke conditioneringsmethoden, zoals die met elektrische schokken, vormt het een meer vergelijkbare echte stressor.