Abstract
L'anoressia nervosa (AN) è una malattia psichiatrica caratterizzata da apporto calorico troppo limitato e anormalmente elevati livelli di attività fisica. Una malattia difficile da trattare, a causa della mancanza di comprensione della neurobiologia sottostante, AN ha il tasso di mortalità più alto tra le malattie psichiatriche. Per rispondere a questa esigenza, i neuroscienziati stanno utilizzando un modello animale per studiare come i circuiti neurali possono contribuire verso vulnerabilità per AN e può essere influenzata da AN. Activity Based anoressia (ABA) è un fenomeno bio-comportamentale descritti nei roditori che i modelli di sintomi principali di anoressia nervosa. Quando roditori con accesso gratuito a esercizio volontario su una restrizione alimentare esperienza ruota in esecuzione, diventano iperattivi - esecuzione di più di animali con libero accesso al cibo. Qui, si descrivono le procedure con cui l'ABA è indotta in adolescenti di sesso femminile C57BL / 6 topi. Il giorno 36 postnatale (P36), l'animale si trova con accesso al volontario esercizio su una corsaruota. Dopo 4 giorni di acclimatazione alla ruota portante, il P40, tutto il cibo viene rimosso dalla gabbia. Per i prossimi 3 giorni, il cibo viene restituito alla gabbia (che consente l'accesso di animali cibo gratis) per 2 ore al giorno. Dopo il quarto giorno di restrizione alimentare, libero accesso al cibo viene restituito e la ruota portante viene rimosso dalla gabbia per consentire agli animali di recuperare. Continuo analisi multi-giorno di esecuzione dell'attività ruota dimostra che i topi diventano iperattivi entro 24 ore dopo l'inizio di restrizione alimentare. I topi corrono anche durante il periodo di tempo limitato, durante il quale hanno accesso al cibo. Inoltre, il ritmo circadiano della ruota in esecuzione viene interrotto dall'esperienza di restrizione alimentare. Siamo stati in grado di correlare i cambiamenti neurobiologici con i vari aspetti della ruota comportamento corsa degli animali per implicare particolari regioni del cervello e cambiamenti neurochimici con la resistenza e la vulnerabilità alimentare restrizione iperattività indotta.
Introduction
L'anoressia nervosa (AN) è una malattia psichiatrica caratterizzata da eccessiva limitazione dell'assunzione di cibo, eccesso di esercizio fisico, e le paure irrazionali di aumentare di peso. Una delle malattie psichiatriche più letali 1, AN ha alcun trattamento farmacologico accettato fino ad oggi, e dei meccanismi neurobiologici e gli effetti della malattia sono poco conosciuti. Stiamo studiando un modello animale di AN per esplorare i cambiamenti neurobiologici e neurochimici associati a sintomi caratteristici della malattia.
Activity Based anoressia (ABA) è un fenomeno bio-comportamentale descritta nei roditori che modella alcune delle caratteristiche di un 2,3. Quando roditori con accesso gratuito a esercizio volontario su una ruota in esecuzione esperienza di cibo-restrizione, molti, ma non tutti, diventano iperattivi - in esecuzione più di quello che correvano prima dell'inizio del cibo restrizione 3,4. Ci sono stati molti spiegazioni proposte per over-esercizio esibita daAnimali ABA e pazienti AN: che si tratta di una forma di comportamento di foraggiamento 5, un meccanismo per affrontare lo stress di cibo restrizione 6, un tentativo di aumentare la temperatura corporea durante goccia inedia indotta nel metabolismo 7, o il risultato di hypoleptinemia 8 . Questo modello roditore riproduce i sintomi AN di perdita di peso corporeo, iperattività, restrizione alimentare volontaria optando per l'esecuzione durante l'accesso al cibo limitato, correlazioni con ansia tratti 9,10, e la vulnerabilità influenzati da esperienze di vita in anticipo 11. Mentre il modello roditore ABA è considerato un modello di stress, questo potrebbe non rispecchiare con precisione AN nei pazienti umani, che mostrano un aumento della funzione immunitaria 12. Tra sia roditori e pazienti umani, alcuni individui mostrano più vulnerabilità di altri. Mentre gli studi epidemiologici si sforzano di chiarire i fattori di rischio per AN, relativamente pochi studi hanno cercato di comprendere le basi neurobiologiche delle differenze individuali in vulnerability all'induzione ABA nei roditori.
È importante notare che il paradigma ABA è ampiamente utilizzato, e il suo uso come un modello animale di AN è stato ampiamente rivisto 6,13-15. Il contributo di questo lavoro attuale è quello di delineare i metodi specifici utilizzati per indurre ABA in adolescenti topi femmina e delineare le modifiche che sono state necessarie per rendere i modelli di roditori esistenti al fine di migliorare la sopravvivenza in topi giovani. Inoltre, si discute varie tecniche che possono essere accoppiati con il paradigma comportamento ABA per studiare altri aspetti del modello animale.
Il modello di topo ABA permette l'esplorazione rigorosamente di neurobiologia della malattia AN. Questo è separabile dalle influenze socio-culturali, che, senza dubbio, contribuiscono verso la vulnerabilità di una persona. Il modello ABA può anche essere usato per studiare l'effetto della restrizione alimentare ricorrenti o altre forme di stress in combinazione con accesso ruota, così comedi cogliere alcuni aspetti di una ricaduta 16. La funzione del sistema neurotrasmettitore inibitorio nei centri di ansia cerebrali è stato studiato con tecniche di elettroni-microscopico 4,16,17. Dendritica è stato studiato utilizzando reperimento e analisi di cellule piramidali nel campo CA1 dell'ippocampo 18,19 e 17 amigdala Neurolucida assistita. Effetti della restrizione alimentare e accesso ruota su ansia sono stati studiati con test comportamentali, come l'elevata più labirinto 10. Le basi genetiche della vulnerabilità è stata studiata utilizzando diversi ceppi di topi inbred 9. Manipolazioni farmacologiche possono essere testati in un modello animale prima sperimentazione umana 20-24. Animali geneticamente modificati e atterramento transitorio di geni possono essere utilizzati per studiare come la manipolazione di particolari meccanismi molecolari in grado di influenzare il comportamento nel paradigma ABA. L'impatto dello stress durante la vita in anticipo su vulnerabilità differenziale a ABA would essere un altro argomento che può essere affrontato attraverso questo approccio.
Protocol
Tutte le procedure descritte in questo protocollo sono conformi con la cura e l'uso degli animali Comitato Istituzionale della New York University (Animal Welfare Assurance # A3317-01).
NOTA: Questo protocollo è stato ottimizzato per l'adolescente femmina C57BL / 6 topi. Gli animali sono stati alloggiati in una struttura che mantiene RT a 72 ° ± 2 ° e umidità ambiente al 50% ± 10%. Luci della stanza accese 07:00-07:00 tutti i giorni.
1. Preparazione di gabbie con corsa Ruote
- Impostare il computer e interfaccia USB Hub in una zona sicura del locale di permanenza degli animali, a partire dall'acqua e dal traffico del piede, ma abbastanza vicino al rack gabbia in esecuzione di essere all'interno della gamma wireless dei trasmettitori. Accertarsi che il computer e hub USB interfaccia entrambi ricevono energia da una presa a muro, e l'Hub Interfaccia USB si collega al computer tramite un cavo USB. Utilizzare un dispositivo di backup di potenza per alimentare il computer e l'hub USB.
- Collegare il computer to l'Hub Interfaccia USB tramite il cavo USB in dotazione con l'apparecchio ruota in esecuzione.
- Avviare il computer e avviare il software di rotolamento delle ruote facendo doppio clic sull'icona.
- Installare tre batterie AAA nella base di ciascuna delle ruote in esecuzione, e verificare che il software di gestione della ruota ha riconosciuto il trasmettitore. Elencare ogni ruota nella finestra del programma sotto la voce "Wheel Sensors".
- Impostare la configurazione di acquisizione dati secondo le specifiche particolari dell'esperimento.
- Preparare una gabbia per ogni mouse soggetto con biancheria da letto, nestlets, libero accesso all'acqua, e una ruota in esecuzione. In genere, 8 topi vengono utilizzati per sperimentare per gli studi di neuroanatomia. Più topi possono essere richiesti per studi comportamentali al fine di garantire un'adeguata potenza statistica.
- Assicurarsi che la ruota portante è in grado di muoversi liberamente senza toccare i muri della gabbia, paniere alimentare o superiore gabbia. Far girare ogni ruota un paio di volte e confermare che tegli software sta aggiornando i conteggi delle ruote per ogni ruota.
2. Fase di acclimatazione
- Posizionare ogni soggetto del mouse (femmina C57BL / 6 del mouse; età P36) singolarmente in una gabbia con una ruota in esecuzione.
- Aggiungere una quantità pre-pesata di cibo secco (circa 100 g) alla tramoggia cibo, e posizionare un contenitore pieno pre-pesato (circa 50 g) di cibo umido nella gabbia.
- Nella finestra del programma, iniziare la memorizzazione dei dati e acquisizione dei dati di attività ruota selezionando l'opzione "Start Acquisition" nel menu File. Scegliere la directory in cui salvare i dati. Il software registra giri della ruota continuamente fino l'esperimento viene interrotto manualmente.
- Pesare l'animale, cibo umido e cibo secco ogni giorno nel momento in cui luci sono spente nella stanza. Riempire cibo secco se il peso scende al di sotto di 50 g, e sostituire il contenitore cibo umido se il cibo si asciuga o si sporca con biancheria da letto. Registrare manualmente il wheel conteggio ogni giorno a questo momento e, in caso di perdita dei dati digitali.
3. A partire restrizione alimentare
- Rimuovere tutti gli alimenti umido e secco dalla gabbia a mezzogiorno (o 7 ore prima che le luci della stanza sono in programma per spegnere) il primo giorno di restrizione alimentare.
- Lo stesso giorno, all'inizio del ciclo scuro, registrare il peso della ruota di conteggio e animali. Inserire una quantità pre-pesata di cibo secco (circa 50 g) nella tramoggia cibo e una quantità pre-pesata di cibo umido (circa 5g) nella gabbia in una barca di pesatura.
- Preparare una gabbia fresca con biancheria da letto e nestlets per ogni animale.
- Dopo 2 ore, trasferire la ruota portante alla gabbia fresco preparato. Questo cambiamento gabbia assicura che l'animale rimane cibo limitato fino al tempo di alimentazione prossimo, nel caso in cui qualche briciola di cibo sono caduti o sono stati accumulato nella lettiera. Al fine di ridurre lo stress del cambiamento gabbia, aggiungere due manciate (circa 500 ml) del sporcatoassestamento dal vecchio gabbia, e spostare l'animale nella nuova gabbia.
- Registrare il peso del residuo cibo umido e secco per determinare la quantità di cibo che è stato mangiato. Registrare il conteggio ruota alla fine del periodo di accesso alimentare.
4. Monitoraggio salute degli animali durante la restrizione alimentare
- Ogni giorno, all'inizio del ciclo scuro, registrare il peso della ruota di conteggio e animali. Inserire una quantità pre-pesata di cibo secco e umido alla gabbia.
- Se il peso corporeo dell'animale scende sotto il 75% del loro peso corporeo iniziale prima restrizione alimentare, rimuoverli dall'esperimento.
NOTA: Altre indicazioni di eccessiva fame includono una postura ingobbita e l'incapacità di muoversi per la gabbia. L'animale può essere freddo al tatto e non riescono a mangiare durante il 2 ore di accesso al cibo. - Preparare una gabbia fresca con biancheria da letto e nestlets per ogni animale.
- Dopo 2 ore, trasferire la ruota portante alla gabbia fresco preparato. Aggiungere two manciate (circa 500 ml) di la biancheria sporca dalla vecchia gabbia, e spostare l'animale nella nuova gabbia.
- Registrare il peso del residuo cibo umido e secco per determinare la quantità di cibo che è stato mangiato. Registrare il conteggio ruota alla fine del periodo di accesso alimentare.
5. Fine dell'esperimento
- Dopo tre giorni di restrizione alimentare, terminare l'esperimento ABA. Eutanasia l'animale per la raccolta del tessuto cerebrale, o consentire agli animali di recuperare prima di sottoporsi a test comportamentali aggiuntivo.
- Fare clic sull'opzione "Fine Acquisizione" sotto il menu File nella finestra del programma.
- Rimuovere le ruote che funzionano dalle gabbie, e rimuovere le batterie dalla base della ruota.
- Se degli animali, di recuperare, restituire un importo di pre-pesata di cibo secco alla tramoggia cibo e consentire agli animali ad libitum accesso al cibo durante il recupero.
Analisi 6. Dati
- Salvare undati della ruota ll per l'esperimento in un file .wls nella directory scelta all'inizio dell'esperimento.
- Esportare i dati in un foglio di calcolo selezionando l'opzione "Esporta" nel menu File. Selezionare i file desiderati .wls nell'opzione "File Origine dati". Selezionare la data e l'ora di inizio e fine, e selezionare ogni sensore ruota per l'esportazione nella lista sensori delle ruote.
Representative Results
Al fine di studiare l'effetto di ABA in una popolazione simile a anoressia nervosa umana, questi esperimenti sono stati condotti sui topi adolescenti di sesso femminile. Così, acclimatazione ruota comincia subito dopo l'inizio della pubertà nei topi, il giorno di P36. La fase di acclimatazione è condotta da P36-P40, e restrizione alimentare si verifica da P40-P43.
Topi adolescenti continuano a crescere, e il loro peso corporeo continua ad aumentare mentre si avvicinano piena età adulta. Durante acclimatazione ruota, i topi perdono generalmente una piccola quantità di peso o plateau in peso. Dopo l'inizio della restrizione alimentare, il peso corporeo degli animali ABA diminuisce drasticamente (Figura 1). Il peso corporeo degli animali nel gruppo ABA può essere confrontato con il controllo (CON) animali che non hanno accesso ad una ruota in esecuzione e non esperienza restrizione alimentare.
L'attività della ruota di ogni animale può essere analizzato in diversi modi: (1) La (24 ore) Ruota giornalieraattività degli animali ABA può essere tracciata, mostrando che gli animali decorrono eccessivamente dopo l'insorgenza di restrizione alimentare (Figura 2). (2) L'attività ruote di ogni animale può essere esaminato in una scala più fine utilizzando il software di analisi, che mostra lo schema circadiano dell'attività ruota (Figura 3). (3) L'attività delle ruote durante la 2 ore di accesso alimentare indica che la restrizione alimentare volontaria, dal momento che gli animali hanno scelto di correre invece di mangiare. (4) Dopo comincia restrizione alimentare, alcuni animali mostrano un aumento dell'attività nel periodo di tempo appena prima del momento della somministrazione. Questo aumento quotidiana attività locomotoria prima della presentazione del cibo è chiamato "cibo attività anticipatoria" (Figura 4). (5) La velocità con cui animali corrono può essere paragonato, come sia la distanza e il tempo di permanenza sulla ruota vengono monitorati in continuo. Variazione questi parametri può riflettere la fase di apprendimento di correre sulla ruota.
16. Nello stesso studio, è stato anche dimostrato che l'innervazione GABAergic di cellule piramidali dell'ippocampo CA1 è stata aumentata negli animali che hanno mostrato diminuita iperattività in una seconda esperienza di ABA. In uno studio con ratti ABA, si è constatato che l'espressione dei recettori GABA contenenti la subunità α4 correlato con diminuita iperattività, o resilienza di ABA 25.
Figura 1. Corpo cambiamenti di peso durante l'ABA. Dati Il peso corporeo è indicata da una coorte di cinque topi femmina adolescenti. I topi ha avuto esecuzione l'accesso ruote per tutti e 7 giorni dell'esperimento. I primi quattro giorni sono stati la fase di acclimatazione, dopo di che il cibo è stato imposto restrizioni per altri tre giorni. Giorno 0 indica l'inizio di restrizione alimentare. Le barre di errore indicano l'errore standard della media. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 2. attività ruota Ogni giorno prima e dopo l'inizio della restrizione alimentare. Giornaliera (24 ore) l'attività ruota viene mostrato per un mouse. Giorno 0 indica l'inizio di restrizione alimentare. Totale attività aumenta ruota giornaliero di quasi il doppio dopo ilinsorgenza di restrizione alimentare. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 3. continuamente monitorato l'attività ruota portante sopra l'esperimento otto giorni. Uno screenshot è indicata dal software di analisi Wheel. Questo mostra l'attività ruota (conteggi ruota sull'asse verticale) di un singolo mouse su otto giorni (tempo sull'asse orizzontale) di accesso a una ruota portante. Di seguito la trama attività è una sovrapposizione che indica i tempi in cui luci sono accese e fuori nella stanza. Prima dell'inizio restrizione alimentare, l'animale mostra un'attività minima durante il ciclo di luce. La prima linea tratteggiata verticale indica l'inizio della restrizione alimentare, le tre righe successive indicano l'alimentazione 2 hr iniziare ogni giorno, e le frecce rosse indicano °e all'emergere di cibo attività anticipatoria durante la fase di luce. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 4. attività ruota è aumentato in tutte le ore del giorno, ma più drammaticamente nel periodo precedente al cibo accesso. Corsa ruota è mostrato per quattro settori 6 ore del giorno. Bar etichettati "Prima FR" indicano il numero medio dei conteggi delle ruote durante gli ultimi due giorni della fase di acclimatazione. Bar etichettati "Durante FR" indicano i primi due giorni del ph restrizione alimentarease. "Recovery" indica i livelli di attività, dopo gli animali sono stati autorizzati a recuperare senza una ruota in esecuzione per almeno 6 giorni. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Discussion
Gli aspetti critici del modello ABA sono (1) il libero accesso al volontario esercizio su una ruota in esecuzione e (2) restrizione alimentare con accesso al cibo limitata ad un periodo limitato di tempo. L'accesso a una ruota portante permette all'animale di scegliere di utilizzare la ruota e fornisce un'indicazione dell'effetto di restrizione alimentare sulla motivazione dell'animale di esercitare. Viceversa, l'accesso al cibo-tempo limitato (piuttosto che calorie-restrizione) permette di misurare lo sperimentatore restrizione alimentare volontaria monitorando la misura in cui gli animali scelgono di eseguire durante le ore limitate di accesso al cibo. In questo modo, ABA è un eccellente modello di auto-fame che si verifica in AN.
Per minimizzare il rumore nei dati comportamentali del mouse, è importante ridurre al minimo la quantità di stress imprevedibile che l'esperienza animali. Ad esempio, la manipolazione degli animali dovrebbe essere ridotto al minimo, con gli animali solo di essere disturbati durante la pesatura, una voltagiorno. La movimentazione degli animali sperimentatore dovrebbe essere addestrato e confortevole con la gestione degli animali. Se possibile, una persona dovrebbe gestire gli animali tutto l'esperimento al fine di evitare ulteriore stress. Profumi e profumi dovrebbero essere evitati. Il tempo di pesatura e consegna cibo deve essere fatto per essere il più regolare possibile, per ridurre al minimo qualsiasi imprevedibilità. Come precauzione contro la perdita di dati, è preferibile alimentare il computer attraverso un alimentatore di backup in caso di interruzione di corrente; anche una breve interruzione di potere provoca il riavvio del computer e l'acquisizione dati cesserà. Inoltre, è importante controllare la durata della batteria dei trasmettitori ruota quotidiana. Se la batteria si scarica, il trasmettitore può sempre riuscire a inviare i dati al mozzo, sottovalutando così l'attività dell'animale.
Il protocollo del mouse qui descritto è stato modificato dal protocollo standard che è stato usato per i ratti 4. Adolescent topi femminasono molto più vulnerabili alla perdita di peso eccessivo e la morte a causa della fame. Pertanto, sono state effettuate le seguenti modifiche al fine di migliorare la sopravvivenza di almeno tre giorni di ABA. In primo luogo, il primo giorno di restrizione alimentare è stato ridotto rimuovendo cibo a mezzogiorno anziché a 8 pm del giorno precedente. Inoltre, il periodo di tempo di accesso al cibo è stata aumentata da 1 ora a 2 ore e la disponibilità di cibo umido è stato anche aggiunto per minimizzare gli effetti della disidratazione. Abbiamo scoperto che la somministrazione di cibo umido per i topi notevolmente migliorato la loro condizione attraverso tre giorni di restrizione alimentare. Senza il cibo umido, il peso corporeo cadeva molto più veloce e animali hanno dovuto essere rimossi dall'ambiente cibo ristretto. Questi cambiamenti erano sufficienti per permettere ai topi di sopravvivere attraverso tre giorni pieni di restrizione alimentare e prontamente recuperare da ABA.
Questo protocollo per ABA presenta alcune limitazioni importanti da considerare. Innanzitutto, è necessario alloggiare i topi singolarmentegabbie con una ruota in esecuzione al fine di monitorare l'attività volante di ogni mouse in modo indipendente. Questo si traduce in isolamento degli animali, un fattore di stress noto che possono influenzare il comportamento degli animali durante ABA nonché alcuni dei circuiti neurali che sono allo studio 26. Finora, non ci sono apparecchiature a disposizione che è in grado di monitorare l'attività individuale di topi co-ospitato, ma questo sembra essere un problema risolvibile utilizzando la tecnologia RFID e cartellini per la tracciabilità impastoiati per ogni animale. Un'altra conseguenza potenzialmente inevitabile di animali co-housing durante restrizione alimentare è il rischio che gli animali possono diventare aggressivi verso la loro gabbia compagni. Cambiare la gabbia degli animali dopo ogni sessione di alimentazione è un altro fattore di stress che abbiamo dovuto introdurre accaparramento cibo a causa di un animale sotto la biancheria da letto. Intendiamo ridurre lo stress di una nuova gabbia introducendo una notevole quantità di biancheria sporca dalla gabbia precedente nella gabbia fresca.
13,27 luci accese. Questo può essere per motivi di convenienza dello sperimentatore, ed è importante notare che il periodo di tempo per l'assegno alimentare durante la fase di luce dovrebbe essere aumentata per migliorare la sopravvivenza. Ha anche suggerito che bloccando l'accesso alla ruota di corsa durante l'allattamento può migliorare la sopravvivenza, ma riteniamo che questo rimuove l'aspetto molto interessante di comportamento che è la decisione presa da alcuni animali per l'esecuzione piuttosto che mangiare, esacerbando ulteriormente la auto-fame aspetto del modello ABA, ma catturando un segno distintivo dellacomportamento umano associato con AN.
È importante notare che questo protocollo è stato ottimizzato specificamente per femmina adolescente C57BL / 6 topi. Se un ceppo di topi, sesso o età diversa deve essere utilizzato, alcuni parametri del protocollo possono richiedere la modifica. È stato anche dimostrato che RT colpisce la gravità di ABA nei roditori 28. Anche se non abbiamo tentato di variare la temperatura ambiente per i nostri studi, aumentando la RT è in grado di migliorare il tasso di sopravvivenza tra gli animali ABA.
Il vantaggio di utilizzare un modello animale di una malattia umana, come AN, è che è possibile studiare l'anatomia e la fisiologia del cervello e dei cambiamenti indotti da accesso a esercizio volontario e restrizione alimentare in un ambiente controllato. L'uso di topi nel modello ABA permette l'uso di approcci genetici potenti utilizzando animali transgenici e infezione virale per la manipolazione genetica. Futuri studi sono volti a studiare gli effetti di particolari geni nel resilienzao la vulnerabilità al cibo restrizione indotta iperattività e auto-fame.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato sostenuto dal Programma di Grant Klarman Fondazione Eating Disorders Research to CA; Nazionale Institutes for Health sovvenzioni R21MH091445-01 a CA, R21MH105846 a CA, R01NS066019-01A1 a CA, R01NS047557-07A1 a CA, NEI Nucleo di Grant EY13079 a CA, R25GM097634-01 a CA, UL1 TR000038 dal Centro Nazionale per la promozione della Translational Science to TGC, Research Challenge Fund di New York University a CA; e The Fulbright Sovvenzioni per YW C.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Wireless running wheel for mouse | Med Associates | ENV-044 | |
| USB Interface Hub | Med Associates | DIG-804 | |
| Wheel Manager Software | Med Associates | SOF-860 | |
| Wheel Manager Data Analysis | Med Associates | SOF-861 | |
| Diet Gel 76A | Clear H2O | 72-07-5022 | |
| Mouse Diet 5001 | PMI |
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