Summary
Denne artikkelen presenterer eksperimentelle prosedyrer for å vurdere hukommelsessvikt hos pilokarpinininduserte epileptiske mus. Denne protokollen kan brukes til å studere patofysiologiske mekanismer for epilepsi-assosiert kognitiv nedgang, som er en av de vanligste komorbiditeter i epilepsi.
Abstract
Kognitiv svekkelse er en av de vanligste komorbiditetene i temporal lobe epilepsi. For å rekapitulere epilepsi-assosiert kognitiv nedgang i en dyremodell av epilepsi, genererte vi pilokarpinbehandlede kroniske epileptiske mus. Vi presenterer en protokoll for tre forskjellige atferdstester ved hjelp av disse epileptiske musene: novel object location (NL), novel object recognition (NO) og mønsterseparasjon (PS) tester for å evaluere læring og minne for henholdsvis steder, objekter og sammenhenger. Vi forklarer hvordan vi setter atferdsapparatet og gir eksperimentelle prosedyrer for NL-, NO- og PS-testene etter en åpen felttest som måler dyrenes basallokomotoriske aktiviteter. Vi beskriver også de tekniske fordelene med NL-, NO- og PS-testene med hensyn til andre atferdstester for å vurdere minnefunksjon hos epileptiske mus. Til slutt diskuterer vi mulige årsaker og løsninger for epileptiske mus som ikke klarer å gjøre 30 s god kontakt med objektene under familiarization-øktene, noe som er et kritisk skritt for vellykkede minnetester. Dermed gir denne protokollen detaljert informasjon om hvordan man vurderer epilepsirelaterte hukommelsessvikt ved hjelp av mus. NL-, NO- og PS-testene er enkle, effektive analyser som passer for evaluering av ulike typer minne hos epileptiske mus.
Introduction
Epilepsi er en kronisk lidelse preget av spontane tilbakevendende anfall1,2,3. Fordi repeterende anfall kan forårsake strukturelle og funksjonelle abnormiteter i hjernen1,2,3, unormal anfallsaktivitet kan bidra til kognitiv dysfunksjon, som er en av de vanligste epilepsi-tilknyttede komorbiditeter4,5,6. I motsetning til kroniske anfallshendelser, som er forbigående og kortvarige, kan kognitive funksjonsnedsettelser vedvare gjennom epileptiske pasienters liv, noe som forverrer livskvaliteten. Derfor er det viktig å forstå patofysiologiske mekanismer for epilepsi-assosiert kognitiv nedgang.
Ulike eksperimentelle dyremodeller av epilepsi har blitt brukt til å demonstrere læring og hukommelsessvikt forbundet med kronisk epilepsi7,8,9,10,11,12. For eksempel har Morris vannlabyrint, kontekstuell frykt condition, hole-board, novel object location (NL), og novel object recognition (NO) tester ofte blitt brukt til å vurdere minne dysfunksjon i temporal lobe epilepsi (TLE). Fordi hippocampus er en av de primære områdene der TLE viser patologi, er atferdstester som kan evaluere hippocampus-avhengig minnefunksjon ofte fortrinnsvis valgt. Men gitt at anfall kan indusere avvikende hippocampal nevrogenese og bidra til epilepsi-assosiert kognitiv nedgang10, atferdsparadigmer for testing av dentate nyfødte nevronale funksjon (dvs. romlig mønster separasjon, PS)8,13 kan også gi verdifull informasjon om cellulære mekanismer for hukommelsessvikt i epilepsi.
I denne artikkelen demonstrerer vi et batteri av minnetester, NL, NO og PS, for epileptiske mus. Testene er enkle og lett tilgjengelige og krever ikke et sofistikert system.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alle eksperimentelle prosedyrer ble godkjent av etikkkomiteen ved Det katolske universitetet i Korea og ble utført i samsvar med National Institutes of Health Guide for Care and Use of Laboratory Animals (NIH Publications No. 80-23).
1. Ny objektplasseringstest (NL)
- Forbered epileptiske C57BL/6 eller transgene mus 4–6 uker etter pilokarpinksjon.
MERK: Akutte anfall ble indusert ved intraperitoneal (IP) pilokarpininjeksjon, etter protokollen som er beskrevet i vår forrige rapport14. - Overfør epileptiske mus fra avlsrommet til atferdsrommet en dag før atferdstestene begynner. La musene habituate i minst 12 timer over natten.
- I atferdsrommet skiller du individuelle mus i nye bur for enkelthus. Skriv informasjonen for hvert dyr på burkortet og hold dyrene i de samme burene gjennom atferdstestingen. Flere bur kan overføres samtidig ved hjelp av en handlevogn.
- Neste dag begynner du 3 dager med habituation sessions (H1–H3) tidlig om morgenen. Akklimatisere dyrene til det svake lyset i sine hjembur i minst 30 minutter.
- Forbered en åpen feltboks med utvendige dimensjoner på 44 x 44 x 31 cm og innvendige dimensjoner på 43 x 43 x 30,5 cm. På dag 1 av habituation (H1), plasser et illuminometer i midten av den åpne feltboksen og juster belysningen til 60 lux.
- Spray gulvet og veggene i den åpne feltboksen med 70% etanol og tørk av med et rent papirhåndkle for å fjerne mulige olfaktoriske signaler. Vent deretter i minst 1 min til den gjenværende alkoholen har tørket helt.
- Evaluer den lokomotoriske aktiviteten til hver mus ved å utføre en åpen felttest.
- Hvis du vil registrere og spore atferden til hver eksperimentelle mus, bruker du videosporingsprogramvare for dyr (se Materialliste).
- Når videosporingsprogramvaren er åpnet, kalibrerer du størrelsen på den åpne feltboksen. Deretter angir du sonen for sporing. Sett 3 s ventetid og 15 min av oppkjøpet tid for å unngå å spore en eksperimenterer hender. Sett inn informasjonen om hver eksperimentell mus (gruppe, kjønn, alder osv.).
- Deretter plasserer du forsiktig en eksperimentell mus i den åpne feltboksen mot veggen. Gjør dette ved å plassere det på burlokket for å minimere håndteringsrelatert stress og angst. Slipp deretter musen nær veggen i den åpne feltboksen som er lengst fra der objektene vil være under kjennskapsøkten (trinn 1.9.3.).
MERK: Når musen er i den åpne feltboksen, vil musen sporing programvare automatisk oppdage det og starte opptaket. For optimal sporing av utforskningen kan kameraet plasseres rett over den åpne feltboksen. - Etter 15 min opptak, returner dyret til hjemmeburet ved å plassere det på burlokket. Rengjør den åpne feltboksen med 70 % etanolspray og tørk av med et rent papirhåndkle mellom forsøkene. Gjenopprett det sterke lyset og mål dyrets totale avstand flyttet ved hjelp av videosporingsprogramvaren i henhold til produsentens instruksjoner.
- Åpne videosporingsprogramvaren og videoklippene. Klikk deretter Analyse for å beregne den totale avstanden som flyttes basert på kalibreringen av den åpne feltboksstørrelsen.
- På dag 2 og dag 3 utfører du habituation-øktene (H2, H3) ved å gjenta trinn 1,3 til 1,7.
- På dag 4 utfører du familiarization-økten (F1).
- I det svake lyset plasserer du hver mus i det tomme åpne feltet i 3 min. Etter den korte rehabituasjonen, returner dyret til sitt hjembur.
- Under habituation, rengjør objektene grundig med 70% etanol og tørk dem ned med et papirhåndkle. Vent i minst 1 min til restalkoholen tørker helt.
- Plasser to identiske gjenstander (gummidukker, objekt A) i den åpne feltarenaen 5 cm unna de tilstøtende veggene. Fest objektene med dobbeltsidig tape. Introduser den eksperimentelle musen i den åpne feltboksen, vendt mot veggen lengst fra objektene.
- Tillat gratis utforskning i 20 min og manuelt måle tiden brukt utforske begge objektene ved hjelp av to stoppeklokker. Når musen når minimum letetid (30 s) for begge objektene, stopp F1-økten og overfør dyret til hjemmeburet. Hvis musen ikke klarer å utforske objektene i 30 s innen 20 min, fjerner du musen fra den åpne feltboksen og utelater den fra videre økter.
- Etter at dyret er fjernet fra den åpne feltboksen, rengjør gulvet og veggene i esken grundig med 70% etanolspray og tørk dem ned med et papirhåndkle.
MERK: Mål tiden når musen berører objektene med værhårene, snuten eller fremre poter. Ikke kvantifiser som eksplorativ tid noen atferd der dyrets snut ikke peker mot objektet, for eksempel å sitte på objektet, passere objektet, eller hvile med sin bakre ende peker på objektet.
- På dag 5 utfører du NL-testøkten.
- Overfør musen fra sitt hjem bur til det åpne feltet området for rehabituation for 3 min. Deretter returnerer dyret til sitt hjembur.
- Under habituation, rengjør objektene grundig med 70% etanol og tørk dem ned med et papirhåndkle. Vent i minst 1 min til restalkoholen tørker helt.
- Flytt ett objekt (gummidukke, objekt A) til diagonalposisjon, 5 cm fra de tilstøtende veggene. Fest objektet med dobbeltsidig tape. Overfør den eksperimentelle musen på burlokket til det åpne feltområdet og plasser den mot veggen i den åpne feltboksen.
MERK: Motvirke plasseringen av objektet flyttet for å redusere eventuelle medfødte preferanser for en bestemt retning. Du kan for eksempel endre plasseringen av det foretrukne objektet fra familiariseringsøkten for halvparten av de eksperimentelle dyrene, og for resten av dyrene flytter du det mindre foretrukne objektet fra familiariseringsøkten. - Tillat 10 min gratis utforskning og ta opp med et videosporingssystem. Mål tiden som brukes til å utforske hvert objekt ved hjelp av to stoppeklokker, og beregn diskrimineringsforholdet som
MERK: Mål tiden når musen berører objektene med værhårene, snuten eller fremre poter. Ikke kvantifiser som eksplorativ tid noen atferd der dyrets snut ikke peker mot objektet, for eksempel å sitte på objektet, passere objektet, eller hvile med sin bakre ende peker på objektet. - Ta tak i halen av den eksperimentelle musen og legg den på burlokket for overføring til hjemmeburet. I 3 dager (dag 6–8) slipper du musen hvile med fri tilgang til mat og vann.
- Når dyret er fjernet fra den åpne feltboksen, rengjør gulvet og veggene i esken grundig med 70% etanolspray og tørk av med et papirhåndkle.
2. Ny objektgjenkjenningstest (NO)
- På dag 9 utfører du en 15 min habituation-økt ved å gjenta trinn 1.2-1.7.
- Utfør familiariseringsøkten (F1) på dag 10.
- I svakt lys plasserer du musen i det tomme åpne feltet i 3 min. Etter rehabituating musen til det åpne feltet området, midlertidig returnere den til sitt hjem bur.
- Under habituation, rengjør objektene grundig med 70% etanol og tørk av med et papirhåndkle. Vent minst 1 min til restalkoholen tørker helt.
- Plasser to identiske gjenstander (50 ml plastrør fylt med 40 ml vann, objekt B) i det åpne feltet 5 cm unna de tilstøtende veggene. Fest objektene med dobbeltsidig tape. Introduser den eksperimentelle musen i den åpne feltboksen mot veggen lengst fra objektene.
- Som dyret er utsatt for de to forskjellige objektene (50 ml plastrør fylt med 40 ml vann, objekt B; glass Coplin krukke, objekt C) i NO test, motvekt objektet under F1 økten. For eksempel presentere to identiske objekter (glass Coplin krukker, objekt C) for halvparten av dyrene i gruppen.
- Tillat gratis utforskning i 20 min og manuelt måle tiden brukt utforske begge objektene ved hjelp av to stoppeklokker. Når musen når minimum letetid (30 s) for begge objektene, stopp F1-økten og overfør dyret til hjemmeburet. Hvis musen ikke klarer å utforske objektene i 30 s innen 20 min, fjerner du den fra den åpne feltboksen og utelater den fra videre økter.
- Etter at dyret er fjernet fra den åpne feltboksen, rengjør gulvet og veggene i esken grundig med 70% etanolspray og tørk dem ned med et papirhåndkle.
MERK: Mål tiden når musen berører objektene med værhårene, snuten eller fremre poter. Ikke kvantifiser som eksplorativ tid noen atferd der dyrets snut ikke peker mot objektet, for eksempel å sitte på objektet, passere objektet, eller hvile med sin bakre ende peker på objektet.
- På neste dag (dag 11) utfører du NO-testøkten.
- Overfør musen fra hjemmeburet til det åpne feltet for rehabilitering i 3 min, og returner deretter dyret til hjemmeburet.
- Under habituation, rengjør objektene grundig med 70% etanol og tørk av med et papirhåndkle. Vent i minst 1 min til restalkoholen tørker helt.
- Bytt ut ett objekt (50 ml plastrør fylt med 40 ml vann, objekt B) med et annet objekt (glass Coplin-krukke, objekt C) 5 cm unna de tilstøtende veggene. Fest objektene med dobbeltsidig tape. Overfør den eksperimentelle musen på burlokket til det åpne feltet, og plasser den mot veggen. Motvekt objektene som presenteres sammen under NO-testen. For eksempel, erstatte ett glass Coplin krukke (objekt C) med en 50 ml plastrør fylt med 40 ml vann (objekt B) for musene utsatt for de to glass Coplin krukker (objekt C) under kjennskap økten.
MERK: Motvekt av plasseringen av objektet som erstattes, kan også utføres for å redusere den potensielle medfødte preferansen for en bestemt retning. For hver kohort av dyrene som er eksponert for settet med to objekter (objekt B eller objekt C), endrer du foretrukket objekt i fortrolighetsøkten for halvparten av de eksperimentelle dyrene, og for resten av dyrene erstatter du objektet som er mindre foretrukket i fortrolighetsøkten. - Tillat 10 min gratis utforskning og ta den opp ved hjelp av et videosporingssystem. Mål tiden som brukes til å utforske hvert objekt ved hjelp av to stoppeklokker, og beregn diskrimineringsforholdet.
MERK: Mål tiden når musen berører objektene med værhårene, snuten eller fremre poter. Ikke kvantifiser som eksplorativ tid noen atferd der dyrets snut ikke peker mot objektet, for eksempel å sitte på objektet, passere objektet, eller hvile med sin bakre ende peker på objektet. - Ta tak i halen av den eksperimentelle musen og plasser den på burlokket for overføring til hjemmeburet. I 3 dager (dag 12–14) slipper du musen hvile med fri tilgang til mat og vann.
- Når dyret er fjernet fra den åpne feltboksen, rengjør gulvet og veggene i den åpne feltboksen grundig med 70% etanolspray og tørk av med et papirhåndkle.
3. Mønster separasjon test (PS)
- På dag 15 utfører du den første familiarization-økten (F1) for PS-testen.
- Overfør musen fra sitt hjem bur til det åpne feltet området for rehabituation for 3 min, og deretter returnere den til sitt hjem bur.
- Under habituation, rengjør grundig objektene og den rutete gulvplaten med 70% etanol og tørk av med et papirhåndkle. Vent i minst 1 min til restalkoholen tørker helt.
- Plasser gulvplaten (42,5 x 42,5 x 0,5 cm) med det brede rutenettet (5,5 x 5,5 cm) i den åpne feltboksen og plasser to identiske gjenstander (plast-T-flasker fylt med 50 ml vann, objekt D) i det åpne feltet 5 cm unna de tilstøtende veggene. Fest objektene med dobbeltsidig tape. Introduser den eksperimentelle musen i den åpne feltboksen mot veggen lengst fra objektene.
- Som dyret er utsatt for to forskjellige gjenstander (plast T-kolbe fylt med 50 ml vann, objekt D; glassflaske, objekt E) i PS-testen, motvirke objektet under F1 og F2 økter. For eksempel presentere to identiske gjenstander (glassflasker, objekt E) på det brede rutenettgulvet for halvparten av dyrene i gruppen.
- Tillat gratis utforskning i 20 min, og manuelt måle tiden brukt utforske begge objektene ved hjelp av to stoppeklokker. Når musen når minimum letetid totalt (30 s) for begge objektene, stopp F1-økten og overfør dyret til hjemmeburet. Hvis musen ikke klarer å utforske objektene i 30 s innen 20 min, fjerner du den fra den åpne feltboksen og utelater den fra videre økter.
MERK: Mål tiden når musen berører objektene med værhårene, snuten eller fremre poter. Ikke kvantifiser som eksplorativ tid noen atferd der dyrets snut ikke peker mot objektet, for eksempel å sitte på objektet, passere objektet, eller hvile med sin bakre ende peker på objektet. - Etter ferdigstillelse av den første familiarization økten (F1), rengjør grundig objektene og gulvplaten med 70% etanolspray og fjern dem fra den åpne feltboksen.
- På neste dag (dag 16) utfører du den andre kjennskapsøkten (F2) for PS-testen.
- Overfør musen fra hjemmeburet til det åpne feltområdet for rehabilitering i 3 min, og returner deretter dyret til hjemmeburet.
- Under habituation, rengjør grundig objektene og grillet gulvplate med 70% etanol og tørk av med et papirhåndkle. Vent i minst 1 min til restalkoholen tørker helt.
- Plasser gulvplaten (42,5 x 42,5 x 0,5 cm) med det smale rutenettet (2,75 x 2,75 cm) i den åpne feltboksen og plasser to identiske gjenstander (glassflasker, objekt E) i det åpne feltet 5 cm unna de tilstøtende veggene. Fest objektene med dobbeltsidig tape. Introduser den eksperimentelle musen i den åpne feltboksen mot veggen lengst fra objektene.
- For motbalansering, presenter to identiske gjenstander (plast T-flasker fylt med 50 ml vann, objekt D) på det smale rutenettet.
- Tillat gratis utforskning i 20 min og manuelt måle tiden brukt utforske begge objektene ved hjelp av to stoppeklokker. Når musen når minimum letetid totalt (30 s) for begge objektene, stopp F2-økten og overfør dyret til hjemmeburet. Hvis musen ikke klarer å utforske objektene i 30 s innen 20 min, fjerner du den fra den åpne feltboksen og utelater den fra videre økter.
MERK: Mål tiden når musen berører objektene med værhårene, snuten eller fremre poter. Ikke kvantifiser som eksplorativ tid noen atferd der dyrets snut ikke peker mot objektet, for eksempel å sitte på objektet, passere objektet, eller hvile med sin bakre ende peker på objektet. - Etter ferdigstillelse av den andre familiarization økten (F2), rengjør grundig gjenstander og gulvplate med 70% etanol spray og fjern dem fra den åpne feltboksen.
- På neste dag (dag 17), utfør PS-testøkten.
- Overfør musen fra sitt hjem bur til det åpne feltet området for rehabituation for 3 min, og deretter returnere den til sitt hjem bur.
- Under habituation, rengjør grundig objektene og grillet gulvplate med 70% etanol og tørk av med et papirhåndkle. Vent i minst 1 min til restalkoholen tørker helt.
- Plasser gulvplaten med det smale rutenettet (2,75 x 2,75 cm) i den åpne feltboksen og plasser to forskjellige gjenstander (plast T-kolbe fylt med 50 ml vann, objekt D; glassflaske, objekt E) på gulvplaten 5 cm unna de tilstøtende veggene. Fest objektene med dobbeltsidig tape. Overfør den eksperimentelle musen på burlokket til det åpne feltområdet og plasser den mot veggen.
- Motvekt objektene som presenteres sammen under PS-testen. Plasser for eksempel hvert objekt (objekt D, objekt E) på det smale rutenettet for å gjøre objektet E til et nytt objekt i denne konteksten. Motbalansering av plasseringen av objekt D eller objekt E (et nytt objekt på det smale gulvmønsteret) kan også utføres for å redusere potensialet for en medfødt preferanse for en bestemt retning. For eksempel erstatte det foretrukne objektet fra den andre familiarization økten for halvparten av eksperimentelle dyr, og for resten av dyrene, erstatte mindre foretrukket objekt fra den andre familiarization økten.
- Tillat 10 min gratis utforskning og ta opp ved hjelp av et videosporingssystem. Mål tiden som brukes til å utforske hvert objekt ved hjelp av to stoppeklokker, og beregn diskrimineringsforholdet.
MERK: Mål tiden når musen berører objektene med værhårene, snuten eller fremre poter. Ikke kvantifiser som eksplorativ tid noen atferd der dyrets snut ikke peker mot objektet, for eksempel å sitte på objektet, passere objektet, eller hvile med sin bakre ende peker på objektet. - Ta tak i halen av den eksperimentelle musen og plasser den på burlokket for overføring til hjemmeburet.
4. Cresyl fiolett farging
- Etter å ha fullført alle atferdstester, bedøve dyret ved å injisere en cocktail (4:0.5) av ketamin (50 mg/ ml) og xylazin (23,3 mg / ml) oppløst i saltvann i en dose på 110 ml / kg kroppsvekt (IP; 1 ml sprøyte; 26 G nål). Se etter dybden av anestesi ved mangel på et svar på en tåklemme.
- Når dyret er dypt bedøvet, utfør transkortial perfusjon med 4% paraformaldehyd for å fikse hjernen15.
- Etter at transcardial perfusjon er ferdig, halshugge dyret med en saks15. Fjern deretter skallen ved hjelp av et par iris saks for å eksponere hjernen. Etter at hjernen er isolert, postfix det i 4% paraformaldehyd over natten, etterfulgt av kryobeskyttelse i 30% sukrose i 0,01 M fosfat-bufret saltvann.
- Lag koronale seksjoner (30 μm) fra den snap-frosne hjernen ved hjelp av en kryostat.
- Monter hjernevevet på lysbilder og utfør en rekke hydreringstrinn fra 100% etanol til vann fra springen ved å vaske i 3 min sekvensielt i 100%, 95%, 90%, 80%, 70% etanol.
- Inkuber vevet glir i 0,1% cresyl fiolett løsning i 15 min.
- Fjern overdreven flekk ved å senke vevslysene i 95% etanol / 0,1% glacial eddiksyre, og dehydrere deretter vevet med løsninger på 100% etanol, 50% etanol / 50% xylen og 100% xylen.
- Dekslerslip vevslysene ved hjelp av et kommersielt tilgjengelig xylen monteringsmedium.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
En generell eksperimentell tidsplan og oppsett for evaluering av kognitiv funksjon vises i figur 1. Seks uker etter innføringen av pilokarpininduserte akutte anfall ble mus utsatt for NL-, NO- og PS-testene i den rekkefølgen atskilt med 3 dagers hvileperioder mellom tester (figur 1A). For NL-testen ble to identiske objekter plassert i det åpne feltet under kjennskapsøkten (F1), og neste dag ble ett objekt flyttet til en ny plassering. I NO-testen ble ett objekt erstattet med et nytt under testøkten. For PS-testen introduserte de to familiarization-øktene (F1, F2) kombinasjoner av forskjellige gulvgitter og objekter. Deretter, på testdagen, ble ett objekt fra hver familiarization økt plassert på det smale rutenettet gulvmønster, noe som gjør en objektroman i sammenheng med det smale rutenettet gulvmønster (Figur 1B). Den åpne feltboksen kan plasseres på et skrivebord rett under et ladekoblet enhetskamera og omgitt av en svart gardin for å unngå unødvendige visuelle signaler (Figur 2A). Prøveobjektene var enkle å rengjøre materialer av lignende størrelse eller litt større enn en mus (Figur 2B). Objektkombinasjonene måtte forhåndsvises for å bekrefte at det ikke var noen signifikant preferanse mellom de to objektene som ble presentert sammen (figur 2C). Gulvplatene med forskjellige mønstre ble plassert i den åpne feltboksen for å gi flere eksperimentelle signaler i PS-testen (Figur 2B). Når en mus ble introdusert i den åpne feltboksen, sporet et videosporingssystem sin bane for å analysere den totale bevegelsesavstanden (Figur 2D). Seks uker etter en pilokarpinksjon viste epileptiske mus en signifikant reduksjon i diskrimineringsforholdet i NL-testen, som viste romlig hukommelsessvikt (figur 3). Videre, i NO-testen, som er en test for objektgjenkjenningsminne, viste epileptiske mus nedsatt minnefunksjon sammenlignet med sham-kontroller. Når dentate nyfødte nevronale funksjonen ble evaluert med PS-testen, epileptiske mus hadde problemer med å gjenkjenne det nye objektet i en sammenheng med flere signaler. Etter hvert som kontrolleksperimenter ble lokomotorisk aktivitet og ventetid for å nå letekriteriene under kjennskapsøkten vurdert (figur 3). Målingen av lokomotorisk aktivitet viste en betydelig økning i epileptiske dyr (figur 3C), i tråd med tidligere rapporter16,17, mens motivasjonen til å utforske objektene var sammenlignbare mellom sham og epileptiske dyr (Figur 3D). Våre frafall som sviktet letekriteriene i familiariseringsøkten var henholdsvis 17,4 %, 18,2 %, 0 % for NL-, NO- og PS-testen, noe som tyder på at dyr ble vant til de eksperimentelle miljøene i løpet av serien av atferdsstudier. Til slutt evaluerte vi hippocampal celledød etter pilokarpin-indusert status epilepticus ved hjelp av cresyl fiolett farging for å bekrefte anfallsindusert nevronal skade (figur 4). De pilokarpinebehandlede dyrene demonstrerte pyknotiske celler i hilus og CA3-underfeltet i hippocampus, i motsetning til sham-kontrollene (figur 4).
Figur 1: Skjematisk presentasjon av atferdstestbatteriet. (A)En skjematisk tegning av atferdsplanen for den nye objektplasseringen (NL), ny objektgjenkjenning (NO) og mønsterseparasjon (PS) tester for sham og epileptiske mus. (B)Representative bilder av objekt- og gulvplateordningene for NL-, NO- og PS-testene. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2: Atferdsapparat for evaluering av kognitiv funksjon. (A) En generell oversikt over atferdsinnstillingen. Et kamera ble plassert rett over den åpne feltboksen, som var omgitt av gardinen for å unngå unødvendige signaler. (B) Eksempel på objekter for den nye objektplasseringen (NL), ny objektgjenkjenning (NO) og mønsterseparasjon (PS) test. For PS-testen ble en gulvplate med forskjellige mønstre, det vil si brede og smale rutenett, satt inn i den åpne feltboksen for å gi flere signaler. (C) Grafer som viser tiden som utforsker hvert objekt som presenteres sammen under NO- og PS-testøkten (n = 7). Vær oppmerksom på at det ikke var noen signifikant forskjell i preferansen mellom de to objektene som ble vurdert av Mann-Whitney U-testen (for INGEN test) og studentens ulønnede t-test (for PS-test). (D)Et bilde som viser at et videosporingssystem oppdaget den eksperimentelle musen i den åpne feltboksen. Den røde firkanten angir den forhåndsinnstilte sonen for sporing av musens bane. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3: Nedsatt romlig minne og mønsterseparasjon hos epileptiske mus. (A)En skjematisk presentasjon av den nye objektplasseringen (NL), ny objektgjenkjenning (NO) og mønsterseparasjon (PS) tester. Et nytt objekt er angitt som en rød sirkel. (B) Grafer som viser diskrimineringsforholdet i NL-, NO- og PS-testene mellom sham (n = 8) og epileptiske mus (n = 10). Legg merke til at epileptiske mus viste signifikante svekkelser i NL-, NO- og PS-testene, som tester minnefunksjon for henholdsvis steder, objekter og sammenhenger. *p < 0,05 av Mann-Whitney U-testen for NL-testen. *p < 0,05 etter studentens ulønnede t-test for NO-testene. *p < 0,05 etter studentens ulønnede t-test med Welchs korrigering av PS-testen. (C) En graf som viser lokomotorisk aktivitet av sham (n = 8) og epileptiske mus (n = 10). Legg merke til at epileptiske mus viste økt bevegelse, i tråd med tidligere rapporter. *p < 0,05 etter studentens ulønnede t-test. (D)Grafer som viser ventetid til 30 s kriterier i kjennskapsøkten for NL-, NO- og PS-testene. Vær oppmerksom på at det ikke var noen forskjeller i motivasjonen for å utforske objektene mellom sham (n = 8) og epileptiske mus (n = 10). Dataene presenteres som gjennomsnitt ± standard feil av gjennomsnitt (SEM). SE = status epilepticus. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4: Nevronal død i hippocampus etter pilokarpin-indusert status epilepticus (SE). Representative bilder fra (A) sham og (B) epileptiske grupper 58 dager etter pilokarpininjeksjon. Forstørrede bilder viser hilus (a, d), CA1 underfelt(b, e)og CA3 subfield(c, f)av hippocampus, som er angitt som hvite firkanter i bildene med lav forstørrelse. Legg merke til pyknotiske celler i hilus og CA3 subfield av hippocampus. Skalalinje i bildet lengst til venstre = 200 μm, også gyldig for det nederste bildet; skala bar i en, b, c = 40 μm, også gyldig for d, e, f, henholdsvis. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Dette arbeidet beskriver eksperimentelle prosedyrer for evaluering av kognitiv funksjon hos mus med kronisk epilepsi. Mange forskjellige atferdstestparadigmer brukes til å vurdere lærings- og minnefunksjoner hos mus18. Morris vannlabyrint, radial arm labyrint, Y-labyrint, kontekstuell frykt condition, og objektbaserte tester er de mest brukte atferdstester og gi pålitelige resultater. Blant dem er NL-, NO- og PS-testene effektive, enkle metoder for evaluering av læring og minne hos epileptiske mus8,,10. Fordi epileptiske mus kan ha uventede spontane anfall under atferdsøkter, er det bedre å bruke atferdstester basert på dyrenes naturlige tilbøyelighet til å utforske nyhet uten å legge til andre positive eller negative forsterkninger, for eksempel de som brukes i aversive-motiverte oppgaver som frykt condition, mild sult eller tvunget svømming for å holde seg flytende, noe som kan utløse tilbakevendende anfall19,20. Videre, sammenlignet med andre atferdstester, er de nyhetsbaserte testene mindre stressende for dyrene fordi omfattende treningsøkter ikke er nødvendig. Videre kan de nyhetsbaserte atferdstestene enkelt endres for å vurdere ulike typer minne (dvs. romlig minne, gjenkjenningsminne eller episodisk minne) ved ganske enkelt å endre objektplasseringen, presentere et nytt objekt eller kombinere flere stimuli. Sammen har nyhetsbaserte tester som NL-, NO- og PS-tester allsidige fordeler for evaluering av kognitive funksjoner hos epileptiske mus.
Selv om NL-, NO- og PS-testene er raske og nyttige eksperimentelle modeller for å undersøke lærings- og minnefunksjonen hos epileptiske mus, må flere faktorer vurderes ved bruk av dem. Det er velkjent at kroniske epileptiske mus viser økt angst fra pilokarpininjeksjoner7, noe som fører til en markert reduksjon i objektutforskning under familiarization-øktene. Denne mangelen på leting kan føre til feiltolkning av testresultatene. Derfor er det viktig å inkludere nok habituation til det åpne feltet for musene å bli vant til miljøet før familiarization økten. Avhengig av stammene kan musene fortsatt ikke utforske objektene i 30 s innen 20 minutter av familiariseringsøkten, selv etter 3 økter med habituation. I så fall kan det å legge til en annen habituation økt med ekstra par av objektene i den åpne feltboksen bidra til å redusere angsten til musen mot objektene. Gardiner rundt den åpne feltboksen kan minimere eksterne romsignaler, slik at de eksperimentelle musene kan fokusere på objektene i det åpne feltet. I tillegg bør letekriteriene være strenge nok til å utelukke atferd der dyrets snute ikke peker mot objektet, for eksempel å sitte på objektet, passere objektet eller hvile med bakenden pekende på objektet. Til slutt, selv om det kan være svært sjeldne, kan anfallshendelser oppstå under atferdsoppgavene. I dette tilfellet anbefales det at disse dyrene fjernes fra videre vurderinger, da dette kan være en mulig kilde til forvirrende bias for evaluering av minnefunksjon.
Som NL, NO, og PS tester er svært følsomme eksperimenter stole på dyrenes naturlige nysgjerrighet for nye stimuli, subtile endringer kan påvirke utforskende atferd av mus, noe som resulterer i ufullstendig diskriminering forhold21,22. For eksempel, hard håndtering av musen, en sengetøy endring rett før atferdsoppgaver, inkonsekvent timing av testen, og utilstrekkelig akklimatisering til testrommet kan alle heve stressnivået av dyrene, forårsaker tvetydige testresultater. Videre bør endrede testmiljøer, for eksempel inkonsekvente presentasjoner av asymmetriske objekter på hver økt, plassering av hjemmebur i nærheten av den eksperimentelle arenaen, eller bytte olfaktorisk signatur av eksperimentereren, vurderes nøye for å unngå flere faktorer. På scenen for dataanalyse kan vurderinger fra flere eksperimenterere bidra til økte variasjoner i atferdsresultatene på grunn av ulike kriterier for gnagereksplorativ atferd eller stoppeklokkebruk. Samlet bør disse aspektene også holdes i tankene for vellykket gjennomføring av NL,NO og PS-testene.
Hippocampus og parahippocampal regionen er kjent for å spille unike roller i minnebehandling23,24. Det er allment akseptert at romlig minne i stor grad avhenger av hippocampus, som lett kan vurderes av NL test23,24. På den annen side synes objektgjenkjenningsminne å involvere flere hjerneregioner, inkludert perirhinal cortex, insular cortex og ventromedial prefrontal cortex, i tillegg til hippocampus25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38. Pilokarpinebehandlede epileptiske mus har konsekvent vist atferdsmessige svekkelser i romlig minnetesting med omfattende hippocampal nevronal skade39,,40,,41,42, mens objektgjenkjenningsminnetester har gitt kontroversielle utfall, med variabel nevronal degenerasjon i parahippocampal hjerneregioner10,41,42,43,44. Disse dataene antyder at objektgjenkjenning kan kreve sofistikerte nettverkstilkoblinger blant flere hjerneregioner, i motsetning til romlig minne der hippocampus kan spille en sentral rolle. Når de spesifikke hippocampal-underfeltene vurderes nøye, er ca1- og CA3/dentate gyrus-regionene funnet å behandle forskjellig informasjon. Spesielt ca1 nevroner antas å være aktivert ved eksponering for lignende elementer, mens CA3 og dentate gyrus er involvert i diskriminerende lignende objekter23,45. I samsvar med denne hypotesen tyder nye bevis på at bulke nyfødte nevroner kan bidra til mønsterseparasjonsytelse45,46,47. Gitt at aberrant hippocampal neurogenesis kan induseres under epileptogenese10,kan epileptiske mus vise nedsatt ytelse i diskriminerende analoge opplevelser på grunn av forstyrret integrering av nyfødte nevroner i kronisk epilepsi.
Til slutt beskriver vi hvordan man evaluerer hukommelsessvikt hos epileptiske mus. Spesielt tilbyr vi eksperimentelle protokoller for tre atferdstester, NL, NO og PS-tester, som tester minne for steder, objekter og sammenhenger, henholdsvis. Blant de mange kognitive testparadigmene som er tilgjengelige for mus, er NL-, NO- og PS-testene ganske enkle, korte analyser som minimalt stresser dyrene, noe som gjør dem optimale for å evaluere minnefunksjonen hos epileptiske dyr uten å utløse tilbakevendende anfall.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Vi takker dr. Jae-Min Lee for hans tekniske støtte. Dette arbeidet ble støttet av National Research Foundation of Korea (NRF) tilskudd finansiert av den koreanske regjeringen (NRF-2019R1A2C1003958, NRF-2019K2A9A2A08000167).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 1 ml syringe | Sung-shim | Use with the 26 or 30 gauge needle | |
| 70% Ethanol | Duksan | UN1170 | Spray to clean the box and objects |
| black curtain | For avoiding unnecessary visual cues | ||
| Cresyl violet | Sigma | C5042 | For Cresyl violet staining |
| cryotome | Leica | E21040041 | For tissue sectioning |
| double-sided sticky tape | For the firm placement of the objects | ||
| DPX mounting medium | Sigma | 06522 | |
| ethanol series | Duksan | UN1170 | Make 100%, 95%, 90%, 80%, 70% ethanol solutions |
| floor plate with narrow grid patterns | Leehyo-bio | Behavioral experiment equipment, plate size: 42.5 x 42.5 x 0.5 cm, grid size: 2.75 x 2.75 cm | |
| floor plate with wide grid patterns | Leehyo-bio | Behavioral experiment equipment, plate size: 42.5 x 42.5 x 0.5 cm, grid size: 5.5 x 5.5 cm | |
| illuminometer | TES Electrical Electronic Corp. | 1334A | For the measurement of the room lighting (60 Lux) |
| Intensive care unit | Thermocare | #W-1 | |
| ketamine hydrochloride | Yuhan | 7003 | Use to anesthetize the mouse for transcardial perfusion |
| LED lamp | Lungo | P13A-0422-WW-04 | Lighting for the behavioral test room |
| objects | Rubber doll, 50 ml plastic tube, glass Coplin jar, plastic T-flask, glass bottle | ||
| open field box | Leehyo-bio | Behavioral experiment equipment, size: 44 x 44 x 31 cm | |
| paper towel | Yuhan-Kimberly | 47201 | Use to dry open field box and objects |
| paraformaldehyde | Merck Millipore | 104005 | Make 4% solution |
| pilocarpine hydrochloride | Sigma | P6503 | |
| ruler | Use to locate the objects in the open field box | ||
| scopolamine methyl nitrate | Sigma | S2250 | Make 10X stock |
| Smart system 3.0 | Panlab | Video tracking system | |
| stopwatch | Junso | JS-307 | For the measurement of explorative activities of mice |
| sucrose | Sigma | S9378 | For cryoprotection of tissue sections |
| terbutaline hemisulfate salt | Sigma | T2528 | Make 10X stock |
| video camera (CCD camera) | Vision | VCE56HQ-12 | Place the camera directly overhead of the open field box |
| xylazine (Rompun) | Bayer korea | KR10381 | Use to anesthetize the mouse for transcardial perfusion |
| xylene | Duksan | UN1307 | For Cresyl violet staining |
References
- Chang, B. S., Lowenstein, D. H. Mechanisms of disease - Epilepsy. New England Journal of Medicine. 349 (13), 1257-1266 (2003).
- Scharfman, H. E. The neurobiology of epilepsy. Current Neurology and Neuroscience Report. 7 (4), 348-354 (2007).
- Rakhade, S. N., Jensen, F. E. Epileptogenesis in the immature brain: emerging mechanisms. Nature Reviews in Neurology. 5 (7), 380-391 (2009).
- Breuer, L. E., et al. Cognitive deterioration in adult epilepsy: Does accelerated cognitive ageing exist. Neuroscience and Biobehavior Reviews. 64, 1-11 (2016).
- Leeman-Markowski, B. A., Schachter, S. C. Treatment of Cognitive Deficits in Epilepsy. Neurology Clinics. 34 (1), 183-204 (2016).
- Helmstaedter, C., Elger, C. E. Chronic temporal lobe epilepsy: a neurodevelopmental or progressively dementing disease. Brain. 132, Pt 10 2822-2830 (2009).
- Groticke, I., Hoffmann, K., Loscher, W. Behavioral alterations in the pilocarpine model of temporal lobe epilepsy in mice. Experimental Neurology. 207 (2), 329-349 (2007).
- Long, Q., et al. Intranasal MSC-derived A1-exosomes ease inflammation, and prevent abnormal neurogenesis and memory dysfunction after status epilepticus. Proceedings of the National Academy of Science U. S. A. 114 (17), 3536-3545 (2017).
- Lima, I. V. A., et al. Postictal alterations induced by intrahippocampal injection of pilocarpine in C57BL/6 mice. Epilepsy & Behavior. 64, Pt A 83-89 (2016).
- Cho, K. O., et al. Aberrant hippocampal neurogenesis contributes to epilepsy and associated cognitive decline. Nature Communication. 6, 6606 (2015).
- Zhou, Q., et al. Adenosine A1 Receptors Play an Important Protective Role Against Cognitive Impairment and Long-Term Potentiation Inhibition in a Pentylenetetrazol Mouse Model of Epilepsy. Molecular Neurobiology. 55 (4), 3316-3327 (2018).
- Jiang, Y., et al. Ketogenic diet attenuates spatial and item memory impairment in pentylenetetrazol-kindled rats. Brain Research. 1646, 451-458 (2016).
- Zhuo, J. M., et al. Young adult born neurons enhance hippocampal dependent performance via influences on bilateral networks. Elife. 5, 22429 (2016).
- Kim, J. E., Cho, K. O. The Pilocarpine Model of Temporal Lobe Epilepsy and EEG Monitoring Using Radiotelemetry System in Mice. Journal of Visualized Experiments. (132), e56831 (2018).
- Gage, G. J., Kipke, D. R., Shain, W. Whole animal perfusion fixation for rodents. Journal of Visualized Experiments. (65), e3564 (2012).
- Muller, C. J., Groticke, I., Bankstahl, M., Loscher, W. Behavioral and cognitive alterations, spontaneous seizures, and neuropathology developing after a pilocarpine-induced status epilepticus in C57BL/6 mice. Experimental Neurology. 219 (1), 284-297 (2009).
- Brandt, C., Gastens, A. M., Sun, M., Hausknecht, M., Loscher, W. Treatment with valproate after status epilepticus: effect on neuronal damage, epileptogenesis, and behavioral alterations in rats. Neuropharmacology. 51 (4), 789-804 (2006).
- Wolf, A., Bauer, B., Abner, E. L., Ashkenazy-Frolinger, T., Hartz, A. M. A Comprehensive Behavioral Test Battery to Assess Learning and Memory in 129S6/Tg2576 Mice. PLoS One. 11 (1), 0147733 (2016).
- Lueptow, L. M. Novel Object Recognition Test for the Investigation of Learning and Memory in Mice. Journal of Visualized Experiments. (126), e55718 (2017).
- Antunes, M., Biala, G. The novel object recognition memory: neurobiology, test procedure, and its modifications. Cognitive Processing. 13 (2), 93-110 (2012).
- van Goethem, N. P., van Hagen, B. T. J., Prickaerts, J. Assessing spatial pattern separation in rodents using the object pattern separation task. Nature Protocols. 13 (8), 1763-1792 (2018).
- Leger, M., et al. Object recognition test in mice. Nature Protocols. 8 (12), 2531-2537 (2013).
- Moscovitch, M., Cabeza, R., Winocur, G., Nadel, L. Episodic Memory and Beyond: The Hippocampus and Neocortex in Transformation. Annual Reviews in Psychology. 67, 105-134 (2016).
- Eichenbaum, H. A cortical-hippocampal system for declarative memory. Nature Reviews Neuroscience. 1 (1), 41-50 (2000).
- Brown, M. W., Aggleton, J. P. Recognition memory: What are the roles of the perirhinal cortex and hippocampus. Nature Reviews Neuroscience. 2 (1), 51-61 (2001).
- Winters, B. D., Forwood, S. E., Cowell, R. A., Saksida, L. M., Bussey, T. J. Double dissociation between the effects of peri-postrhinal cortex and hippocampal lesions on tests of object recognition and spatial memory: Heterogeneity of function within the temporal lobe. Journal of Neuroscience. 24 (26), 5901-5908 (2004).
- Winters, B. D., Bussey, T. J. Transient inactivation of perirhinal cortex disrupts encoding, retrieval, and consolidation of object recognition memory. Journal of Neuroscience. 25 (1), 52-61 (2005).
- Bermudez-Rattoni, F., Okuda, S., Roozendaal, B., McGaugh, J. L. Insular cortex is involved in consolidation of object recognition memory. Learning & Memory. 12 (5), 447-449 (2005).
- Akirav, I., Maroun, M. Ventromedial prefrontal cortex is obligatory for consolidation and reconsolidation of object recognition memory. Cerebral Cortex. 16 (12), 1759-1765 (2006).
- Cohen, S. J., Stackman, R. W. Assessing rodent hippocampal involvement in the novel object recognition task. A review. Behavior Brain Research. 285, 105-117 (2015).
- Cohen, S. J., et al. The Rodent Hippocampus Is Essential for Nonspatial Object Memory. Current Biology. 23 (17), 1685-1690 (2013).
- Broadbent, N. J., Gaskin, S., Squire, L. R., Clark, R. E. Object recognition memory and the rodent hippocampus. Learning and Memory. 17 (1), 5-11 (2010).
- Tuscher, J. J., Taxier, L. R., Fortress, A. M., Frick, K. M. Chemogenetic inactivation of the dorsal hippocampus and medial prefrontal cortex, individually and concurrently, impairs object recognition and spatial memory consolidation in female mice. Neurobiology of Learning and Memory. 156, 103-116 (2018).
- de Lima, M. N., Luft, T., Roesler, R., Schroder, N. Temporary inactivation reveals an essential role of the dorsal hippocampus in consolidation of object recognition memory. Neuroscience Letters. 405 (1-2), 142-146 (2006).
- Hammond, R. S., Tull, L. E., Stackman, R. W. On the delay-dependent involvement of the hippocampus in object recognition memory. Neurobiology of Learning and Memory. 82 (1), 26-34 (2004).
- Clark, R. E., Zola, S. M., Squire, L. R. Impaired recognition memory in rats after damage to the hippocampus. Journal of Neuroscience. 20 (23), 8853-8860 (2000).
- Stackman, R. W., Cohen, S. J., Lora, J. C., Rios, L. M. Temporary inactivation reveals that the CA1 region of the mouse dorsal hippocampus plays an equivalent role in the retrieval of long-term object memory and spatial memory. Neurobiology of Learning and Memory. 133, 118-128 (2016).
- Mumby, D. G., Gaskin, S., Glenn, M. J., Schramek, T. E., Lehmann, H. Hippocampal damage and exploratory preferences in rats: memory for objects, places, and contexts. Learning & Memory. 9 (2), 49-57 (2002).
- Jeong, K. H., Lee, K. E., Kim, S. Y., Cho, K. O. Upregulation of Kruppel-Like Factor 6 in the Mouse Hippocampus after Pilocarpine-Induced Status Epilepticus. Neuroscience. 186, 170-178 (2011).
- Kim, J. E., Cho, K. O. The Pilocarpine Model of Temporal Lobe Epilepsy and EEG Monitoring Using Radiotelemetry System in Mice. Journal of Visualized Experiments. (132), e56831 (2018).
- Jiang, Y., et al. Abnormal hippocampal functional network and related memory impairment in pilocarpine-treated rats. Epilepsia. 59 (9), 1785-1795 (2018).
- Wang, L., Liu, Y. H., Huang, Y. G., Chen, L. W. Time-course of neuronal death in the mouse pilocarpine model of chronic epilepsy using Fluoro-Jade C staining. Brain Research. 1241, 157-167 (2008).
- Detour, J., Schroeder, H., Desor, D., Nehlig, A. A 5-month period of epilepsy impairs spatial memory, decreases anxiety, but spares object recognition in the lithium-pilocarpine model in adult rats. Epilepsia. 46 (4), 499-508 (2005).
- Benini, R., Longo, D., Biagini, G., Avoli, M. Perirhinal Cortex Hyperexcitability in Pilocarpine-Treated Epileptic Rats. Hippocampus. 21 (7), 702-713 (2011).
- Yassa, M. A., Stark, C. E. Pattern separation in the hippocampus. Trends in Neurosciences. 34 (10), 515-525 (2011).
- Goncalves, J. T., Schafer, S. T., Gage, F. H. Adult Neurogenesis in the Hippocampus: From Stem Cells to Behavior. Cell. 167 (4), 897-914 (2016).
- Sahay, A., et al. Increasing adult hippocampal neurogenesis is sufficient to improve pattern separation. Nature. 472 (7344), 466-539 (2011).
