Generere akutte og kroniske eksperimentelle modeller av motorisk tic uttrykk hos rotter
Summary
Vi presenterer protokoller for å generere akutte og kroniske eksperimentelle modeller av tic expression i fritt oppføre rotter. Modellene er basert på striatal kanyleimplantasjon og påfølgende GABAA antagonistapplikasjon. Den akutte modellen bruker forbigående injeksjoner mens den kroniske modellen bruker langvarige infusjoner via en subkutan implantert mini-osmotisk pumpe.
Abstract
Motoriske tics er plutselige, raske, tilbakevendende bevegelser som er de viktigste symptomene på Tourettes syndrom og andre tic lidelser. Patofysiologien til tic generation er forbundet med unormal hemming av basal ganglia, spesielt den primære inngangsstrukturen, striatum. I dyremodeller av både gnagere og ikke-menneskelige primater induserer lokal anvendelse av GABA A-antagonister, som bicuculline og picrotoxin, inn i motordelene av striatum lokal disinhibition som resulterer i uttrykk for motoriske tics.
Her presenterer vi akutte og kroniske modeller av motoriske tics hos rotter. I den akutte modellen fremkaller bicuculline mikroinjeksjoner gjennom en kanyle implantert i dorsal striatum uttrykket av tics som varer i korte tidsperioder på opptil en time. Den kroniske modellen er et alternativ som muliggjør forlengelse av tic uttrykk til perioder på flere dager eller til og med uker, ved hjelp av kontinuerlig infusjon av bicuculline via en sub-kutan mini-osmotisk pumpe.
Modellene muliggjør studiet av adferds- og nevrale mekanismer for tic-generasjon gjennom cortico-basal ganglia-banen. Modellene støtter implantasjon av ekstra opptaks- og stimuleringsenheter i tillegg til injeksjonskanylene, og tillater dermed et bredt spekter av bruksområder som elektrisk og optisk stimulering og elektrofysiologiske opptak. Hver metode har forskjellige fordeler og mangler: Den akutte modellen muliggjør sammenligning av bevegelsens kinematiske egenskaper og de tilsvarende elektrofysiologiske endringene før, under og etter tic expression og effekten av kortsiktige modulatorer på tic expression. Denne akutte modellen er enkel å etablere; Det er imidlertid begrenset til en kort periode. Den kroniske modellen, mens den er mer kompleks, gjør det mulig å studere tic dynamics og atferdseffekter på tic expression over lengre perioder. Dermed driver typen empirisk spørring valget mellom disse to komplementære modellene av tic expression.
Introduction
Tics er det definerende symptomet på Tourettes syndrom (TS) og andre tic lidelser. Tics beskrives som plutselige, raske, tilbakevendende bevegelser (motoriske tics) eller vokaliseringer (vokal tics)1. Tic uttrykk svinger vanligvis i sin tidsmessige (frekvens)2 og romlige (intensitet, kroppsplassering)3 egenskaper over flere tidsskalaer (timer, dager, måneder og år). Disse endringene påvirkes av ulike faktorer, for eksempel miljøfunksjoner4,5, virkemåte6,7og frivillig og midlertidig undertrykking8.
Selv om nevronmekanismen som styrer motoriske tics fortsatt ikke er fullt ut forstått, har et økende antall teoretiske og eksperimentelle studier gitt nye bevis på sin natur9. For tiden antas patofysiologien til tic-generasjonen å involvere cortico-basal ganglia (CBG) -løkken, og er spesielt forbundet med unormal hemming av striatum, den primære basale ganglia inngangskjernen10,11,12. Tidligere studier hos gnagere og primater har vist at striatum kan disinhibited ved lokal anvendelse av forskjellige GABAA antagonister, som bicuculline og picrotoxin13,14,15,16,17,18. Denne farmakologiske intervensjonen fører til forbigående motorisk tic uttrykk i den kontralaterale siden til injeksjonen, og dermed etablere en robust akutt modell av tic lidelser med ansikt og konstruere gyldighet. Den akutte modellen er enkel å indusere og gjør det mulig å studere effekten av kortsiktig modulasjon som elektrisk og optisk stimulering samtidig med elektrofysiologiske og kinematiske opptak før, under og etter tic expression. Den akutte modellen er imidlertid begrenset til den korte tidsperioden etter injeksjonen. Basert på den akutte modellen foreslo vi nylig en kronisk modell av tic-generasjon hos rotter som bruker en langvarig, fast infusjon av bicuculline til striatum via en subkutan-implantert mini-osmotisk pumpe19. Denne modellen utvider perioden med tic expression til flere dager/uker. Den konstante frigjøringen av bicuculline over en lengre periode tillater undersøkelse av effekten av en rekke faktorer som farmakologiske behandlinger og atferdstilstander på tic expression.
Her presenterer vi protokoller for å generere de akutte og kroniske modellene av tic expression hos rotter. Som en funksjon av det spesifikke forskningsspørsmålet muliggjør protokollene finjustering av parametrene, inkludert ensidig kontra bilateral implantasjon, ticsstedet (i henhold til den somatotopiske organiseringen av striatum)18 og vinkelen på implantatkanylen (avhengig av plasseringen av ytterligere implanterte enheter). Metoden som brukes i den kroniske modellen er delvis basert på kommersielle produkter, men med kritiske justeringer for å passe til tic-modellen. Denne artikkelen beskriver justeringene som trengs for å skreddersy disse tic-modellene.
Protocol
Representative Results
Discussion
I dette manuskriptet detaljerte vi protokollene til de akutte og kroniske modellene for tisk induksjon i en fritt oppførende rotte. Disse protokollene beskriver utarbeidelsen av alle komponenter, operasjonen og den eksperimentelle prosessen som kan tilpasses for tilpasning for å møte spesifikke forskningsbehov. Hovedprinsippet som ligger til grunn for disse modellene er direkte lokal anvendelse av bicuculline til motorområdene i striatum, som er kjent for å spille en nøkkelrolle i patofysiologien til tic lidelser<s…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne studien ble delvis støttet av et Israel Science Foundation (ISF)-stipend (297/18). Forfatterne takker M. Bronfeld for å ha etablert den akutte gnagermodellen og M. Israelashvili for hennes kommentarer.
Materials
| Anchor screws | Micro Fasteners | SMPPS0002 | #0 x 1/8 – Pan Head Sheet Metal Screws |
| Bicuculline methiodide | Sigma Aldrich | 14343 | |
| Cyanoacrylate (CA) accelerator | Zap | PT29 | |
| Cyanoacrylate (CA) glue | BSI | IC-2000 | This glue was found to be stronger than others |
| Dental cement | Coltene | H00322 | Hygenic Perm Repair Material Reline Resin Self Cure |
| Glue gel | Loctite | Ultra Gel Control | |
| Hemostat | WPI | 501242 | Any hemostat sized approximately 14 cm would be sufficient |
| Hypo-tube, extra-thin wall 25G | Component supply company | HTX-25X | |
| Hypo-tube, regular wall 22G | Component supply company | HTX-22R | |
| Hypo-tube, regular wall 30G | Component supply company | HTX-30R | |
| Infusion pump machine | New Era Pump Systems | NE-1000 | |
| Mini-osmotic pump | ALZET | 2001 | 1.0µl per hour, 7 days |
| PE compatible adhesive | CEYS | Special difficult plastics (suitable for PE) | |
| PE-10 Catheter Tubing | ALZET | PE-10 | ID = 0.28mm, OD = 0.61mm |
| Precision glass microsyringe, 10µl | Hamilton | 80065 | 1701 RNR 10µl syr (22s/51/3) |
| Tissue adhesive | 3M | 1469Sb | Vetbond |
| Tubing-adapter | CMA | 3409500 | |
| Tygon micro bore tubing, 0.02 inch ID * 0.06 OD | Component supply company | TND80-020 | |
| Wire 0.005-inch | Component supply company | GWX-0050 | |
| Wire 0.013-inch | Component supply company | GWX-0130 |
References
- American Psychiatric Association. DSM-5. American Psychiatric Association. , (2013).
- Peterson, B. S., Leckman, J. F. The temporal dynamics of tics in Gilles de la Tourette syndrome. Biol.Psychiatry. 44, 1337-1348 (1998).
- Ganos, C., et al. The somatotopy of tic inhibition: where and how much. Movement Disorders. , (2015).
- Barnea, M., et al. Subjective versus objective measures of tic severity in Tourette syndrome – The influence of environment. Psychiatry Research. 242, 204-209 (2016).
- Silva, R. R., Munoz, D. M., Barickman, J., Friedhoff, A. J. Environmental Factors and Related Fluctuation of Symptoms in Children and Adolescents with Tourette’s Disorder. Journal of Child Psychology and Psychiatry. 36 (2), 305-312 (1995).
- Rothenberger, A., et al. Sleep and Tourette syndrome. Advances in Neurology. 85, 245-259 (2001).
- Conelea, C. a., Woods, D. W., Brandt, B. C. The impact of a stress induction task on tic frequencies in youth with Tourette Syndrome. Behaviour Research and Therapy. 49 (8), 492-497 (2011).
- Ganos, C., Rothwell, J., Haggard, P. Voluntary inhibitory motor control over involuntary tic movements. Movement Disorders. 33 (6), 937-946 (2018).
- Yael, D., Vinner, E., Bar-Gad, I. Pathophysiology of tic disorders. Movement Disorders. 30 (9), 1171-1178 (2015).
- Kurvits, L., Martino, D., Ganos, C., Eddy, C. M. Clinical Features That Evoke the Concept of Disinhibition in Tourette Syndrome. Frontiers in Psychiatry. 11, 1-10 (2020).
- Mink, J. W. Basal ganglia dysfunction in Tourette’s syndrome: a new hypothesis. Pediatric Neurology. 25, 190-198 (2001).
- Bronfeld, M., Bar-Gad, I. Tic disorders: what happens in the basal ganglia. The Neuroscientist. 19 (1), 101-108 (2013).
- Tarsy, D., Pycock, C. J., Meldrum, B. S., Marsden, C. D. Focal contralateral myoclonus produced by inhibition of GABA action in the caudate nucleus of rats. Brain. 101 (1), 143-162 (1978).
- Crossman, A. R., Mitchell, I. J., Sambrook, M. A., Jackson, A. Chorea and Myoclonus in the Monkey Induced By Gamma-Aminobutyric Acid Antagonism in the Lentiform Complex. Brain. 111 (5), 1211-1233 (1988).
- McCairn, K. W., Bronfeld, M., Belelovsky, K., Bar-Gad, I. The neurophysiological correlates of motor tics following focal striatal disinhibition. Brain. 132 (8), 2125-2138 (2009).
- Worbe, Y., et al. Behavioral and movement disorders induced by local inhibitory dysfunction in primate striatum. Cerebral Cortex. 19 (8), 1844-1856 (2009).
- Pogorelov, V., Xu, M., Smith, H. R., Buchanan, G. F., Pittenger, C. Corticostriatal interactions in the generation of tic-like behaviors after local striatal disinhibition. Experimental Neurology. 265, 122-128 (2015).
- Bronfeld, M., Yael, D., Belelovsky, K., Bar-Gad, I. Motor tics evoked by striatal disinhibition in the rat. Frontiers in Systems Neuroscience. 7, 50 (2013).
- Vinner, E., Israelashvili, M., Bar-Gad, I. Prolonged striatal disinhibition as a chronic animal model of tic disorders. Journal of Neuroscience Methods. 292, 20-29 (2017).
- Paxinos, G., Watson, C. . The Rat Brain in Stereotaxic Coordinates. 6, (2007).
- Flecknell, P. Analgesia and Post-Operative Care. Laboratory Animal Anaesthesia. , (2016).
- Israelashvili, M., Bar-Gad, I. Corticostriatal divergent function in determining the temporal and spatial properties of motor tics. Journal of Neuroscience. 35 (50), 16340-16351 (2015).
- Bronfeld, M., Belelovsky, K., Bar-Gad, I. Spatial and temporal properties of tic-related neuronal activity in the cortico-basal ganglia loop. Journal of Neuroscience. 31 (24), 8713-8721 (2011).
- McCairn, K. W., et al. A Primary Role for Nucleus Accumbens and Related Limbic Network in Vocal Tics. Neuron. 89 (2), 300-307 (2016).
- Rizzo, F., et al. Aripiprazole Selectively Reduces Motor Tics in a Young Animal Model for Tourette’s Syndrome and Comorbid Attention Deficit and Hyperactivity Disorder. Frontiers in Neurology. 9, 1-11 (2018).
- Vinner, E., Matzner, A., Belelovsky, K., Bar-gad, I. Dissociation of tic expression from its neuronal encoding in the striatum during sleep. bioRxiv. , (2020).
- Webster, K. E. Cortico-striate interrelations in the albino rat. Journal of Anatomy. 95, 532-544 (1961).
- Ebrahimi, A., Pochet, R., Roger, M. Topographical organization of the projections from physiologically identified areas of the motor cortex to the striatum in the rat. Neuroscience Research. 14, 39-60 (1992).
- Brown, L. L., Sharp, F. R. Metabolic mapping of rat striatum: somatotopic organization of sensorimotor activity. Brain Research. 686, 207-222 (1995).
- Brown, L. L., Smith, D. M., Goldbloom, L. M. Organizing principles of cortical integration in the rat neostriatum: Corticostriate map of the body surface is an ordered lattice of curved laminae and radial points. Journal of Comparative Neurology. 392 (4), 468-488 (1998).
- Yael, D., Tahary, O., Gurovich, B., Belelovsky, K., Bar-Gad, I. Disinhibition of the nucleus accumbens leads to macro-scale hyperactivity consisting of micro-scale behavioral segments encoded by striatal activity. The Journal of Neuroscience. , 3120 (2019).
- Obeso, J. A., Rothwell, J. C., Marsden, C. D. The spectrum of cortical myoclonus. From focal reflex jerks to spontaneous motor epilepsy. Brain. 108, 124-193 (1985).
- Bronfeld, M., et al. Bicuculline-induced chorea manifests in focal rather than globalized abnormalities in the activation of the external and internal globus pallidus. Journal of Neurophysiology. 104 (6), 3261-3275 (2010).
