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第四節 基于創傷后應激障礙行為學相關的動物實驗模型

一、概述
心理社會因素對人類的健康和疾病有重要作用,這些因素不是由于負性刺激直接作用于軀體,而是通過個體對這些刺激的認知評估來影響健康。然而并不是所有暴露于社會心理應激的個體都會產生疾病,負性刺激或應激源對個體的影響,取決于個體對這些處境的應付,成功的應付依賴于對應激的可控性和可預測性,有利于機體維持內環境的穩定,當個體對應激應付失敗時,健康將受到威脅。研究應付方式的生物學基礎,有助于理解個體差異在應激相關障礙中的作用,指導臨床對應激相關的精神問題開展有針對性的預防和治療。然而,由于對人類活體研究存在技術上和倫理上的限制,目前對創傷后應激障礙的生物學機制仍知之甚少。因此,建立合適的動物模型來研究個體應付的差異及對健康的影響,是現代生物醫藥學研究的一個挑戰,為研究創傷后應激障礙的神經生物學機制提供了有益的嘗試。
二、海馬驚厥閾下電刺激動物模型
海馬結構屬古皮質,是邊緣系統的重要組成部分;海馬與丘腦前核群、板內核群、下丘腦、乳頭丘腦束、扣帶等組成的環路是調節行為、學習和記憶、情緒反應的重要神經解剖學基礎。為此,本模型用6~7周齡雄性Wistar大鼠,以海馬CA1區為誘發部位,通過重復電刺激。一方面要求所施電刺激既可誘發海馬AD,以最大限度地引發實驗動物情感行為異常;同時又使其持續時間限制在10秒內,以盡可能減少實驗中可能出現的驚厥行為及其他影響因素。另一方面,一定數量的電刺激累積對產生明顯、持續的情感行為障礙至關重要。
1.建模方法
選擇6~7周齡的雄性Wistar大鼠,在12小時光亮/黑暗條件、22~25℃環境溫度下分隔喂養,隨后隨機分為三組,分別為海馬閾下電刺激組、海馬電極埋植對照組和正常對照組。首先對海馬閾下電刺激組和海馬電極埋植對照組進行電極埋植與固定。將大鼠通過2%戊巴比妥鈉腹腔麻醉后固定于立體定向儀上,暴露其顱頂骨。利用臺式牙科電鉆鉆透顱骨,根據Pllegrino大鼠腦圖譜確定海馬CA1區電極埋植部位:門齒高于耳桿平面3mm,前囟后4.5mm,旁開5.0mm,硬腦膜下5.5mm。通過牙科水門汀固定電極。術后觀察半小時,動物恢復正?;顒雍蠓呕仫曫B籠內,飼養7天后開始放電實驗。以40μA電流強度起步,每分鐘刺激1次,每次增加20μA,直至海馬后放電出現為止,同時記錄其持續時間。選擇閾值低于250μA的大鼠作為研究對象。然后通過波寬1毫秒、頻率25Hz、串長10秒、刺激強度100μA的恒定單向電流,每天刺激大鼠8次,間隔7分鐘,連續刺激7天。
2.觀察指標
在電刺激結束后的1天、1周及1個月時觀察動物情感行為的改變。
(1)驚嚇反應:
觀察動物接受反復、短暫(1~2秒)的高頻金屬音刺激后行為習性、自主活動及適應能力的變化。普通對照組和海馬電極對照組大鼠面對短暫高頻金屬音刺激時,出現1~3秒輕微驚嚇反射,重復3次以上便很快適應;海馬閾下電刺激組在電刺激結束1個月內,面對同樣的高頻金屬音刺激時出現明顯的驚嚇反應,表現出全身性驚嚇反射、反應持續時間長、幅度增大,并出現埋頭、趨暗、打洞等多種逃避性焦慮樣行為,同時對刺激的適應時間明顯延長,反復刺激6~10次后仍有較明顯的驚嚇反應。
(2)曠場活動性:
曠場行為觀察箱為60cm×60cm×60cm的無頂木盒,箱底用墨線分成36個相等的方格。將大鼠輕輕放入觀察箱的中間小方格內,觀察30秒內動物的活動情況。大鼠1/2以上身體從所在方格進入相鄰方格計1分,后肢性站立計1分,兩者相加為其總分。在電刺激結束1個月內,電刺激組比對照組表現出更為明顯的曠場活動性減少。如表8-1。
表8-1 大鼠曠場活動性改變
海馬閾下電刺激組在電刺激停止后1天和1周后的檢測得分與海馬電擊對照組和正常對照組的檢測得分比較, P<0.01;停止后1月后檢測得分比較, P<0.05。(王慶松等,大鼠海馬驚厥閾下電刺激PTSD模型的建立)
(3)拒俘反應性:以動物從未接觸過的手套輕抓大鼠,觀察其反應。在情感行為觀察中,在電刺激結束1個月內,電刺激組比對照組表現出拒俘反應性顯著增強行為。如表8-2。
表8-2 大鼠拒俘反應性改變
海馬閾下電刺激組在電刺激停止后1天、1周和1月后的檢測得分與海馬電擊對照組和正常對照組的檢測得分比較, P<0.01。(王慶松等,大鼠海馬驚厥閾下電刺激PTSD模型的建立)
3.模型分析
此模型以海馬CA1區為誘發部位,通過重復電刺激,誘發與創傷后應激障礙臨床表現相似的情感行為障礙。實驗中,要求所施電刺激既要誘發海馬后放電,以最大限度引發實驗動物情感行為異常,同時又要控制其持續時間和強度在一定范圍內,以減少實驗中可能出現的驚厥行為和其他影響因素。另外,一定數量的電刺激積累對產生明顯、持續的情感行為障礙非常重要。此模型通過對電刺激波寬、頻率、串長、強度、刺激間隔時間以及刺激總次數進行相應調整,確立了符合要求的電刺激參數,成功誘發了實驗動物明顯的、較長時程的活動習性改變、警覺水平過高、驚恐行為、環境適應能力下降、躲藏逃避反應等多種與創傷后應激障礙相似的精神、行為障礙表現。顯示該模型穩定性好、誘發率高、效應持久、對動物損害小、可基本再現創傷后應激障礙主要臨床表現,不失為進一步研究創傷后應激障礙致病機制的較理想的動物實驗模型,同時模型也揭示出海馬等中皮質邊緣區神經元在創傷后應激障礙發生發展過程中可能具有重要意義。
三、糖皮質激素模型
糖皮質激素在創傷后應激障礙中表現出的作用,可通過增加糖皮質激素氫化可的松使得小鼠表現出創傷后應激障礙癥狀。糖皮質激素模型是建立在應激理論基礎上的。研究發現,外源性的應激會促使體內糖皮質激素的釋放,長期應激引起的高糖皮質激素水平會損傷海馬等特定腦區,進而引發創傷后應激障礙。該模型通過人為增加機體糖皮質激素的水平,模擬行為誘導的生物學變化。
1.建模方法
選擇18只雄性小鼠,適應環境7天后,分籠飼養,稱重后隨機分為3組,包括模型組、生理鹽水對照組和空白對照組。模型組的小鼠每天白天的隨機時間,根據20mg/kg的劑量進行腹腔注射4mg/ml的皮質酮混懸液;生理鹽水對照組小鼠每天注入相同劑量的生理鹽水;空白對照組正常喂養,不做任何處理。整個處理過程持續21天。21天后,通過曠場試驗和蔗糖消耗測試評價糖皮質激素模型,以檢測模型小鼠的特征癥狀、焦慮行為學和賞罰行為學的改變,如圖8-11。
圖8-11 糖皮質激素模型
將小鼠分為注射皮質酮的模型組、注射生理鹽水的對照組和正常飼養的空白對照組,持續21天后利用曠場試驗和蔗糖消耗試驗檢測小鼠的行為學改變
2.觀察指標
建模結束后,在糖水消耗試驗中,生理鹽水對照組和空白對照組的糖水偏愛百分比無明顯差異,但模型組的小鼠的糖水偏愛百分比明顯降低。在行為學曠場試驗中,生理鹽水對照組和空白對照組的水平運動得分和直立次數無明顯變化,而模型組小鼠的水平運動得分及直立次數明顯降低。同時體重分析顯示模型組小鼠的體重明顯較低,而生理鹽水對照組和空白對照組體重增長正常。
3.模型分析
通過注射皮質酮制造應激障礙小鼠模型屬于藥物誘導模型,皮質酮是鼠類分泌的主要的糖皮質激素。糖皮質激素在體內的水平受到HPA軸的調節,同時通過與海馬和HPA軸上的糖皮質激素受體結合,對HPA軸的活性產生負反饋調節。通過外源性注入糖皮質激素,導致小鼠體內糖皮質激素水平的紊亂,進而引起體內HPA軸負反饋調節機制的破壞和海馬損傷,通過蔗糖消耗模型和曠場試驗證實模型小鼠產生類似創傷后應激障礙癥狀,該模型也許無法復制出創傷后應激障礙的所有癥狀,但作為研究創傷后應激障礙的工具,適用于研究創傷后應激障礙發生機制和治療手段。通過注射皮質酮建立糖皮質激素模型需注意給藥時間的隨機性,避免糖皮質激素水平在小鼠體內的變化出現規律性,形成新的反饋機制而導致建模失敗。
四、腦啡肽基因敲除模型
在當前的研究中,人們發現創傷后應激障礙的產生似乎與類鴉片物質系統有關。當外界壓力再現的時候,創傷后應激障礙患者表現出增強的內源性類鴉片物質介導和壓力誘導的疼痛缺失現象,而疼痛機制與創傷后應激障礙癥狀相關,特別是恐懼調控。腦啡肽是一種類鴉片物質,在前腦啡肽原敲除小鼠的研究中,發現它們相對野生型小鼠表現出焦慮行為和脅迫反應增強,攻擊性提高等特征,充分符合創傷后應激障礙類癥狀。
1.建模方法
選擇16只野生型小鼠和16只前腦啡肽原敲除的雄性小鼠,在實驗前所有小鼠體重25~35g,室內分籠飼養,每只籠子5只。飼養房間保證黑暗與光照的時間為1∶1,其中光照時間為6:00~18:00,室溫22℃,保證食物與飲水的充分供給。模型構建開始第1天,對7只野生型小鼠和7只前腦啡肽原敲除小鼠給予足底電擊,電流強度3mA,持續10秒,另外9只野生型和基因敲除小鼠正常飼養作為對照。在第2、7和13天,所有小鼠被暴露于應激刺激喚醒空間,該空間與足底電擊空間相似,但不通電,每天暴露1分鐘。在應激刺激喚醒試驗后,對所有小鼠記錄僵化行為表現。在第14天,對所有小鼠進行曠場測試,高架迷宮測試,光暗測試和強迫游泳測試,以檢測小鼠的特征行為,探索能力和焦慮情緒的變化。
2.觀測指標
在暴露應激原后的僵化行為測試中,前腦啡肽原敲除小鼠比野生型小鼠表現出更強的僵化反應。在高架迷宮測試中,基因敲除小鼠比野生型小鼠花費更長的時間到達中間點,在足底電擊后,兩者都表現出到達中間點時間延長和進入開放臂次數減少的特點。在光暗測試中,基因敲除小鼠與野生型小鼠相比,在進入暗箱的時間上并未顯示出明顯差異。在曠場試驗中,基因敲除小鼠進入中間區域的次數更少,而足底電擊能進一步的降低其次數,而且基因敲除小鼠在中央區域滯留時間也比野生型小鼠短。在強迫游泳測試中,野生型和基因敲除小鼠在漂浮時間和游泳時間方面沒有明顯差異,但野生型小鼠在掙扎時間上明顯長于基因敲除小鼠,而足底電擊對前兩者影響明顯,對于后者幾乎無影響。
3.模型分析
通過僵化試驗和四種行為學檢測手段,可以發現隨著前腦啡肽原基因的敲除,小鼠缺乏腦啡肽的存在,進而表現出一系列類似創傷后應激障礙癥狀。故前腦啡肽原敲除小鼠可作為創傷后應激障礙癥狀研究的相關動物模型,進一步研究創傷后應激障礙的機制與治療手段。
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