皮质脊髓束的大鼠单侧锥体束的神经可塑性诱导疗法的评估

摘要

皮质脊髓束的主要感觉运动束之一，可以单方面地损伤在啮齿类脑干为了测试神经可塑性诱导疗法的中枢神经系统。此手术（"锥体束"）和术后评估本协议描述。

摘要

皮质脊髓束（CST），可以完全在啮齿动物脑干的延髓金字塔单方面切断。 CST就是一个马达道具有用于在人中远端肌肉控制重视，并在较小程度上，在啮齿类动物。一个金字塔导致脊髓主要是脊髓导致短暂的电机残疾前肢的对侧的CST神经支配的损失单方面削减和持续灵巧的损失。皮质脊髓束的同侧预测是次要的。我们修订我们的手术方法，以增加损伤完整性的机会。我们描述术后护理。在蒙托亚楼梯颗粒达到测试与这里显示的水平梯试验赤字检测多达伤后8周。只检测瞬时在气缸饲养试验赤字。因此，气缸测试可能只适合于检测短期恢复。我们展示如何，电生理和解剖，可以评估病变和塑料的变化。我们还描述了如何分析跨中线萌到贫困地区从无恙CST纤维。它是具有挑战性的，以获得完整的> 90％的病变始终由于靠近基底动脉在延髓和生存率可低。另一种手术方法和行为测试在本协议中的描述。的锥体束模型是评估神经可塑性诱导治疗，其中损伤后增加完整纤维的发芽的良好工具。

引言

皮质脊髓束（CST）是一个主要的机动车道内，在人类的脊髓。损伤后脊髓损伤造成相当大的损失灵巧此道。 CST是细电机运动在人类，如数字移动和远端肌肉的控制尤为重要。还发现在啮齿类虽然脊髓内其解剖学位置是不同的，人类的和CST损伤较少禁用^1-4。

一种在体内 CST损伤模型涉及单侧锥体束，其中在腹侧脑干1棱锥被切断延髓到十字交叉（ 图1）。金字塔是在延髓的腹侧清晰的解剖特征，通过它的CST运行它decussates之前。在大鼠中，大多数纤维（约95％）交互对生在髓质的尾端和脊髓的背内侧部分此后找到。然而，approximat伊利10％decussated纤维在背外侧列中运行。纤维的剩余〜5％留不交叉同侧和旅行的腹内侧部分^5,6。锥体束后脊髓失去其从对侧CST直接输入（ 图1）。

该锥体束模式是针对未病变CST的完好纤维的反应测试，以治疗特别好。它允许可塑性横跨中线的完整纤维在脊髓，其支配神经支配区和发芽的评估。皮质脊髓束已经观察到在脊髓损伤模型相当发芽并介导尤其前肢恢复^7-10。一个可能的治疗目的是加强这方面的前肢恢复。一疗法的功效可与行为评估，所述未病变道的解剖追踪的技术和终端电生理实验^-3,11,12-进行测试。

相比，脊椎损伤的大多数其他临床前模型的优点在于，它特别影响一个道相对于其他脊椎损伤往往影响多个束。在一个明确的，肤浅的解剖位置只有一个道被损伤。另一个优点是，锥体束是一个可再现的损伤模型。它是一个合适的在体内的资源为研究人员测试潜在神经可塑性诱导疗法，在受伤或影响电机系统^13,14病症之后恢复运动功能，其目的的效果。

研究方案

伦理学声明:所有的程序均符合由英国内政部的指导方针和动物（科学程序）1986年法令。

1.手术和伤害

注意:使用大鼠于220 g重的可以帮助术后恢复，如果医生发现的动物往往失去自己的术前体重的10％以上。

1. 手术前，测试动物的前爪偏好与缸饲养试验¹⁵或蒙托亚staicase测试^24。最好，切金字塔/科委对应的主导前爪。
   注:对于前两天手术，将以下物品放入笼子，让老鼠熟悉，这将是从手术中恢复过程中有益的食物:水凝胶包，湿捣烂，和高热量的食物补充剂。可以从不同的供应商，这些食品补充剂无菌版本。
2. 麻醉女L存器罩住大鼠（诱导和维持5％1〜2％）中的氧，用异氟烷（在200和250g体重）（流速:1.5升/分钟）。注:麻醉剂的选择是很重要的。吸入麻醉剂允许更快调节麻醉深度大于氯胺酮，这也是常用的。异氟烷允许更好地控制呼吸频率和深度。麻醉剂的选择是异氟醚。注意:使用大鼠于220 g重的可以帮助术后恢复，如果医生发现的动物往往失去自己的术前体重的10％以上。
3. 辖卡洛芬皮下作为镇痛时将动物麻醉，以减轻炎症和提供镇痛。注:卡洛芬是在锥体束术根据我们的兽医的意见，给出我们的实验室。在手术过程中的阿片类药物可能会导致进一步的呼吸抑制。
4. 使用家庭手术过程中保持这些动物在37℃下吸热层系统和直肠温度探头。
5. 确认完全麻醉通过检查的爪子掐撤回反射和瞬目反射。
   注:可选:为了对抗期间手术，气管插管和通风呼吸问题可能是可行的。然而，要在手术过程中被移位记住，气管的需要。
6. 一旦麻醉，将大鼠在仰卧位，剃腹侧颈部和用1％的氯己定擦拭和/或酒精擦拭消毒它。应用无菌手术毯在动物和保持区域无菌在任何时候。
7. 一旦麻醉，将大鼠在仰卧位，剃腹侧颈部和用1％的氯己定和酒精擦拭消毒它。应用无菌手术毯在动物和保持区域无菌在任何时候。
   注意:任选的是，老鼠的头部可在手术过程中被固定在仰卧位置的立体框架来禁用头部， 即流动性枕骨。
8. 使从下巴一个2至3厘米长的中线切口，以使用无菌手术刀（＃10）胸骨几乎喙端。可选，适用于小斗牛犬夹收回皮肤。
9. 钝解剖组织的上层，如腺（ 如颌下腺和腮腺）和肌肉使用反向动作与钝剪刀和齿钳覆盖气管。始终保持对中线。该组织应该很容易分开。
10. 一旦气管露出，取代它向一侧。中线是两个白色的脂肪垫下方可见，标志着中线的喙结束。
11. 喙的白色脂肪垫，钝解剖组织，直到头骨（的basioccipital骨）的腹面为止。
12. 插入长齿拉钩（齿长度5.5毫米或16毫米）至保持移位到一侧（最多1厘米）的气管和头骨基部露出。气管位移OB结构呼吸。
    注:对于一些动物，松开拉钩在多次手术中去除应变的气管， 例如 2分钟，每隔10分钟。钩拉钩可使用的长齿拉钩代替，以减少位移的应变。
13. 仔细烧灼小可见血管的喙去年底对喉部，避免出血。
    注意:为了防止烧灼喉返神经血管精心拉离组织壁他们烧灼之前。
14. 调整显微镜的手术的其余部分。
15. 取下骨膜覆盖用细镊子的颅底。调整拉钩来实现对钻孔的最佳视图。
16. 感觉basioccipital骨细镊子的表面凹凸不平，并指出海拔在中线，它涵盖了基底动脉。吻侧，头骨变得提出一个轻微的凸起。
17. 根据哪一方病变需要，钻约为1mm横向到中侧运动的中线孔。
    注:请记住，老鼠是在仰卧位，其左边可能是在调查右手边！
18. 一旦孔被制成，放大朝具有小垂直向上和向下-运动用钻头在中线直到基底动脉清晰可见和放大侧向至少2毫米。
19. 确保基底动脉清晰可见。金字塔可以通过其稍稍鼓出的形状（ 图2）和由接壤的血管来鉴定。
20. 用细镊子取出任何剩余的骨头碎片。
21. 申请一滴盐酸多沙普仑，呼吸兴奋剂，在舌头上。
22. 用26号针头纵向打开硬脑膜和细镊子横向到基底动脉。沉浸在脑脊液（CSF）和棉签的任何出血。
23. 避免仁州Ry的基底动脉，使切割大约1.5毫米宽，横跨金字塔为0.5mm垂直于基底动脉（ 图2）来中断CST纤维深与Vannas弹簧剪刀的宽度。
    注:标记microscissors事先在0.5毫米的提示。一旦硬脑膜打开基底动脉可以稍微移动到一侧允许金字塔更好的访问。
24. 重复使用26号针头的尖端，以确保病变包括靠近所述基底动脉的纤维切断。
25. 停止与光压力棉签应用于出血。任选地，该切口可覆盖有明胶海绵。
26. 取出拉钩，更换组织，只缝合皮肤3-0薇乔缝线。
27. 手术后，保持动物在培养箱在32℃下，直到完全清醒和管理用5ml盐水皮下，如果需要的话。不要让动物无人值守。
28. 给Carporfen皮下作为抗炎和作为镇痛用于手术后疼痛1天术后。
29. 手术后至少一次之后，每周密切一周监控动物。
30. 至于做手术，地方水化凝胶包，泥婴儿食品，湿捣烂干州城笼地板上后需要。提供水瓶长嘴（缺少球轴承阀门）。

结果

存活率。

在美国进行的一项代表性的研究，我们有16个出20名女性李斯特连帽大鼠（200〜250克）生存率。最常见的并发症是呼吸，因为气管位移或损坏在脑干的呼吸中枢的困难只是背侧到金字塔（核孤，暧昧和parabrachilis）。类似的结果已经在文献中报道^16。

行为的结果。

的行为测试一系列已被用来评估锥体束在啮齿动物后感觉运动结果:在水平梯试验中，单粒料到达测试，缸饲养试验和蒙托亚楼梯测试是最常用的行为评估。在文献中描述的其它试验是颗粒到达测试，爬绳试验，步态分析和胶带测试3,17-19。大多数这些显示损伤后的功能性运动障碍1周。目前，在文献中描述的多数研究只能执行行为测试42天^{4,11,13,20,21，}或者用于更短的时间^3,18,22。我们已经进行行为测试用于在延长的时间周期和所看到的基本上完全恢复的马达功能后8周锥体束对某些行为测试的，除了蒙托亚楼梯测试和水平阶梯测试。这可能是有几个原因。首先，受伤CST喙病灶上可能会形成在脑干神经元充当间接中继到运动神经元在脊髓突触。其次，未受伤（健侧）CST可以发芽，形成突触在脑干或脊髓神经元作为继电器运动神经元。第三，其他备用电机大片，如网状脊髓，前庭或红核脊髓束可能会接管一些功能。因此，持久吨reatment效果难以检测与许多行为测试在锥体束模式。一些行为测试在这个模型然而可能的伤害，这是关系到一个处理后的早期指示加速恢复。

缸饲养试验 ^3,4,23

基于缸饲养试验对应的主导前爪的CST受伤。将大鼠置于一个有机玻璃圆筒和饲养行为是观察期为3分钟。伤前有轻微偏爱使用一种前爪，占主导地位的前爪，期间垂直探测（ 图3A）。伤病影响的主导方和使用对侧前爪下降到28％1周伤后（重复测量ANOVA P <0.05;事后分析发现动物有在第1周，2和3，P <0.05显著赤字， Fisher的LSD）。 4周伤后的恢复动物的ð使用受影响的前肢用于后轮的45％，和6周后，这是57％（n = 16的平均值±示出标准误差）。使用气缸试验锥体束后42天同样，斯达克等人^（4）评估了小鼠和报告，在使用受影响的前爪在整个测试期间一个显著下降。

蒙托亚楼梯测试 ²⁴

只需要训练前本次测试之前伤害适应环境。要在测试环节动物增加的动力是食品限制在每鼠15克食物的前一天晚上。食物剥夺大鼠被放置在蒙托亚楼梯15分钟。在每一侧，有7个步骤与井，各含有3粒料楼梯。每侧检索粒料的总数被记​​录。检索颗粒与对侧/前爪受影响的人数从61％伤前显著下降至3％3天伤后（ 图3B）。检索粒料的能力仍然在第4周伤后显著障与检索粒料的20％。老鼠表现出显著赤字高达8星期只有29％吃在那个时间点的颗粒（重复测量ANOVA P <0.05， 事后分析发现动物对对侧方显著赤字可言周，P <0.05，Fisher的LSD）。所述ipsilesional前爪受到影响长达1周伤后;然而，这种复苏在第二周（重复测量ANOVA P <0.05， 事后分析发现动物有3节和第1周显著赤字的ipsilesional前爪，P <0.05，Fisher的LSD）。所述ipsilesional前爪的初始缺陷可能由皮质脊髓束通过切口金字塔运行，随后发芽和恢复的同侧部的损毁进行说明。

横梯形图测试²⁵

只需要训练前进行此测试。只走三次在1米长的梯子，用不规则的横档间距。影片将在后面的慢镜头和脚滑倒，并为每个爪子失误总数分析量化。在图3C的曲线图表示未命中和受影响的和受影响较小侧（前爪+后爪），以百分比来采取步骤的总数的卡瓦的总数。老鼠有误差分别1周伤后用10％或患侧11％，受到的影响较小侧显著增加。这个赤字是持久的对侧/患侧多达8个星期10％的错误做，但是，2周解析ipsilesional /受影响较小的一侧（重复测量方差分析， 事后分析发现动物有显著赤字可言周在对侧方和显著赤字在1周和3对ipsilesional边p <0.05，Fisher的LSD）。

电生理检测

在一个终端电的建立将动物麻醉腹膜内用尿烷。在整个过程中，它保持在37℃±1℃。其腹侧颈部区域，它的前肢和胸部区域被剃光和消毒用碘酒擦洗。如先前所述和桡神经暴露在上臂由腹侧方法切开皮肤和胸大肌金字塔暴露。桡神经的末端被切断，神经被放置在两个银线钩电极在矿物油浴中。任一金字塔，刺激与同心双极电极在不同深度具有5个脉冲以300Hz和增加刺激幅度。录音总是从禁用臂（ 图4）的桡神经进行。

没有受伤阿尼姆ALS有在延迟12至20毫秒之间在径向神经强烈反应时对侧金字塔进行刺激（ 图4B）。同侧的刺激只会导致偶尔的激活（ 图4C）。动物，其中有以前收到pyramidotomies，在对侧的手臂记录显示，在桡神经无反应时，损伤呼吸道的病变（ 图4B'）以上的刺激。然而，CST纤维在金字塔的刺激同侧电极导致了桡神经更强活化相比未受伤的动物在第12周伤后（ 图4C'）的记录。

解剖的结果。

动物根据动物附表1（科学程序）法1986年之前两周安乐死10周术后，未受伤的CST被曝与生物素葡聚糖胺（BDA）注 ​​射到运动皮层²⁶同侧残疾人臂（ 图1）。这使得未受伤的纤维，它越过中线和供应对侧脊髓（ 图5C，D）的定量。未受伤的动物只有几个纤维横过中线，而这增加了响应于伤害。横颈脊髓切片用蛋白激酶C（PKC）伽马评估失神经支配的损伤CST（ 图^5E）16的比例。可替代地，对病变的完整性可通过注入BDA示​​踪剂进入电动机皮质上的锥体束损伤ipsilesional侧进行评估。在对侧背内侧CST缺乏标签和同侧腹内侧CST提供单侧完全性横断证据。

NT-WIDTH ="4英寸"SRC ="/文件/ ftp_upload / 51843 / 51843fig1highres.jpg"WIDTH ="400"/>
图1:示意图显示，在大鼠和科技委在金字塔单边干切断的皮质脊髓束顶部图像:皮质神经细胞起源于皮质层5锥体细胞。生物素化的葡聚糖胺（以绿色示出）之前两个星期的实验结束注入对侧皮层。中间的图像:该束上形成的髓质腹面并在spinomedullary结大多数轴突的交互对生的金字塔。单侧锥体束在尾髓质（显示为红色）进行。较低的图像:大多数脊髓的背内侧和背外侧部分向下运行的皮质脊髓束。少数保持同侧和运行ventromedially。

1843fig2highres.jpg"WIDTH ="500"/>
图2:大鼠脑腹面观 。金字塔是与众不同的，因为他们提出，平行凸（黄框）。金字塔的边界是由基底动脉（BAS）通过中线和横向的凸中途基底动脉和动脉paraolivary（POL）之间的碱，（C）中可见内侧限定。开颅手术进行了基底动脉和横向延伸到paraolivary动脉（在C红色框）。一个金字塔垂直切到基底动脉（红线在C中，切口上示出在A和B试样）。因为CST开始交互对生，并因椎动脉被掀起中线放置太靠近尾端的椎动脉（垂直）病灶将是不完整的。 （C）图片由乔治Paxinos ²⁷改编自"金鼠神经系统"。注:此图显示了图像的左手侧的病变:这是动物的钻机HT锥体束，因为它是仰卧。但是请注意，在视频显示病变的动物的左锥体束。

图3:在缸饲养试验代表性的成果，蒙托亚楼梯颗粒达到测试和水平梯形测试没有通过损伤后所有测试检测到电机赤字。然而，没有赤字可以与在第4周伤后气缸饲养试验来检测，而持续的赤字可以与蒙托亚楼梯测试和水平梯试验8周伤后（每组n =，平均值和标准误差16来检测示出）。星号表示P <0.05相对于受伤前的基线（Fisher的LSD测试）。 请点击这里查看这个数字的放大版本。

图4:电评估皮质脊髓束和前锥体束后（A）示出的建立用于终端的实验。我们刺激金字塔与5脉冲喙损毁和十字交叉的部位不同深度的一列火车。红色系的损伤道。我们从上侧对侧桡神经记录。（B）和（C）表示实施例的记录与ipsilesional刺激或对侧刺激前或12周后锥体束。 Ipsilesional刺激诱 ​​发多种复合动作电位（在跟踪尖峰）的桡神经损伤（B）之前。这些是由损伤废除和活动不returñ在12周（B'）。对侧刺激唤起了罕见的单一化合物动作电位伤前（C）。 12周伤活动后明显增加（C'），这可能是由于完整的轴突横贯性脊髓内的中线和塑料变化发芽。 请点击此处查看该图的放大版本。

图5:锥体束后解剖学评价（A，B，C，D）的生物素化葡聚糖胺被用于通过其注入相应于未病变CST运动皮层跟踪皮质脊髓束（见绿于图1）。背内侧，对CS的腹内侧部件T分别清晰可见（A，背内侧部分放大中的B）。（C）和（D）是纤维横跨中线发芽到失神经侧灰质响应于治疗的从（A）的放大倍数。为了评估宫颈级别4（12周伤后的组织）的病变横截面的完整性被切断，并用抗PKC伽玛（E）。科技委上的图像的左手侧是完好无损，可以看出在整个中线鼓出的受损背CST的结构崩解，大概是因为进入去神经侧。

讨论

我们所描述的锥体束损伤模型。皮质脊髓束被切断在脑干的水平。从技术角度来看这个手术需要大量的谨慎性和准确性。脑干容纳呼吸中心和心血管中心中的多个核，如疑核和孤嵌入在金字塔下方的网状结构。如果切口是由过深，这可能导致突然的呼吸困难，这可能是致命的。我们给Dopram刚切，增加呼吸活动，以防止突然停止呼吸之前。如果呼吸停止，值得通风动物为以下五个分钟，因为它可能会恢复氧气。此外，应绝对避免在基底动脉的损害。在最初几天伤后的并发症有:脑干出血的另一个重要的影响作用，相当消瘦，严重的呼吸diffic由于大量的伤害，包括橄榄只是横向的金字塔，由于气管移位和动物的严重的方向和平衡问题ulties。这些并发症可以被看作端点和动物可能会受到人道杀害。在第一周期间密切监测手术后是必需的。补充食物可以以抗衡体重减轻给出。气道炎症（刺耳呼吸）在一到两天正常解析。一般情况下，年轻的动物更容易操作的是他们的脖子少深。此外，他们更弹性，较少有呼吸并发症。

它需要一些练习来达到CST完整的病变有锥体束。同样，在两项研究由管家等 ^16，其中规定了由Benowitz 等 ²⁸复制前的实验，最初报道的高死亡率，而他们的一些病变是不完整的。行为缺陷也将是可变的。我们建议一个新的外科医生进行很多实践锥体束手术进行任何全面的实验来测试候选人治疗前。如何防止不完全的病变追溯切用注射器针头，确保在本协议描述的皮质纤维接近基底动脉被切断。其他选项是如Zhou 等人，2003年²⁹描述了一个倾斜的玻璃吸移液管吸移病灶部位。的细钨线，也可用于切割区域^22。另一种为锥体束是削减颈椎C3背部CST单方面，然后切断与一个腹办法CST ¹⁸ ipsilesional C2腹侧部。但可以说，一个完整的病变是没有必要的，如果我们的目标是研究对侧CST发芽;如果大多数金字塔被损毁，并从未病变侧的发芽响应发生这可以是足够了。

的锥体束病变模型的一个目的是要烧蚀的皮质脊髓束的一个侧面，并使用神经可塑性诱导疗法刺激完整的非受伤纤维的可塑性和发芽。为了测试神经保护治疗这种模式是不适合和其他损伤模型，如挫伤受伤应该被使用。 pyramidotomies的成果进行评估最常使用的行为测试和解剖。水平阶梯测试，缸饲养试验和蒙托亚楼梯测试是最常用的行为评估。在文献中描述的其它试验是颗粒到达测试，爬绳试验，步态分析和胶带测试^3,17-19。然而，大多数行为测试的结果往往只监测最多42天postlesion ^{3,4,11,17,18,20-22。}从过去的经验，啮齿动物恢复大部分功能，在稍后的时间点未经任何处理的干预。我们已经表明塔吨的水平阶梯测试和蒙托亚楼梯颗粒达到试验检测残疾高达稍后的时间点。它们可以用于测量功能恢复因治疗。病变完整性被PKC伽玛染色（其标签在背柱CST纤维）脊髓延髓在宫颈级别或病变部位的横截面铬花青染色评判。生物素化的葡聚糖胺可注入的对侧皮层，以评估完整纤维穿过中线的发芽到去神经脊髓区域。

总之，锥体束模式是很好的评估，如果手术成功掌握了治疗药物中枢神经系统损伤的神经可塑性诱导能力。它评估的完整纤维的可塑性。下一个步骤将是使用一个更临床相关的模型如挫伤损伤评估，以克服更大injuri药物的能力ES影响多个大片。

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Carprofen	Norbrook	Vm No; 02000/4229	give 5 mg/kg twice daily
Homeothermic Blanket System	Harvard Instruments	507222F
Isoflurane	Abbott	B506
Fine Scissors- Tough Cut	Fine Science Tools	14058-09
Forceps	Fine Science Tools	11019-12
Long-toothed Alm retractors	Fine Science Tools	17009-07
cautery system kit	Harvard Instruments	726067
fine Dumont forceps	Fine Science Tools	11251-10
Carbon Steel burrs	Fine Science Tools	19007-07
Dopram V-drops	Pfizer		apply 1 drop to tongue
Vannas Spring Scissors	Fine Science Tools	15000-03
gelfoam	Equimedical	EQU705001
3-0 Vicryl sutures	Ethicon
operating microscope	Zeiss
Compact Anaesthesia System Isoflurane K/F Single Gas	VetTech Solutions
Scales	Ohaus	NVT3201
Carbon Steel Scalpel blades No. 10	Swann-Morton	201
25g needles	Terumo	NN-2525R
syringes (1 ml and 5 ml)	Terumo	SS+01T1 / SS*05SE1
Saline (Sodium Chloride 0.9%)	Fresenius Kabi	Pl 08828/0178
cotton buds	Johnson and Johnson	5000207582502	sterilize before use