Ein neuartiges Pavlovian Fear Conditioning Paradigma zur Untersuchung von Einfrieren und Flugverhalten

Zusammenfassung

Defensive Verhaltensreaktionen sind abhängig von Bedrohungsintensität, Nähe und Kontext der Exposition. Basierend auf diesen Faktoren haben wir ein klassisches Konditionierungsparadigma entwickelt, das klare Übergänge zwischen konditioniertem Einfrieren und Flugverhalten innerhalb einzelner Subjekte hervorruft. Dieses Modell ist entscheidend für das Verständnis der Pathologien, die an Angstzuständen, Panik und posttraumatischen Belastungsstörungen beteiligt sind.

Zusammenfassung

Angst- und Angstverhalten tragen wesentlich zum Überleben eines Organismus bei. Übertriebene abwehrende Reaktionen auf wahrgenommene Bedrohungen sind jedoch charakteristisch für verschiedene Angststörungen, die die häufigste Form psychischer Erkrankungen in den Vereinigten Staaten sind. Die Entdeckung der neurobiologischen Mechanismen, die für defensive Verhaltensweisen verantwortlich sind, wird bei der Entwicklung neuartiger therapeutischer Interventionen helfen. Pavlovian Angst Konditionierung ist ein weit verbreitetes Labor paradigma, um Angst-bezogenes Lernen und Gedächtnis zu studieren. Eine große Einschränkung der traditionellen Pavlovian Angst Konditionierung Paradigmen ist, dass das Einfrieren ist das einzige defensive Verhalten überwacht. Wir haben vor kurzem ein modifiziertes Pavlovian Fear Conditioning Paradigma entwickelt, das es uns ermöglicht, sowohl konditioniertes Einfrieren als auch Fluchtverhalten (auch als Flucht) Verhalten innerhalb einzelner Probanden zu studieren. Dieses Modell verwendet eine höhere Intensität Fußschocks und eine größere Anzahl von Paarungen zwischen dem konditionierten Stimulus und unkonditionierten Stimulus. Darüber hinaus nutzt dieses konditionierte Flugparadigma die serielle Darstellung von reinem Ton und weißen Rauschen-Hörreizen als konditionierten Stimulus. Nach der Konditionierung in diesem Paradigma zeigen Mäuse ein gefrierendes Verhalten als Reaktion auf den Tonreiz und Flugreaktionen während des weißen Rauschens. Dieses Konditionierungsmodell kann auf die Untersuchung von schnellen und flexiblen Übergängen zwischen Verhaltensreaktionen angewendet werden, die für das Überleben notwendig sind.

Einleitung

Angst ist eine evolutionär konservierte adaptive Antwort auf eine unmittelbare Bedrohung^1,2. Während Organismen angeborene abwehrende Reaktionen auf eine Bedrohung besitzen, sind gelehrte Assoziationen entscheidend, um geeignete defensive Reaktionen auf Reize zu auslösen, die die Gefahr vorhersagen³. Dysregulation in Gehirnkreisen, die defensive Reaktionen steuern, trägt wahrscheinlich zu maladaptiven Reaktionen bei, die mit multiplen schwächenden Angststörungen verbunden sind, wie posttraumatische Belastungsstörung (PTSD), Panikstörung⁴und spezifische Phobien^5,6. Die Prävalenzrate in den Vereinigten Staaten für Angststörungen beträgt 19,1% bei Erwachsenen und 31,9% bei Jugendlichen^7,8. Die Belastung durch diese Krankheiten ist extrem hoch für den Alltag des Einzelnen und wirkt sich negativ auf ihre Lebensqualität aus.

In den letzten Jahrzehnten hat Pavlovian Angst konditionierung als ein leistungsfähiges Modellsystem gedient, um enorme Einblicke in die neuronalen Mechanismen zugrunde angstbezogenes Lernen und Gedächtnis^9,10,11zu gewinnen. Pavlovian Angst Konditionierung beinhaltet die Kombination eines konditionierten Stimulus (CS, wie ein auditiver Stimulus) mit einem aversiven unkonditionierten Stimulus (US; zum Beispiel ein elektrischer Fußschock)¹². Da das Einfrieren das vorherrschende Verhalten ist, das in den üblichen Pavlovian-Konditionierungsparadigmen evoziert und gemessen wird, bleiben die neuronalen Steuerungsmechanismen aktiver Formen des Abwehrverhaltens wie Flucht-/Flugreaktionen weitgehend unerforscht. Frühere Studien zeigen, dass verschiedene Formen des Abwehrverhaltens, wie z. B. Flucht, in Abhängigkeit von der Bedrohungsintensität, Der Nähe und dem Kontext^13,14evoziert werden. Das Studium, wie das Gehirn verschiedene Arten von Abwehrverhalten steuert, kann erheblich zum Verständnis der neuronalen Prozesse beitragen, die bei Angst- und Angststörungen dysreguliert sind.

Um diesem kritischen Bedürfnis gerecht zu werden, haben wir ein modifiziertes Pavlovian Konditionierungsparadigma entwickelt, das neben dem Einfrieren^{von 15}auch Flucht- und Fluchtsprünge hervorruft. In diesem Paradigma werden Mäuse mit einem seriellen zusammengesetzten Stimulus (SCS) konditioniert, der aus einem reinen Ton besteht, gefolgt von weißem Rauschen. Nach zwei Tagen der Paarung des SCS mit einem starken elektrischen Fußschock zeigen Mäuse Frieren als Reaktion auf die Tonkomponente und den Flug während des weißen Rauschens. Verhaltensschalter zwischen konditioniertem Gefrieren und Flugverhalten sind schnell und konsistent. Interessanterweise zeigen Mäuse Flugverhalten nur, wenn das weiße Rauschen CS im gleichen Kontext wie ein zuvor gelieferter Fußschock (der Konditionierungskontext) dargestellt wird, aber nicht in einem neutralen Kontext. Stattdessen dominieren gefrierende Reaktionen in diesem neutralen Kontext, mit deutlich höheren Niveaus des Einfrierens als Reaktion auf das weiße Rauschen im Vergleich zum Ton. Dies steht im Einklang mit der Rolle des Kontextes bei der Modulation der Defensive Response Intensität und mit der regulatorischen Rolle der kontextbezogenen Information in angstbezogenen Lernen und Gedächtnis in traditionellen Bedrohungskonditionierung Paradigmen^{gefunden 16,17}gefunden. Dieses Modell ermöglicht direkte, innerhalb des Subjekts durchgeführte Vergleiche mehrerer Defensivverhalten auf kontextspezifische Weise.

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Protokoll

Die folgenden Schritte/Verfahren wurden in Übereinstimmung mit den institutionellen Richtlinien nach Genehmigung durch das Institutional Animal Care & Use Committee der Tulane University durchgeführt.

1. Zubereitung von Mäusen

1. Verwenden Sie männliche und/oder weibliche erwachsene Mäuse im Alter zwischen 3-5 Monaten. In der vorliegenden Studie verwendeten wir männliche C57BL/6J-Mäuse, die vom Jackson Laboratory gewonnen wurden, aber jeder Mausstamm von einem seriösen Lieferanten kann verwendet werden.
2. Mindestens eine Woche vor dem Experiment, beherbergen alle Mäuse einzeln auf einem 12:12 h Licht/Dunkel-Zyklus während der gesamten Studie. Bieten Sie den Mäusen ad libitum Zugang zu Nahrung und Wasser.
3. Führen Sie alle Verhaltensexperimente während des Lichtzyklus durch. Führen Sie alle Sitzungen zur gleichen Tageszeit innerhalb einer einzelnen Kohorte durch. Wenn Sie das Experiment beispielsweise am ersten Tag um 9 Uhr starten, beginnen Sie zu diesem Zeitpunkt, bis das Experiment abgeschlossen ist.

2. Erstellung von Studienmaterialien

1. Studienkontexte
   1. Wählen Sie zwei verschiedene Kontexte aus, in denen die Experimente durchgeführt werden sollen.
   2. Verwenden Sie eine zylindrische Kammer aus klarem Plexiglas (Durchmesser 30 cm) als Kontext A, mit einem glatten Plexiglasboden. Die Höhe der Kammer sollte ausreichen, um ein Entweichen zu verhindern (mindestens 30 cm hoch).
   3. Verwenden Sie für Kontext B ein rechteckiges Gehäuse (25 cm x 30 cm) mit einem elektrischen Gitterboden, mit dem wechsellaufende Stromschocks geliefert werden. Die Höhe dieser Kammer ist sehr wichtig und sollte mindestens 35 cm hoch sein. Alternativ können Sie ein transparentes Dach verwenden (stellen Sie sicher, dass Videos über dieses Material aufgezeichnet werden können).
      HINWEIS: Verwenden Sie eine Kammer mit glatten Wandflächen, die leicht gereinigt werden können.
   4. Verwenden Sie eine andere Reinigungslösung, um die Kontexte zu säubern. Zum Beispiel sauberer Kontext A mit 1% Essigsäure und Kontext B mit 70% Ethanol. Reinigen Sie die Kontexte, bevor Sie mit der ersten Sitzung, zwischen dem Testen einzelner Mäuse und nach Abschluss der Tagessitzungen beginnen. Dies ist wichtig, um die olfaktorischen Hinweise von früheren Mäusen zu entfernen. Eine gründliche Reinigung wird auch dazu beitragen, urinierende Skalierung auf dem Schockgitter zu verhindern, was Konditionierungssitzungen beeinträchtigt.
      HINWEIS: Die Reinigungslösungen dienen auch als geruchsbezogener Hinweis, daher verwenden Sie die gleiche Reinigungsflüssigkeit für einen bestimmten Kontext.
   5. Platzieren Sie Kontext A oder Kontext B während der jeweiligen Studiensitzungen in einer schalldämpfenden Box.
2. Audiogenerator
   1. Montieren Sie einen Overhead-Lautsprecher über den Kontexten, um auditive Reize bei 75 dB zu liefern.
   2. Verwenden Sie einen programmierbaren Audiogenerator, um auditive Reize nach einem vordefinierten Zeitplan zu erzeugen. Der 7,5 kHz reine Ton ist ein Klang mit einer sinusförmigen Wellenform, während das weiße Rauschen ein zufälliges Signal mit gleicher Intensität bei verschiedenen Frequenzen ist, das von 1-20.000 Hz reicht.
   3. Verwenden Sie TTL-Impulse, um akustische Reize und Schocksignale mit zeitlicher Präzision zu liefern.
      HINWEIS: Messen Sie vor Beginn der Experimente die Schallintensitätsausgabe des montierten Lautsprechers in jeder Kammer mit einem dB-Meter.
3. Dämpfer: Schließen Sie den Dämpfer mit dem elektrischen Netzboden an, mit dem der 0,9 mA AC-Schock geliefert wird. Definieren Sie die Häufigkeit, den Beginn und die Dauer von Schocks in einem Computerprogramm. Liefern Sie jeden Schockreiz am Ende jedes SCS für eine Dauer von 1 s, insgesamt fünf SCS-Schockpaarungen pro Konditionierungssitzung.

3. Vorbereitung von Computerprogramm und Video-Tracking

1. Generieren Sie Verhaltensprotokolle mithilfe der Codierung in einem Softwareprogramm.
2. Definieren Sie im Programm den seriellen zusammengesetzten Stimulus SCS. Dieser Stimulus ist eine serielle Darstellung eines 10 s reinen Tons (jeder Pip wird für 500 ms, bei einer Frequenz von 7,5 kHz und einer Rate von 1 Hz) und 10 s weißem Rauschen (500 ms Pips bei 1 Hz) dargestellt.
3. Definieren Sie die Inter-Trial-Intervalle (ITI), die nach jeder Studie pseudozufällig dargestellt werden.
4. Zeichnen Sie während der Studie das gesamte Mausverhalten für die nachfolgende Analyse auf Video auf.
   HINWEIS: Kommerziell erhältliche Angstkonditionierungsboxen können möglicherweise nicht eingerichtet werden, um das Verhalten über die oben montierte Kamera aufzuzeichnen. Dies ist sehr wichtig, da das aufgenommene Video verwendet wird, um horizontale Bewegung, Geschwindigkeit und Gesamtstrecke des Tieres zu berechnen.
5. Um die Softwareverfolgung einzustellen, platzieren Sie eine Testmaus in jedem relevanten Kontext, passen Sie die Konturverfolgungsempfindlichkeit an und definieren Sie den Schwerpunkt. Dadurch wird die Erfassung zuverlässiger Daten über die relative Position sichergestellt. Definieren Sie außerdem den gesamten Kontextbereich, der für das Thema zugänglich ist.
   HINWEIS: Die Anpassung der Konturgröße für beide Kontexte ist wichtig, da die Helligkeitsänderung in verschiedenen Kontexten die Konturgröße ändert.
6. Bestimmen Sie einen Kalibrierkoeffizienten anhand der bekannten Größen der Kammern und der Pixelabmessungen der Kamera, die zur Berechnung der Geschwindigkeit (cm/s) verwendet werden können.
7. Synchronisieren Sie die Zeitstempelereignisse des Datenerfassungscomputers mit ihren Echtzeitereignissen.

4. Verhaltensexperiment

1. Schalten Sie alle Geräte ein: Computer, Angst-Konditionierungsbox-Controller, Schocker und Video- und Zeitstempel-Aufnahmesoftware. Stellen Sie sicher, dass die Instrumente in der entsprechenden Reihenfolge eingeschaltet sind.
2. Überprüfen Sie alle Funktionen, einschließlich Ton, Weißrauschen und Stoßzustellung, und richten Sie das System für die Datenerfassung ein.
3. Transportieren Sie die Tiere aus ihrem Abstellraum in den Konditionierungsraum. Lassen Sie sie dort für mindestens 10 min akklimatisieren.
4. Nehmen Sie das Tier aus dem heimischen Käfig, legen Sie es vorsichtig in den jeweiligen Kontext und aktivieren Sie dann sofort die Computerprogramme.
   HINWEIS: Die Initialisierung sowohl der Angstkonditionierungssystem als auch der Datenerfassung (Zeitstempel, Mausverfolgung und Videoaufzeichnung) kann gleichzeitig mit TTL-Puls-vermittelten Aktivierungen synchronisiert werden.
5. Vorkonditionierung/Vorbelichtung
   1. Stellen Sie das Thema an Tag 1 in den Kontext A (neutraler Kontext). Lassen Sie es sich 3 min lang (der Basiszeitraum) an die Kammer akklimatisieren und setzen Sie es dann 4 Versuchen eines SCS mit einer Gesamtdauer von 20 s aus (Abbildung 1A-1B).
   2. Halten Sie einen durchschnittlichen Pseudozufalls-ITI von 90 s (Bereich 80-100 s). Die Gesamtdauer jeder Pre-Exposure-Sitzung beträgt 590 s.
6. Angstkonditionierung
   1. Platzieren Sie das Thema an Tag 2 und Tag 3 in Kontext B. Nach einer 3-min-Baseline-Periode, setzen Sie das Subjekt auf fünf Paarungen des SCS Co-Abschluss mit einem 1 s, 0,9 mA AC Fußschock.
   2. Aufrechterhaltung eines durchschnittlichen Pseudozufalls ITI mit 120 s (Bereich 90-150 s). Lassen Sie jede Konditionierungssitzung für insgesamt 820 s dauern (Abbildung 1A).
   3. Je nach Ziel des Experiments, unterziehen Sie Mäuse an Tag 4 entweder einem Rückruftest (siehe Schritt 4.7) oder um das Aussterben zu befürchten (siehe Schritt 4.8).
7. Angstrückruf (zum Testen der Kontextabhängigkeit)
   1. Platzieren Sie das Thema an Tag 4 in Kontext A. Nach der 3 min Baseline-Periode, präsentieren Sie es mit 4 Tests der SCS ohne Fußschock, über 590 s.
   2. Halten Sie einen durchschnittlichen Pseudozufalls-ITI von 90 s (Bereich 80-100 s).
8. Angst vor dem Aussterben
   1. Stellen Sie das Thema an Tag 4 in den Kontext B. Nach der 3 min Baseline-Periode, präsentieren 16 Versuche der SCS ohne Fußschock, über 1910 s.
   2. Halten Sie einen durchschnittlichen Pseudozufalls-ITI von 90 s (Bereich 60-120 s).
9. Bringen Sie das Tier in seinen Heimischen Käfig zurück und wiederholen Sie den Vorgang für alle Tiere.

5. Quantifizierung des Verhaltens

1. Lassen Sie einen Beobachter blind für das Experiment die aufgenommenen Videos für das Gefrierverhalten mit automatischer Gefriermelderschwelle punkten, gefolgt von einer Frame-by-Frame-Analyse von Pixeländerungen.
   HINWEIS: Andere Softwarepakete können auch verwendet werden, um das Einfrieren automatisch mit 2 Kamerasystem zu berechnen. Es ist auch möglich, dass ein Beobachter das Einfrieren manuell einnimmt.
2. Definieren Sie das Einfrieren als vollständige Einstellung der Körperbewegungen, mit Ausnahme der für die Atmung erforderlichen, für mindestens 1 s.
3. Score springt, wenn alle 4 Pfoten den Boden verlassen, was zu einer vertikalen und/oder horizontalen Bewegung führt.
4. Exportieren Sie die markierte Datei mit Gefrier-, Sprung- und Ereignismarkierungen.
5. Extrahieren Sie relevante Ereignisse (Einfrieren und Sprünge) aus definierten Zeiträumen (z. B. 10 s Dauer von Pre-SCS, Ton und Weißrauschen, für jede Studie).
6. Berechnen Sie anhand der extrahierten Start-Stopp-Dauern von Ereignissen in einer Tabellenkalkulationsdatei die Dauer des Einfrierens (in s), indem Sie die Startzeit von der Endzeit von den jeweiligen Testzeiträumen subtrahieren.
7. Stellen Sie diese Daten versuchsweise oder tagweise dar, indem Sie die Gefrierdauer aus allen Versuchen zusammenfassen.
   HINWEIS: Je nach Zweck der Studie können flug- oder gefrierende Verhaltensweisen aus jeder Studie/Dauer aus der Studiensitzung bewertet und berechnet werden.
8. Summiert die Gesamtzahl der Sprünge aus einer bestimmten Testdauer.
9. Extrahieren Sie die Datei, die durch Mausverfolgungskoordinaten erzeugt wird, aus Frame für Frame X-Y-Achsenbewegung des Schwerpunkts der Maus und berechnen Sie die Geschwindigkeit der Maus (cm/s).
   HINWEIS: Die Geschwindigkeitsdaten können entweder im cm/s- oder Pixel/s-Format vorhanden sein. Konvertieren Sie die Pixel/s-Einheit in cm/s, indem Sie den im Video für diesen Testkontext definierten Zoll- oder Cm/Pixel-Wert verwenden (siehe Abschnitt 3.6).
10. Nach dem Extrahieren von Geschwindigkeitsdaten für die Frame-für-Frame-Bewegung des Tieres, basierend auf der Bildrate des Videos (vorzugsweise 30 Frames/s), berechnen Sie die Durchschnittsgeschwindigkeit des Tieres in einer bestimmten Frame-Nummernhalterung (Beginn- und Endzeiten in s mit 30 multiplizieren, um die Start- und Endbildnummer zu erhalten).
11. Berechnen Sie die Flugergebnisse, indem Sie die Durchschnittsgeschwindigkeit während jedes SCS durch die Durchschnittsgeschwindigkeit während der 10 s Pre-SCS (Baseline, BL) dividieren und dann 1 Punkt für jeden Escapesprung hinzufügen (speedCS/speedBL + . Eine Flugpunktzahl von 1 weist daher auf keine Änderung des Flugverhaltens aus der Vor-SCS-Periode hin.
12. Optional können Sie Videos manuell für andere Verhaltensweisen wie Aufzucht und Pflege bewerten.

6. Statistische Analyse

1. Analysieren Sie Daten für die statistische Signifikanz mit hilfe statistischer Analysesoftware. Für alle Tests ist die Definition der statistischen Signifikanz P<0.05.
2. Überprüfen Sie die Daten auf Die Normalverteilung mit dem Shapiro-Wilk Normalitätstest (α=0,05).
3. Um die Wirkung von Cues zu testen, führen Sie die paarweisen Vergleiche mit dem entsprechenden parametrischen (gekoppelten t-Test) oder nicht-parametrischen (Wilcoxon signed-rank test) Test durch.
4. Um die 2-Wege-Wechselwirkung von Faktoren zu bewerten (Cue-X-Studie), führen Sie eine 2-Wege-ANOVA durch, gefolgt von Post-hoc-Tests (z. B. Bonferronis Mehrfachvergleichstest/Tukeys Test).

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Ergebnisse

Wie im Diagramm beschrieben (Abbildung 1A), beginnt die Sitzung mit der Vorbelichtung (Tag 1), gefolgt von Angstkonditionierung (Tage 2 und 3) und dann entweder Auslöschung oder Abruf (Tag 4).

Die Präsentationen des SCS in der Sitzung vor der Exposition (Tag 1) lösten bei den Mäusen keine Flug- oder Gefrierreaktion aus (Abbildung 2A-2B). Die Verhaltensanalyse während der Konditionierung (Tage 2 und 3) ergab, dass...

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Diskussion

Die beschriebenen Schall- und Schockparameter sind wichtige Elemente dieses Protokolls. Daher ist es wichtig, die Stoßamplitude und den Schalldruckpegel zu testen, bevor die Experimente beginnen. Fear-Konditionierungsstudien verwenden in der Regel 70-80 dB Schalldruckpegel und 0,1-1 mA Stoßintensität¹⁸; Die beschriebenen Parameter liegen somit innerhalb der Grenzen traditioneller Angstkonditionierungsparadigmen. In einem früheren CS-only-Kontrollexperiment (kein Fußschock) haben wir keine Flu...

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Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
Neutral context			Plexiglass cylinder 30 X 30 cm
Fear conditioning box	Med Associates, Inc.	VFC-008	25 X 30 X 35 cm dimentions
Audio generator	Med Associates, Inc.	ANL-926
Shocker	Med Associates Inc.	ENV-414S	Stainless steel grid
Speaker	Med Associates, Inc.	ENV-224AM	Suitable for pure tone and white noise
C57/BL6J mice	Jackson laboratory, USA	664	Aged 3-5 month
Cineplex software (Editor/ studio)	Plexon	CinePlex Studio v3.8.0	For video tracking and behavioral scoring analysis
MedPC software V	Med Associates, Inc.	SOF-736
Neuroexplorer	Plexon		Used to extract the freezing data scored in PlexonEditor
GraphPad Prism 8	GraphPad Software, Inc.	Version 8	Statistical analysis software