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Ruf, Stephanie (2005): Der Einfluss von Hyperventilation auf die kognitiven Leistungen, die neurologisch-motorischen Fähigkeiten und den histologischen Schaden nach einem kontrollierten zerebralen Trauma bei der Ratte. Dissertation, LMU München: Faculty of Veterinary Medicine
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Abstract

The Effect of Hyperventilation on Cognitive Performance, Motor Functions and Lesion Volume after Controlled Cortical Impact in the Rat Introduction: We investigated the effects of short-term moderate hyperventilation on neurocognitive and motor functions as well as lesion volume in rats subjected to focal traumatic brain injury. Thereby the model of controlled cortical impact (CCI) was established associated with the evaluation of a battery of behavioral tests. Methode: 21 male Sprague-Dawley rats (369±15 g) were trained to achieve the modified Hole-Board Test (mHB-Test) for a period of 14 days and some more behavioral tests (Beam Walking, Beam Balance, neurologic score) for 3 days. After completion of specific baseline parameters of the mHB-Test rats were anesthetized with 1.0-1.5 Vol% halothane in O2/N2O (FiO2=0,33), intubated and mechanically ventilated for surgical preparation. After cranio-tomy CCI was induced using a pneumatic pistol (Ø 5 mm, 1,75 mm depth, 200 ms, 4 m/s). Animals were then randomly assigned to one of two groups for four hours post-traumatic ventilation with Halothan (0,8-1,0 Vol%): group 1=normoventilation (n=10; PaCO2=38-42 mmHg); group 2=hyperventilation (n=11; PaCO2=28-32 mmHg). During the entire study, brain temperature and mean arterial blood pressure were kept at normal physiological levels. Additionally breathing and heart rate, PaO2, pH, glucose and heamoglobin were messured. Upon recovery all behavioral tests were continued to euthanasia on the 20th day. During deep anesthesia rats were decapitated and their brains were sampled, frozen and then cut in 10 µm thick sections to evaluate lesion volume after cresyl violet staining. Results are tabu-lar shown Mean+/-SD and graphical Mean+/-SEM (statistic: ANOVA and post hoc t-test). Results: Hyperventilated rats developed a significant deficit in declarative memory (mHB-Test), with variances especially on days 1-2 after trauma associated with a decreased neuro-logical score on days 1-3 compared to normoventilated animals which had a decrease only on day 1. For motor impairments after CCI the Beam Walking and Beam Balance were most sensitive with deficits in both groups and a significant disability of hyperventilated rats. All impairments were just transient after the traumatic brain injury and adjusted to baseline pa-rameters on day 6. Bodyweight measurements, time of food intake or inactivity (mHB-Test) and all several motoric parameters show a marginal reduction of constitution in the rats after CCI. Exploration parameters of mHB-Test demonstrate that normoventilated rats are more active and explorativ following the CCI in comparison to hyperventilated rats. On day 20 after injury, lesion volume was significant larger in the hyperventilated group (69,7±13,0 mm3) versus the normoventilated group (48,3±15,6 mm3). Discussion: We evaluated a model of CCI, that is inducing a standardized and reproduce-able traumatic brain injury. Four hours of post-traumatic hyperventilation transiently impairs hippocampus-dependent declarative memory as well as neurocognitive and motor functions. Hyperventilation also enhances long-term histological damage. These data suggest, that hyperventilation without controlling intracranial pressure is able to deteriorate primary lesion and should be used with caution after acute head trauma.

Abstract

Einleitung: Im Rahmen dieser Studie wurde der Einfluss kurzfristiger, moderater Hyper-ventilation auf neurokognitive Funktionen, motorische Fähigkeiten und histologischen Schaden an Ratten nach kontrolliertem zerebralen Trauma untersucht. Zusätzlich wurde dabei das Modell des Controlled Cortical Impact (CCI) etabliert und in Kombination dazu verschiedene Verhaltenstest in ihrer Aussagekraft evaluiert. Methode: 21 männliche Sprague-Dawley Ratten (369±15 g) wurden 14 Tage im modifizier-ten Hole-Board Test (mHB-Test) und 3 Tage in weiteren Verhaltenstests trainiert (z.B. Beam Walking, Beam Balance, Neurologischer Score). Nach Erfüllung bestimmter Ausgangskriterien im mHB-Test wurden die Ratten mit 1,0-1,5 Vol% Halothan in O2/N2O (FiO2=0,33) anästhesiert, intubiert und mechanisch beatmet. Nach einer Kraniotomie wurde das kontrollierte zerebrale Trauma mit einem Luftdruck-betriebenen Schussapparat induziert (Ø 5 mm, 1,75 mm Eindringtiefe, 200 ms, 4 m/s). Die Tiere wurden in zwei Versuchs-gruppen für die vierstündige Beatmung unter Halothan (0,8-1,0 Vol%) nach dem Trauma randomisiert: Gruppe 1=Normoventilation (n=10; PaCO2=38-42 mmHg); Gruppe 2=Hyper-ventilation (n=11; PaCO2=28-32 mmHg). Während der gesamten Operation wurden Hirntemperatur und mittlerer arterieller Blutdruck im physiologischen Bereich gehalten. Zusätzlich wurden Atem- und Herzfrequenz, arterieller Sauerstoff-Partialdruck, pH-Wert, Blutglukose und Hämoglobin gemessen. Nach dem Eingriff wurden alle Verhaltenstests bis zur Euthanasie am 20. Tag weitergeführt. Dazu erfolgte die Gehirnentnahme nach Dekapitation in tiefer Narkose. Aus den tiefgefrorenen Gehirnen wurden 10 µm dicke Schnitte zur Bestimmung des Läsionsvolumens hergestellt und mit Kresylviolett gefärbt. Die Ergebnisse werden tabellarisch in Mittelwerten±Standardabweichung und graphisch in Mittelwerten±Standardfehler angegeben (Statistik: ANOVA und post hoc T-Test). Ergebnisse: Nach dem Trauma entwickelten hyperventilierte Ratten signifikante Defizite im deklarativen Gedächtnis (mHB-Test), die am deutlichsten am Tag 1 und 2 zu Veränderun-gen führten. Dementsprechend zeigten sich signifikante Unterschiede im neurologischen Score, der besonders am Tag 1 bis 3 im Vergleich zu den normoventilierten Tieren, die nur am Tag 1 Veränderungen zeigten, verschlechtert war. Am sensitivsten unter den neuro-logisch-motorischen Tests stellten sich der Beam Walking und der Beam Balance mit Defizi-ten in beiden Gruppen nach CCI, wobei die hyperventilierten Tiere signifikant schlechtere Leistungen zeigten. Alle Defizite blieben nur vorübergehen bestehen und 6 Tage nach dem Trauma erreichten die Tiere wieder Ausgangsleistungen. Alle Ratten wurden durch das Trauma nur wenig im Allgemeinbefinden reduziert, wie Körpergewichtsmessung, Fress- und Inaktivitätszeit (mHB-Test) und die einzelnen motorischen Verhaltenstests zeigten. Explorationsparameter des mHB-Tests ergaben, dass normoventilierte Ratten nach der OP aktiver und explorativ interessierter waren als Hyperventilierte. Am 20. Tag nach dem Trauma war das Läsionsvolumen signifikant größer in der hyperventilierten (69,7±13,0 mm3) im Vergleich zur normoventilierten (48,3±15,6 mm3) Versuchsgruppe. Diskussion: In vorliegender Studie wurde ein CCI-Modell evaluiert, das einen standardi-sierten und reproduzierbaren Gehirnschaden induziert. Hyperventilation in den ersten vier Stunden nach einem CCI beeinflusst vorübergehend sowohl das Hippokampus-abhängige deklarative Gedächtnis als auch neurokognitive und motorische Funktionen, der histolo-gische Schaden vergrößert sich langandauernd. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass Hyperventilation ohne Hirndruckkontrolle die primäre Läsion verschlechtern kann und nur mit Vorsicht nach einem akutem Schädel-Hirn-Trauma einzusetzen ist.