采用气味-奖赏关联学习任务,研究生理操作对长期记忆和短期记忆的不同影响。
方法文章
采用气味-奖赏关联学习任务,研究生理操作对长期记忆和短期记忆的不同影响。
稳健且简单的趋近性关联记忆行为范式,对于研究记忆的细胞与分子机制的科研人员至关重要。本文介绍了一种高效且低成本的小鼠行为学实验方案,用于检测生理干预(如药理学试剂的灌注)对气味-奖赏记忆学习速率及记忆持续时间的影响。文中提供了代表性实验结果,该研究探讨了酪氨酸激酶受体活性在短期记忆(STM)与长期记忆(LTM)中的不同作用。雄性小鼠被训练以将奖赏(糖颗粒)与两种气味中的一种建立关联,并在训练后2小时或48小时测试其对该关联的记忆。在训练开始前立即向嗅球(OB)内灌注酪氨酸激酶(Trk)受体抑制剂或对照溶剂。尽管灌注对学习速率无显著影响,但在嗅球内阻断Trk受体选择性地损害了长期记忆(LTM;48小时),而未影响短期记忆(STM;2小时)。这种长期记忆的损害归因于气味选择性的降低,表现为挖掘时间的延长。本实验结果综合表明,嗅球内Trk受体的激活是嗅觉记忆巩固的关键环节。
关联记忆形成的机制此前主要基于单次恐惧条件反射研究进行探讨。然而,许多日常任务通常具有更复杂的习得模式,并依赖于反复接触。本实验方案的目的是提供一种经济高效的啮齿类动物行为范式 ,用于研究多次尝试性奖赏学习与记忆的细胞和分子机制。
依赖主嗅球(OB)的嗅觉学习为多试次奖赏性记忆的研究提供了若干优势。首先,依赖OB的记忆具有不同的持续时间(短期记忆、长期记忆和中间期记忆1),并依赖于与大脑其他区域相同的分子2,3和结构机制,包括神经调制4、长时程增强5以及成年神经发生6,7,8。其次,与海马等高级脑区相比,依赖OB的记忆使得研究者能够更直接地观察感知环境的人为操控与负责学习的神经环路变化之间的对应关系8,9,10,11。本文详细描述了一种可用于研究普遍性分子和结构机制的依赖OB的联想学习与记忆范式。该范式旨在使研究者能够利用嗅觉学习的优势,深入探究记忆的细胞与分子机制。
在我们最近的出版物3中,采用本方案证明了趋近性气味学习的巩固依赖于嗅球内 Trk 受体的激活。在下述方案中,还讨论了可根据不同实验需求调整行为范式的相关环节。
本研究共使用了27只8周龄(插管时年龄)的成年雄性CD-1小鼠。有关具体的分组分布和气味集的使用情况,请参见我们先前发表文章的方法部分3。选择雄性小鼠是为了避免雌激素水平的大幅波动,因为先前的研究12表明,嗅觉记忆会随着雌激素水平的升高而增强。这些小鼠始终维持在12小时光照/12小时黑暗的反向光暗循环条件下,并可自由获取饮水。在行为实验期间,小鼠的饮食 受到限制,以维持其自由进食体重的约90%。饮食限制从行为实验开始前3天起实施。如下文所述,同一批小鼠会被呈现不同的气味集,以便在尽量减少动物使用数量的同时达到适当的统计功效。统计分析部分将说明如何校正由此可能引入的随机变异。
以下方案遵循厄尔汉姆学院动物护理与使用委员会(IACUC)的动物护理指南。
1. 嗅球套管植入
注意:这些手术不需要无菌技术,因为它们不需要做大切口。然而,各个机构的要求可能有所不同。如果实验人员在免疫缺陷小鼠品系上进行此类手术,可能需要额外考虑。总之,建议实验人员在使用本方案前与兽医和动物护理团队进行讨论,并在每次手术之间清洁和消毒所有工具。
2. 联合辨别任务
3. 训练与测试
注意:一旦小鼠开始稳定地挖掘寻找那些不可见但有气味线索提示的奖赏颗粒,即可开始实验。
如上所述,本方案使研究人员能够评估某种干预对学习、短期记忆(STM)和长期记忆(LTM)的影响。此处展示了 Tong 等人 20183 的示例结果。结果支持以下假设:Trk 受体阻断可选择性抑制长期记忆(LTM),但不影响学习或短期记忆(STM)。
图 2A 展示了训练、短期记忆(STM)测试和长期记忆(LTM)测试的示意图。首先,结果显示 K252a 灌注并不影响气味-奖励关联的学习速率。图 2B(第 3.1 节)展示了 K252a 组和溶剂对照组在训练阶段的学习速率。采用线性混合模型进行统计分析,固定效应包括药物组别和试验区块(TB);小鼠个体以及嵌套于小鼠内的气味集合作为随机效应。测试阶段的数据(第 3.2 节)未纳入该分析。结果显示试验区块存在显著的主效应(F(3, 183.692) = 43.735,p < 0.001),但药物组别无显著效应(F(1, 85.685) = 0.132,p = 0.717),且无显著交互作用(F(3, 183.692) = 0.111,p = 0.954)。事后检验采用 Šidák 校正,证实 K252a 组与溶剂对照组在训练期间各试验区块之间均无差异(所有比较的 p > 0.05)。TB2、TB3 和 TB4 均显著高于 TB1(所有情况下的 p ≤ 0.001),表明两组均在 20 次训练试验结束时成功学会了气味-奖励关联。
接下来,为了检验灌注对短期记忆(STM)和长期记忆(LTM)的影响,进行了相同的分析,并纳入了测试阶段的数据(第3.2节)。结果显示药物组与试验区块之间存在显著的交互作用(F(2, 77.558) = 4.043,p = 0.021),但药物组(F(1, 55.629) = 1.438,p = 0.236)和试验区块(F(2, 69.979) = 1.360,p = 0.263)的主效应均不显著。为了专门考察记忆表现,采用Šidák校正进行事后成对比较,分析训练最后一阶段(第3.1节)与测试第一阶段(第3.2节)之间的差异,后者分别在训练后2小时(STM)或48小时(LTM)进行。对于灌注溶剂的小鼠,比较结果显示在训练后2小时和48小时均保留了关联性记忆(所有与训练表现相比的比较中,p > 0.05)。对于灌注K252a的小鼠,训练后2小时测试的第一试验区块(STM)与训练的最后一个试验区块相比无显著差异(p > 0.05);然而,其在48小时后的记忆表现显著降低(p = 0.018)。此外,48小时测试时的记忆表现显著低于2小时测试时的表现(p = 0.009),也显著低于溶剂组在48小时测试时的表现(p = 0.006)。灌注溶剂小鼠与灌注K252a小鼠之间的短期记忆无显著差异(p = 0.356)。综上所述,结果表明在嗅球中通过K252a抑制Trk受体选择性地破坏了长期气味记忆,但不影响短期记忆(图3)。
| 气味组 | 气味 1 | 气味 2 |
| 1 | pentanoic acid | butanoic acid |
| 225.1 | 63.6 | |
| 2 | hexanal | heptanal |
| 11.1 | 35.3 | |
| 3 | propyl acetate | butyl acetate |
| 3.1 | 10.9 | |
| 4 | 2-octanone | 2-heptanone |
| 87.4 | 28.7 | |
| 5 | pentanol | hexanol |
| 37.2 | 127.3 |
表1:气味组合的混合体积。 每一行显示可作为行为实验步骤中成对使用的两种气味。例如,要使用第一组“气味组合”,需配制戊酸和丁酸的混合物。表中的数值表示为达到每种气味1.0 Pa浓度,需在50 mL矿物油中加入的体积(µL)。在训练和测试过程中,一个培养皿用戊酸加香,另一个用丁酸加香。

图 1:套管植入位置及行为实验装置。(A)显示套管、牙科水泥帽和螺钉相对于小鼠头部的相对位置。注意,套管的针头插入两个嗅球内,套管基座本身嵌入牙科水泥帽中。螺钉固定于小脑区域颅骨上钻出的两个孔中。螺钉不接触脑组织本身,但可作为牙科水泥帽的尾端锚定点。图中所示尺寸用于制作水泥帽。(B)显示组装完成的行为实验装置。主体为标准的小鼠饲养笼。笼盖由聚甲基丙烯酸甲酯(亚克力)制成,上面打孔以通风。中央隔板也由黑色亚克力材料制成。笼盖应使用足够厚重的亚克力板,以便在实验过程中作为轨道,使中央隔板能够被提起和放下。(C)显示行为实验装置的一侧。注意中央隔板略高于笼体,便于操作。培养皿盛装的沙子可沿边缘放置。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:研究设计与学习结果。(A)显示研究设计的示意图。请注意,STM 和 LTM 组是相互独立的(即不同组的小鼠)。区块起始处的符号表示给药灌注的时间点。(B)显示训练期间第 1–20 次试验的正确率。结果表明,K252a 组与对照溶剂组的学习速率(曲线斜率)无显著差异。误差条表示平均值的标准误(SEM)。星号表示与 TB1 相比,对照溶剂组和 K252a 组的正确率均显著提高(所有比较的 p ≤ 0.001)。本图经许可改编自 Tong 等人 2018 年的研究3。请点击此处查看此图的放大版本。

图3:Trk受体阻断对短期记忆(STM)和长期记忆(LTM)的不同影响。显示训练阶段第4个试验组块(Trial Block 4)以及短期记忆(STM)和长期记忆(LTM)测试第1个试验组块的正确率。即采用线性混合模型,比较训练阶段最后一个试验组块(图2;Training-TB4)与短期记忆(2小时测试)和长期记忆(48小时测试)测试第一个试验组块(Testing-TB1)期间的正确率。该线性混合模型包含两个固定效应:药物组别和试验组块(Training-TB4、STM-TB1、LTM-TB1),随机效应为小鼠个体以及嵌套于小鼠内的气味组合。事后比较发现,K252a处理小鼠的长期记忆显著受损(与训练阶段TB4比较;p = 0.018),但短期记忆未受影响(p > 0.05)。注入K252a的小鼠在长期记忆测试中的表现也显著低于其自身的短期记忆表现(p = 0.009),且显著低于对照溶剂(vehicle)小鼠的长期记忆表现(p = 0.006)。误差线表示标准误(SEM)。本图经许可改编自Tong等,20183。 请点击此处查看此图的放大版本。

补充文件:用于统计分析的语法。 请点击此处下载该文件。
一次性恐惧条件反射是一种研究记忆分子和细胞动态的强有力行为范式,但许多自然学习过程是渐进式的,最好通过上述范式进行建模。我们课题组先前的研究表明3,在嗅球(OB)中抑制 Trk 受体可阻断多试次奖赏性学习范式中的嗅觉记忆巩固。该发现为研究神经营养因子等分子机制在奖赏性与厌恶性学习中不同的作用时间点开辟了新的研究途径。
本实验包含两个关键部分:(1)插管手术和(2)关联性辨别任务(进一步分为塑造期、训练期和测试期)。实验人员可根据具体的研究问题调整本方案。例如,我们的研究主要关注嗅球(OB),而该已建立的方案可轻松应用于其他嗅球相关研究。对于关注其他脑区的研究人员,应在预实验中验证给药部位。此外,实验人员还需考虑所注射物质的扩散速率、空间渗透范围以及生物活性持续时间。
本方案中所述的训练步骤已被本方案作者广泛使用。严格遵循所述步骤,似乎对于使小鼠及时学会任务至关重要。若采用其他时间安排,作者观察到小鼠对任务的熟悉程度存在更大差异,这意味着需要额外的训练,才能使所有小鼠达到使用实验气味进行测试的标准。在训练和测试过程中,研究人员可根据自身研究兴趣,灵活调整试验次数、实验气味的浓度以及气味之间的相似性。我们建议在可能的情况下使用多组气味,如我们所述,以减少实验所需的动物数量。有关如何在最终分析中考虑使用多组气味的指导,请参见统计分析部分。原则上,可通过改变气味对的相似性来调节辨别难度。在我们课题组先前发表的研究3中,气味对由属于相同官能团但碳链长度相差一个碳原子的两种气味分子组成。此类辨别任务比碳链长度相差两个或以上碳原子的气味对更难,但比对映异构体(例如,(+)-柠檬烯和(-)-柠檬烯)更容易。不同官能团的气味分子在感知上差异显著。Cleland 等人13进一步讨论了更多刺激变量及其对特定学习参数的影响。
该方案的一个主要局限性在于,与可并行测试多只动物的自动化关联学习任务相比,执行所需时间要长得多。对于单次测试,一名研究人员至少需要20分钟才能完成一只小鼠的20次试验。然而,正是由于缺乏自动化,使得该方案在经费上更具可及性,这对许多机构而言是一个优先考虑的因素。重要的是,在本实验中发现,该方案在培训对行为神经科学感兴趣的学生研究人员方面具有很高的可操作性和有效性。特别是,这些学生在获得科研参与通常带来的益处之外,还能发展出扎实的动物操作技能。
对采用该范式感兴趣的研究人员可以调整多个参数。最明显的是,对机制的药理学操控具有多样性,该行为学方案可与化学遗传学技术或多种其他调控分子与细胞通路的方法(例如光遗传学)结合使用。该范式本身也可进行调整,以改变所测试的学习与记忆类型。例如,研究人员可以调节所呈现两种气味之间的相似性,以控制学习速率。在我们的研究3中,气味对由同一官能团的两种气味分子组成,彼此之间仅相差一个碳原子长度。这类辨别任务比相差两个或更多碳原子长度的气味对更困难,但比对映异构体(例如 (+)-柠檬烯和 (-)-柠檬烯)更容易。来自不同官能团的气味分子在感知上差异显著。Cleland 等人13进一步讨论了更多刺激变量及其对特定学习参数的影响,结论是气味越相似,越难以区分,因此需要更长时间才能学会14。这些操控也会影响记忆的强度。在此基础上,研究人员可能希望在学习后的不同时间点测试记忆表现。例如,两项研究15,16探讨了BDNF在单次试次厌恶学习任务中长时记忆(LTM)维持中的作用。BDNF是TrkB的配体。研究发现,在学习后12小时向海马体灌注抗BDNF反义寡核苷酸,可阻断7天后的长时记忆,但不影响2天后的记忆。该研究表明,初始学习后分子机制的时间尺度在长时记忆中发挥着有趣但尚未被充分理解的作用。本文所描述的行为学方案可用于探究这些时间尺度。未来应用中其他值得关注的参数包括所使用的小鼠模型。例如,在未来的研究中,可以用雌性小鼠替代雄性小鼠(雄性小鼠的神经生物学特性已被更广泛地研究)17,以考察学习速率、短时记忆(STM)和长时记忆(LTM)的性别差异,因为雌性哺乳动物对气味的敏感性和分辨能力高于雄性哺乳动物18。当然,该方案也可有效应用于各类疾病相关的啮齿类动物模型。
本文作者无任何竞争性经济利益。
本项目由Scantland暑期合作研究捐赠基金和Stephen与Sylvia Tregidga Burges冠名研究基金资助。作者谨向厄尔哈姆学院心理学系及神经科学项目中的同事们致以感谢,感谢他们提供的支持与指导。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 双导管套管 | PlasticsOne | C235GS-5-1.5/SPC | 定制订单 |
| (-)-柠檬烯 | Sigma-Aldrich | 218367-50G | |
| (+)-柠檬烯 | Sigma-Aldrich | 183164-100ML | |
| 2-丁酮 | Sigma-Aldrich | 537683 | |
| 2-辛酮 | Sigma-Aldrich | O4709 | |
| 5mg 蔗糖颗粒 | 测试饮食 | 1811560 | 自定义尺寸。用于奖励 |
| 丁酸 | Sigma-Aldrich | B103500 | |
| 乙酸丁酯 | Sigma-Aldrich | 402842 | |
| 牙科水泥粉(珊瑚) | A-M Systems | 525000 | |
| 牙科水泥溶剂 | A-M Systems | 526000 | |
| 双连接器组件 | PlasticsOne | C232C | |
| 双假性套管针 | PlasticsOne | C235DCS-5/SPC 假体双联 | 定制订单 |
| 双注射器 | PlasticsOne | C235IS-5/SPC | 定制订单 |
| 钻孔 | Kopf Instruments | Model 1474 高速立体定位钻机 | 此操作需要额外的 "适配器" 通过用实验室胶带包裹钻头以增加其周长,从而使其适配特定的钻头夹具。对于需要无菌操作的手术,此方法可能不适用。 |
| 眼膏 | 从当地药店购买 | ||
| 图1 插图软件 | BioRender | ||
| 庚醛 | Sigma-Aldrich | W254002 | |
| 己醛 | Sigma-Aldrich | 115606 | |
| 己醇 | Sigma-Aldrich | H13303 | |
| 输液泵型号 11 | 哈佛仪器公司 | 4169D | 可通过美国仪器交易所获取二手泵 |
| 异氟烷 | Santa Cruz Animal Health | sc-363629Rx | 订购需提供兽医处方 |
| K252a | Sigma-Aldrich | K2015 | 混合至 DMSO(5%)中,终浓度为 50 μM |
| 酮洛芬 | Allivet | 25920 | 订购需提供兽医处方 |
| 利多卡因 | Aspercreme | 购自亚马逊 | |
| 安装螺钉 | PlasticsOne | 00-96 X 3/32 | |
| 小鼠麻醉面罩 | Kopf Instruments | Model 907 小鼠麻醉面罩 | 与立体定位仪联用,可在小鼠处于立体定位状态下提供氧气和麻醉气体 |
| 小鼠鼻部适配器 | Kopf Instruments | Model 926 小鼠适配器 | 与立体定位仪配合使用,以固定小鼠头部。 |
| 诺瓦尔桑 | Jeffers | 41375 | |
| 戊酸 | Sigma-Aldrich | 240370 | |
| 戊醇 | Sigma-Aldrich | 138975 | |
| 玻璃底培养皿 | VWR | 10754-804 | |
| 聚碳酸酯笼盒é 底部 | Ancare | N10PCSEC | 使用普通饲养笼,并在笼子中部定制安装一条轨道,用于固定不透明的亚克力隔板 |
| 丙酸丙酯 | Sigma-Aldrich | 537438 | |
| Quikrete 优质儿童沙 | 从当地五金店购买 | ||
| 生理盐水 | 洞察针 | N/A | 用于药物配制的无菌生理盐水 |
| 立体定位仪 | Kopf Instruments | Model 902 小动物脑立体定位仪 | |
| 测试室 | Ancare | N10PCSEC | 我们的测试舱是利用常规的小鼠饲养笼进行改造的。文稿中详细描述了具体操作过程。 |
| Vetbond 组织粘合剂 | 3M | 购自亚马逊 |
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