Das achtarmige radiale Wasserlabyrinth wurde entwickelt, um die Referenz- und Arbeitsgedächtnisleistung gleichzeitig zu bewerten, indem von den Probanden verlangt wird, Extra-Labyrinth-Signale zu verwenden, um Fluchtplattformen zu lokalisieren und die Einschränkungen zu beheben, die bei landgestützten radialen Armlabyrinth-Designs beobachtet wurden.
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Methodenartikel
Verwendung eines achtarmigen radialen Wasserlabyrinths zur Beurteilung des Arbeits- und Referenzgedächtnisses nach einer Hirnverletzung bei Neugeborenen
In diesem Artikel
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Arbeits- und Referenzgedächtnis werden üblicherweise mit dem landbasierten radialen Armlabyrinth bewertet. Dieses Paradigma erfordert jedoch Vortraining, Nahrungsentzug und kann zu Geruchsreizverwirrungen führen. Das achtarmige radiale Wasserlabyrinth ist so konzipiert, dass es die Referenz- und Arbeitsgedächtnisleistung gleichzeitig bewertet, indem die Probanden zusätzliche Labyrinth-Signale verwenden müssen, um Fluchtplattformen zu lokalisieren und die Einschränkungen zu beheben, die bei landgestützten Radialarm-Labyrinth-Designs beobachtet wurden. Konkret werden die Probanden aufgefordert, die Arme, die zuvor für die Flucht verwendet wurden, während jedes Testtages zu meiden (Arbeitsgedächtnis) sowie die festen Arme, die niemals Fluchtplattformen enthalten (Referenzgedächtnis). Wiedereintritte in Arme, die bereits während einer Testsitzung zur Flucht verwendet wurden (und damit die Fluchtplattform entfernt wurde) und Wiedereintritte in Referenzgedächtnisarme sind ein Hinweis auf Defizite des Arbeitsgedächtnisses. Alternativ sind erste Einträge in Referenzgedächtnisarme ein Hinweis auf Referenzgedächtnisdefizite. Wir nutzten dieses Labyrinth, um die Leistung von Ratten mit neonataler Hirnverletzung und Scheinkontrollen nach Induktion von Hypoxie-Ischämie zu vergleichen und zeigten nach elftägiger Testphase signifikante Defizite sowohl im Arbeits- als auch im Referenzgedächtnis. Dieses Protokoll könnte leicht modifiziert werden, um viele andere Modelle von Lernstörungen zu untersuchen.
Einleitung
Das Arbeitsgedächtnis (WM) entspricht einem kritischen kognitiven Bereich, der für die Repräsentation von Objekten oder Orten während des zielgerichteten Verhaltensbenötigt wird 1. Alternativ wird ein Referenzspeicher (RM) für zeitlich stabile Darstellungen dieser Objekte oder Orte benötigt. Das Arbeits- und Referenzgedächtnis wird bei Nagetieren seit langem unter Verwendung von landbasierten Radialarm-Labyrinth-Paradigmen untersucht2,3. Diese Aufgaben erfordern jedoch häufig ein Vortraining, da Ratten nicht für spontanes Labyrinthlaufen prädisponiert sind. Dies kann die für die Durchführung eines Experiments benötigte Zeit erheblich verlängern und zeitkritische Längsschnittkonstruktionen beeinträchtigen. Zu den weiteren Einschränkungen des achtarmigen Labyrinths an Land gehören die Anforderungen an Nahrungsentzug und die Schwierigkeit, Veränderungen der Geruchshinweise zu kontrollieren, die nach jedem Versuch auf dem Labyrinth hinterlassen werden. Viele dieser Einschränkungen wurden durch die Verwendung des Morris-Wasserlabyrinth-Paradigmas4 überwunden, jedoch waren diese Designs in der Vergangenheit auf das Testen des Referenzgedächtnisses und des räumlichen Lernens beschränkt (Ausnahmen5-9). Das achtarmige radiale Wasserlabyrinth ist eine modifizierte Version des achtarmigen radialen Landlabyrinths, das zur Bewertung des Referenz- und Arbeitsgedächtnisses bei Ratten und Mäusen5-7 verwendet wurde. Im Gegensatz zu herkömmlichen landgestützten Labyrinthen erfordert das achtarmige radiale Wasserlabyrinth keinen Nahrungsentzug, minimiert potenzielle verwirrende Geruchshinweise und nutzt die Motivation der Probanden zur Flucht als effektives Mittel, um das Arbeits- und Referenzlernen und das Gedächtnis gleichzeitig zu bewerten, ohne dass ein Vortraining5-7 erforderlich ist.
Eine Anwendung für dieses Paradigma ist das Testen von Arbeitsgedächtnisdefiziten nach einer Hirnverletzung bei Neugeborenen. Untersuchungen am Menschen haben gezeigt, dass Frühgeborene mit einem Risiko für Hirnverletzungen später im Leben Defizite des Arbeitsgedächtnisses aufweisen10,11. Die Hirnschädigung bei Neugeborenen kann bei Nagetieren modelliert werden, indem Hypoxie/Ischämie (HI) zu Beginn der postnatalen Entwicklung induziertwird 12-15. Noch wichtiger ist, dass Defizite des räumlichen Lernens und des Arbeitsgedächtnisses, die bei gefährdeten Säuglingen gefunden wurden, bei Nagetieren mit dem radialen Arm-Wasserlabyrinth parallelisiert werden, was es zu einem robusten Modell für die Untersuchung solcher Beeinträchtigungen macht8,9. Das achtarmige radiale Wasserlabyrinth ermöglicht auch die gleichzeitige Quantifizierung des Referenz- und Arbeitsgedächtnisses und eignet sich daher ideal für den Vergleich von hirngeschädigten und nicht verletzten Probanden in zeitsensitiven Modellen (d.h. während diskreter Entwicklungswitwen) oder für gegenbalancierte Längsschnittdesigns.
In diesem Protokoll beschreiben wir Testverfahren mit einem achtarmigen radialen Wasserlabyrinth (siehe Abbildung 1) und Beispieldaten für Ratten mit und ohne neonatale hypoxisch-ischämische Verletzung. Die Hypoxie-Ischämie (HI) wurde am 7. postnatalen Tag nach Verätzung der rechten Arteria carotis communis und 120 Minuten mit 8% Sauerstoffexposition induziert. Dieses chirurgische Verfahren wurde ausgiebig zur Modellierung der Pathologie von Frühgeborenen und neonatalen Hirnverletzungen eingesetzt (Details siehe12,13,16,17). Wir zeigen, dass das Paradigma des radialen Armwasserlabyrinths Defizite im Referenzgedächtnis und im Arbeitsgedächtnis nach einer neonatalen HI-Verletzung aufzeigt. Im aktuellen Protokoll wird der Referenzspeicher anhand von vier spezifischen Armen des achtarmigen radialen Wasserlabyrinths bewertet, die während des gesamten Tests gegenüber zusätzlichen Labyrinthhinweisen konstant bleiben. Diese Arme enthalten nie eine Fluchtplattform, so dass die Einträge der Probanden in diese Arme eine schlechte Referenzgedächtnisleistung und Defizite beim Langzeitlernen widerspiegeln. Die restlichen vier Arme enthalten zu Beginn des Tages alle Fluchtplattformen, jedoch wird jede Plattform entfernt, sobald das Tier erfolgreich in einen Arm eintritt und dem Wasser5-7 entkommt. Dies erfordert, dass sich das Tier daran erinnert, in welche Arme es in den vier aufeinanderfolgenden Versuchen eingedrungen ist, was den Arbeitsgedächtnisbedarf erhöht, wenn jede zusätzliche Plattform entfernt wird. Das Arbeitsgedächtnis wird bewertet, indem Wiedereintritte in Arme, die zuvor zur Flucht innerhalb desselben Testtages verwendet wurden, oder Wiedereintritte in Referenzgedächtnisarme untersucht werden. Darüber hinaus verwendet dieses Design Extra-Labyrinth-Hinweise, um die Fluchtplattformen zu lokalisieren, was das hippocampusabhängige räumliche Lernen widerspiegelt. Diese Methode zur Bewertung von Arbeits- und Referenzgedächtnisfehlern wurde ursprünglich von Jarrard et al. verwendet.18 und wird seitdem ausgiebig verwendet, um Nagetiermodelle für altersbedingte neurologische Störungen, Lernbehinderungen und nach hormonellen Manipulationen zu bewerten5,6,7,19,20.
Das primäre Ziel dieses Paradigmas ist es, das Referenz- und Arbeitsgedächtnis zu bewerten, daher sollte das achtarmige radiale Wasserlabyrinth-Design nicht darauf beschränkt sein, Defizite aufgrund von Entwicklungs-Hirn-Verletzungen zu testen. Stattdessen zeigen frühere Studien, die dieses Paradigma verwenden, dass eine Vielzahl von Nagetiermodellen ausgewertet werden kann, um die Pathologie des Lernens und des Gedächtnisses in vielen experimentellen Kontexten zu beurteilen5,6,7,18,19,20.
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Protokoll
Alle Verfahren wurden vom Rhode Island College Institutional Animal Care and Use Committee genehmigt und entsprechen dem National Institutes of Health Guide for the Care and Use of Laboratory Animals.
1. Labyrinth-Konfiguration
- Platzieren Sie klare, statische, hervorstechende Extra-Labyrinth-Hinweise (gemalte Formen, Möbel oder andere stationäre Raumelemente) um das Labyrinth herum.
Hinweis: Alle Extra-Labyrinth-Hinweise müssen für die Dauer des Experiments an derselben Stelle verbleiben. - Legen Sie die Nabe und die Arme des Radialarmlabyrinths in eine Kunststoffwanne (siehe z.B. Gerätetabelle).
Hinweis: Das in diesem Protokoll verwendete Labyrinth besteht aus acht abnehmbaren Edelstahlarmen, die an acht zentralen Stützen befestigt sind, die an einem kreisförmigen Edelstahlsockel befestigt sind, der schwarz lackiert wurde (siehe Abbildung 1 für das Diagramm und die entsprechenden Abmessungen). Die in Abbildung 1 beispielhaft dargestellte Kunststoffwanne hat einen Innendurchmesser von 122 cm und eine Höhe von 60 cm. - Füllen Sie die Wanne mit auf Raumtemperatur (22-26 °C) erwärmtem Wasser7.
- Platzieren Sie Plattformen 1 cm unter der Wasseroberfläche an den Enden von vier der acht Arme.
Hinweis 1: Für jedes Subjekt sind die Standorte der Plattform für die Dauer des Tests festgelegt. Unabhängig von der Konfiguration sollte darauf geachtet werden, dass die Plattformen nicht in mehr als zwei benachbarten Armen platziert werden (es sollten sich nicht mehr als zwei Plattformen in benachbarten Armen befinden). Platzieren Sie keine Plattform im Startarm.
Hinweis 2: Die versteckten Plattformen müssen in der gleichen Farbe wie der Labyrinth-Einsatz gestrichen werden, um mit dem Labyrinthhintergrund zu verschmelzen.
2. Übertragen von Probanden zum Testen
- Bringen Sie die Probanden unter Beibehaltung der festgelegten Testreihenfolge aus dem Vivarium in den Testraum.
Hinweis: Die Tiere sollten in einen undurchsichtigen Käfig gesetzt werden, um den Stress zu verringern und zu verhindern, dass die Hinweise im Testraum sichtbar werden. - Sobald Sie sich im Testraum befinden, stellen Sie alle undurchsichtigen Käfige der Gruppe 1 auf eine Bereitstellungsbank oder einen Tisch, um die Testreihenfolge beizubehalten.
Hinweis: In einer großen Studie (z.B. 30 Probanden) kann es am besten sein, die Probanden in Testgruppen aufzuteilen (z.B. 3 Gruppen à 10 Probanden). Dies hängt von der Größe Ihres Testraums und der Machbarkeit des Probandentransports ab.
3. Digitales Tablet-Protokoll zum Aufzeichnen von Labyrinth-Arm-Einträgen
- Öffnen Sie ein PDF-Writer-Programm auf dem digitalen Tablet.
- Importieren Sie alle vorgespeicherten Datenaufzeichnungsvorlagen für Probanden in der Gruppe 1.
Hinweis: Jede Aufzeichnungsvorlage sollte vorab gespeichert und mit bestimmten Probanden- und Versuchsnummern (z. B. Fach 1_trial 1, Fach 1_trial 2 usw.) beschriftet werden, wobei insgesamt vier Vorlagen für jedes Fach (Versuch 1-4) vorhanden sind. Die Vorlage sollte eine leere Darstellung des Labyrinths und der Plattformstandorte sowie einen Ort zum Aufzeichnen der Probandennummer, der Testnummer, des Testtages, der verwendeten Escape-Plattform und der Testlatenz enthalten (siehe Abbildung 2). - Öffnen Sie die Vorlage für den ersten Versuch Ihres ersten Probanden.
Hinweis: Dieses System kann auch mit Papiervorlagen für Forscher ohne Zugang zu Tablets oder Tablet-basierten Notizprogrammen verwendet werden.
4. Testen des radialen Arm-Wasserlabyrinths
- Wenn die Tiere in Paarhaltung gehalten werden, trennen Sie die Probanden vor der Testsitzung. Bringen Sie den ersten Probanden in einen separaten, undurchsichtigen Wärmekäfig.
Hinweis: Der Käfig sollte mit einem Heizkissen auf 37 °C erwärmt werden, um die Körpertemperatur zwischen den Testversuchen aufrechtzuerhalten. - Vergewissern Sie sich vor dem ersten Versuch jedes Probanden, dass die Probandenidentifikationsnummer mit der Probandennummer auf dem Datenaufzeichnungsblatt übereinstimmt, und stellen Sie sicher, dass die Plattformen in dem achtarmigen Wasserlabyrinth korrekt positioniert sind.
- Platzieren Sie das Motiv in den Startarm, der zur Wand des Labyrinths zeigt, und starten Sie den Timer.
Hinweis: Dieses Protokoll wurde für zwei Experimentatoren entwickelt, einer für die Aufzeichnung der Daten und einer für die Behandlung der Probanden. Während dieser Zusammenarbeit ist die Kommunikation zwischen den Experimentatoren von größter Bedeutung. Die Bestätigung der Startzeiten, der Anzahl der Probanden und der korrekten Platzierung auf der Plattform vor jedem Test ist unerlässlich. - Bleiben Sie während jedes Versuchs an einer bestimmten Position im Raum stationär, um die Konsistenz des Hinweises während jedes Versuchs zu wahren.
Hinweis: Es sollte darauf geachtet werden, dass während der Experimente keine auffälligen Signale (z. B. Parfüms) gesendet werden, und die Versuchsteilnehmer sollten jeden Tag die gleichen Kleidungsstücke (Laborkittel) tragen, um die Konsistenz der Signale zu wahren. - Zeichnen Sie jeden Eintritt in einen Arm auf, indem Sie den entsprechenden Arm in der Aufnahmevorlage auf dem digitalen Tablet markieren.
Hinweis: Ein Eintrag tritt auf, wenn die Schultern eines Motivs die Öffnungsebene des Arms durchbrechen. - Es kann maximal 120 Sekunden dauern, bis das Subjekt eine der vier Plattformen gefunden hat. Sobald das Tier die Plattform erreicht hat, stoppen Sie den Timer, die Prüfung ist abgeschlossen.
Hinweis: Um die Konsistenz zu wahren, wird gesagt, dass ein Subjekt das Ziel erreicht hat, wenn sich seine Vorderpfoten auf der Plattform befinden. - Wenn die Person die Plattform nicht innerhalb von 120 Sekunden finden kann, führen Sie sie vorsichtig zur nächstgelegenen Plattform und lassen Sie sie 10 Sekunden lang auf der Plattform bleiben, bevor Sie sie entfernen, um sicherzustellen, dass das Tier den Zielort kennt.
- Lassen Sie den Probanden nur am ersten Tag nach jedem der vier Versuche 10 Sekunden lang auf der Plattform sitzen, damit der Proband sich auf die räumlichen Hinweise beziehen kann.
- Entfernen Sie nach Abschluss der Studie die Versuchsperson von der Plattform, indem Sie sie vorsichtig am Körper anheben.
- Starten Sie den Timer für das Intervall von 90 Sekunden zwischen den Versuchen.
- Platzieren Sie das Motiv wieder in den Einzelkäfig über dem Wärmeregulierungskissen.
- Notieren Sie die spezifische Plattform, die für die Flucht verwendet wird, indem Sie die entsprechende Stelle auf der Datenaufzeichnungsvorlage umkreisen.
- Entfernen Sie während dieses Intervalls die Fluchtplattform, die der Proband in der vorherigen Studie verwendet hat.
- Öffnen Sie die Vorlage für den nächsten Versuch und markieren Sie alle Plattform(en), die für die Flucht des Probanden verwendet und somit in früheren Versuchen entfernt wurden, mit einem X.
Hinweis: Das Markieren aller fehlenden Plattformen vor einer nachfolgenden Testversion ist entscheidend für die Definition von Fehlertypen (z. B. korrekter Referenzspeicher und/oder Arbeitsspeicher). - Bestätigen Sie vor dem Start einer nachfolgenden Testversion die Anzahl der Testteilnehmer, die Testnummer und die verbleibenden Standorte der Plattform.
- Nachdem das Intervall von 90 Sekunden zwischen den Versuchen abgelaufen ist, setzen Sie den Probanden in den Startarm, der der Wand des Labyrinths zugewandt ist, und starten Sie den Timer für den nächsten Versuch.
- Wiederholen Sie diesen Vorgang für die Prüfungen 2-4, indem Sie die nach jedem Versuch erreichte Fluchtplattform entfernen und die Schablone während und nach jedem Versuch entsprechend markieren (d. h. platzieren Sie X und X über entfernten Plattformen, zeigen Sie die eingetretenen Arme an und kreisen Sie die für die Flucht verwendete Plattform ein).
- Sobald alle vier Versuche für einen Probanden abgeschlossen sind, setzen Sie die Fluchtplattformen wieder in die entsprechenden Arme des Labyrinths und wiederholen Sie den Testvorgang für den nächsten Probanden (Testschritte 4.1-4.17).
- Sobald die Tests für Gruppe 1 abgeschlossen sind, exportieren Sie die Datenaufzeichnungsblätter in einen Ordner für diesen Testtag (z. B. Tag 1) und speichern Sie ihn in einem Dateispeichersystem.
Hinweis: Die Datenaufzeichnungsblätter sollten vor dem Start der nächsten Testgruppe exportiert werden, um die Wahrscheinlichkeit eines Datenverlusts zu minimieren. - Wiederholen Sie dies für jede Gruppe (Testschritte 2.1-4.19).
5. Abhängige Variablen
- Zählen Sie für jeden Versuch die Anzahl der ersten und wiederholten Eintritte in einen beliebigen Arm, der zuvor über eine Plattform verfügte. Dies wird durch ein X über der Plattform auf dem Datenaufzeichnungsblatt angezeigt. Dies sind die Fehler bei der Korrektur des Arbeitsspeichers.
Hinweis: Da Fehler bei der Korrektur des Arbeitsspeichers davon abhängen, dass Sie sich an die Position einer Plattform erinnern, die bereits für die Flucht verwendet wurde, und diesen Arm vermeiden, können Sie beim ersten Versuch keinen Fehler bei der Korrektur des Arbeitsgedächtnisses haben. - Für jeden Versuch wird die Anzahl der ersten Eintritte in einen Arm gezählt, der nie eine Plattform aus dem Datenaufzeichnungsblatt enthielt. Dabei handelt es sich um Referenzspeicherfehler.
- Für jeden Versuch wird die Anzahl der wiederholten Einträge in einen Arm gezählt, der nie eine Plattform aus dem Datenaufzeichnungsblatt enthielt. Dabei handelt es sich um Fehler im Arbeitsspeicher.
- Zeichnen Sie die Latenz auf, um die Plattform für jede Testversion zu erreichen.
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Ergebnisse
Beispieldaten aus unserem Labor zeigen signifikant mehr falsche Arbeitsgedächtnisfehler bei HI-Tieren im Vergleich zu Sham-Tieren am elften Tag der Untersuchung (t = 2.124, p<0.05, (siehe Abbildung 3A)). HI-Tiere zeigten ebenfalls signifikant mehr Referenzgedächtnisfehler als Sham-Tiere am elften Tag der Tests (t = 2.303, p<0.05, (siehe Abbildung 3B)). Falsche Arbeitsgedächtnis- und Referenzfehler beinhalten die Gesamtanzahl der kumulativen Fehler über alle vier Versuche für jedes ...
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Diskussion
Das achtarmige radiale Wasserlabyrinth-Paradigma wurde in unserem Labor und von anderen erfolgreich eingesetzt, um die Arbeits- und Referenzgedächtnisleistung bei Ratten mit und ohne neonatale Hirnverletzung zu beurteilen5-7,18-20. Im aktuellen Paradigma erhöht die Entfernung einer Fluchtplattform nach jedem Versuch den Bedarf an Arbeitsgedächtnis (die Probanden haben weniger Fluchtmöglichkeiten) bei nachfolgenden Versuchen. Daher bleibt im vierten Versuch nur eine Plattform übrig und die Arbeitsgedächtnisanfo...
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Offenlegungen
Die Verfasser erklären, dass sie keine konkurrierenden finanziellen Interessen haben.
Danksagungen
Die Autoren möchten William Martin und der Kunstabteilung des Rhode Island College für die Unterstützung bei der Herstellung von Labyrinthen danken. Wir möchten uns auch bei den Studenten des Rhode Island College, Katrina Feyerherm, Molly La Rue und Nick Lafond, für ihre Arbeit beim Laufen von Probanden auf dem achtarmigen Wasserlabyrinth bedanken. Diese Arbeit wurde durch einen Zuschuss des Rhode Island Idea Network for Biomedical Research Excellence (RIINBRE) und des NIH National Center for Research Resources (Grant# P20 RR16457-12) unterstützt. Unterstützung gab es auch vom Eunice Kennedy Shriver National Institute Of Child Health & Human Development der National Institutes of Health unter der Fördernummer R15HD077544.
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Materialien
| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| Kunststoffwanne | Gototanks http://www.gototanks.com | ARM-19455 | kann je nach getesteter Spezies oder individuellen Laboranforderungen variieren. |
| iPad oder anderes digitales Tablet | Apple Inc. | N/A | http://www.apple.com |
| Notability oder andere Notizanwendung | Gingerlabs | N/A | http://www.gingerlabs.com Digitaler PDF-Schreiber oder Notizprogramm |
| Digitaler Timer | Beliebig | N/A | |
| Deltaphase isothermes Heizkissen | Braintree Scientific | ASS7D | http://www.braintreesci.com/ |
| Edelstahl Stahllabyrinth | Hergestellt im Haus | N/A |
Referenzen
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