Artículo de método

El uso de la caja de rompecabezas como un medio para evaluar la eficacia de Enriquecimiento Ambiental

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DOI:

10.3791/52225

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29 de diciembre de 2014

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1Discipline of Physiology, University of Sydney, 2Bosch Animal Behavioural Facility, University of Sydney

En este artículo

Resumen

El enriquecimiento ambiental proporciona un potencial efecto protector contra los trastornos neurodegenerativos. En la actualidad, sin embargo, no existe una manera fácil de determinar la eficacia de los procedimientos de enriquecimiento. Este protocolo describe un método simple de "Puzzle Box" para evaluar la función cognitiva de un animal, con el fin de revelar la efectividad del enriquecimiento ambiental.

Resumen

El enriquecimiento ambiental puede influir drásticamente en el desarrollo y la función de los circuitos neuronales. Además, se ha demostrado que el enriquecimiento retrasa con éxito la aparición de los síntomas en modelos de la enfermedad de Huntington 1-4, lo que sugiere que los factores ambientales pueden evocar un efecto neuroprotector contra el daño progresivo a nivel celular observado en los trastornos neurodegenerativos. Sin embargo, las formas en que un animal puede enriquecerse ambientalmente pueden variar considerablemente. Además, no existe una manera sencilla de evaluar los efectos del enriquecimiento ambiental: la mayoría de los métodos requieren paradigmas conductuales bastante complicados y/o análisis anatómicos/fisiológicos post mortem. Este protocolo describe el uso de un ensayo conductual simple y económico, el Puzzle Box 5-7, como un medio sólido para determinar la eficacia de una mayor estimulación social, sensorial y motora en ratones en comparación con cohortes criadas en condiciones estándar de laboratorio. Esta sencilla tarea de resolución de problemas se aprovecha del deseo innato de un roedor de evitar los recintos abiertos buscando refugio. La capacidad cognitiva se evalúa añadiendo impedimentos cada vez más complejos a la entrada del refugio. El tiempo que tarda un sujeto determinado en eliminar con éxito las obstrucciones y entrar en el refugio sirve como métrica principal para el rendimiento de la tarea. Este método podría proporcionar un medio fiable para evaluar rápidamente la eficacia de diferentes protocolos de enriquecimiento sobre la función cognitiva, allanando así el camino para determinar sistemáticamente el papel que desempeñan los factores ambientales específicos en el retraso de la aparición de enfermedades neurodegenerativas y del neurodesarrollo.

Introducción

El enriquecimiento ambiental (EE) se puede definir como un entorno que proporcionan los animales con mayor oportunidad para la interacción social, la actividad motora, y una mayor estimulación sensorial que por lo general con experiencia en un environment.EE estándar de laboratorio se ha demostrado que afecta sistemáticamente el comportamiento de los animales, provocando cambios tales como la reducción del estrés y la actividad relacionada con la ansiedad-8-10, la mejora de rendimiento en las tareas de aprendizaje y memoria 8,11, inicio temprano de la coordinación motora y la actividad exploratoria 11, los cambios en la atención materna 8 así como la resistencia a las sustancias adictivas 12- 15. Además, EE ha sido revelado para mejorar los efectos de los trastornos neurodegenerativos, retrasar la aparición y la disminución de la severidad de los síntomas en los modelos animales de la enfermedad de Huntington 1-4,16, 17 de Parkinson y la enfermedad de 18 Alzheimer.

Estos cambios correlacionarse con las alteraciones anatómicas y moleculares EE se sabe que induce en todo el cerebro. Los animales criados en ambientes enriquecidos de primeras etapas de desarrollo muestran una miríada de cambios neuronales, incluyendo el aumento de peso del cerebro y el espesor cortical, ramificación dendrítica 9,2-22 y la densidad sináptica 23. EE puede alterar tanto el nivel y el momento de la expresión del factor de crecimiento 9,24-30, que se ha demostrado que contribuyen al desarrollo acelerado de la sensorial 25,26,28,29, mnemónica 30, así como circuitos de motores 31,32.

Trabajos anteriores han puesto de manifiesto en las conclusiones veces contradictorias cuando se investiga el impacto de EE, sin tener en cuenta los diferentes tipos de animales y ambientes utilizados dentro de los estudios individuales 9,24,27,30. Actualmente, no hay ninguna tarea de comportamiento consistente y simple que puede ser usado para medir la efectividad de varios paradigmas de EE en diferentes cepas y specs de los animales.

La tarea Puzzle Box fue diseñado como una prueba sencilla para determinar problema nativo de un animal habilidad 7 resolver. Se requieren animales colocados en el área abierta para eliminar los materiales situados en una pequeña abertura para acceder a una región / refugio cubierto obstruir. Cada sujeto se administra tres ensayos con la misma obstrucción a fin de evaluar tres atributos cognitivos diferentes. El primer ensayo se obtiene un indicador de línea de base de la capacidad de resolución de problemas inherentes o nativo. El segundo ensayo, se ejecutan en el mismo día, le da una idea de la capacidad del animal para mejorar y así reforzar las estrategias para eliminar la obstrucción específico. El tercer ensayo, llevado a cabo en el día siguiente, da una idea de la capacidad del sujeto para retener y recordar la solución aprendido a la tarea.

La motivación de la resolución de estos rompecabezas "obstrucción" de los animales puede ser variado, potencialmenteevocando un deseo innato para evitar los campos abiertos y buscar refugio, así como un impulso inherente a explorar su entorno 6,7. La multitud de potenciales conductores de comportamiento que subyacen al deseo de resolver el Puzzle Box sugiere que varias áreas del cerebro están involucradas en la mediación de la ejecución de tareas. El trabajo previo ha mostrado que en modelos murinos de la esquizofrenia, la corteza prefrontal así como el hipocampo están implicados en la adquisición de esta tarea 5. Un estudio de la lesión en ratas también ha revelado un gran número de regiones del cerebro implicadas en el rendimiento Puzzle Box, incluyendo varios núcleos talámicos, el hipotálamo, el cerebelo, y estructuras límbicas. En conjunto, estos hallazgos indican que la participación en este problema la solución de tarea implica una serie de estructuras neurales asociados con la función cognitiva.

La caja de rompecabezas ha sido utilizado con éxito para evaluar la capacidad para resolver problemas de los ratones, así como déficits cognitivos exhibido por mmodelos de orina de la esquizofrenia 5-7. El rendimiento en la tarea se ha demostrado ser altamente consistente, y se correlacionan bien con los resultados de otras pruebas de comportamiento cognitivo 6. El objetivo de este trabajo fue así adaptar la tarea Puzzle Box para convertirse en un medio simple y confiable para determinar la eficacia de los EE.

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Protocolo

Declaración de Ética: Todos los procedimientos fueron aprobados por el Comité de Ética Animal de la Universidad de Sydney y se ajustaba a Nacional de Salud y Consejo de Investigación Médica de directrices Australia. Los procedimientos se realizaron en ratones C57 / BL6J que fueron criados en las instalaciones de la Universidad de Sydney Bosch roedores. Todos los animales fueron alojados en una habitación individual adecuadamente ventilada en 21 ° C de temperatura ambiente en un ciclo de luz-oscuridad de 12 horas con las luces encendidas a las 0600 horas en jaulas ventiladas individualmente con acceso ad libitum al alimento seco y agua. Hembras finales del embarazo fueron asignados aleatoriamente a las condiciones de vivienda estándar o enriquecidos ambientalmente.

1. Vivienda (niveles de enriquecimiento):

  1. Obtenga 4 de finales del embarazo adultos ratones hembras. Aleatoriamente asignar 2 a la condición estándar y colocar cada uno de ellos en una jaula ratón estándar limpio (dimensiones 391 x 199 x 160 mm) que contiene un iglú rojo ratón. Para la condición enriquecido, coloque el remaIning 2 ratones en una sola jaula limpia tamaño de una rata (dimensiones 462 x 403 x 404 mm).
  2. En la jaula de enriquecimiento, coloque una variedad de objetos diseñados para aumentar la estimulación sensorial y motor (por ejemplo, ruedas de rodadura, los estímulos visuales, bolas de algodón perfumado, tiras de velcro).
  3. Cada 2 a 3 días se mueven estos objetos sobre dentro de la jaula; refrescar cualquier que se han destruido.
  4. Tras el destete a los 21 días después del parto, los animales del sexo y el lugar en el alojamiento segregado entre hombres y mujeres en consonancia con las condiciones ambientales que se criaron. Para la condición enriquecido aseguran que hay entre 3 y 10 ratones por jaula con 2 y 5 ratones para el estándar. Comenzar las pruebas de comportamiento una vez que los animales alcanzan la edad adulta (12 a 14 semanas de edad).

2. Construcción de la Caja de Puzzle

  1. Obtener 6 piezas de acrílico blanco (u otro material no poroso): uno 750 x 280 mm, dos 280 x 250 mm, dos 750 x 250 mm, y uno de 150 x 280 mm (véase la Figura 1).
  2. Obtener una pieza de acrílico negro 280 x 250 mm, con un 40 x 40 mm abertura cuadrada cortada en un lado de esta pieza (ver Figura 1).
  3. Montar la caja de rompecabezas de la siguiente manera: utilizar la pieza 750 mm x 280 como la parte inferior de la caja, use 280 x 250 mm piezas como los extremos de la caja, y las piezas de 750 x 250 mm como los lados de la caja.
  4. Medir 150 mm en la caja desde un extremo, y colocar la pieza de acrílico negro través de la caja de modo que la divide en dos compartimientos (uno grande, uno pequeño) con la abertura ras con la parte inferior de la caja.
  5. Tome la mm pieza de acrílico blanco 150 x 280 y colocarlo encima del compartimiento más pequeño de la caja y asegúrese de que cubre esta área por completo, proporcionando una cámara oscura "meta-box". Pegue esta pieza de acrílico para el cuerpo de la caja principal por bisagras, o dejar libre para ser eliminado completamente durante las pruebas de comportamiento.
  6. Tome 3 piezas de acrílico (tres 4 x 120 mm) y unirse para hacer una "u-shapcanal ed ".

figure-protocol-1
Figura 1: Diagrama esquemático de la tarea Puzzle Box. El Box Puzzle es una caja de acrílico que consiste en un área de campo abierto (600 x 280 mm) y un área protegida meta-caja (150 x 280 mm), que mide 750 x 280 mm en total. Una abertura de 40 x 40 mm dentro de la partición (gris) que separa las dos zonas permite que los animales puedan acceder a la zona de meta-caja cubierta del campo abierto. Esta apertura se bloquea con obstrucciones que son cada vez más difíciles de eliminar como prueba progresa. Animales sometidos a un protocolo de cinco días, que consiste en cuatro condiciones de obstrucción con tres ensayos para cada condición.

3. Funcionamiento del Grupo de Puzzle Box

  1. Limpiar a fondo el Puzzle Caja con 70% de alcohol. Repita este paso entre cada animal probado.
  2. Coloque un iglú ratón rojo limpio dentro del ar meta-boxea de la caja de rompecabezas, y reemplazar la tapa de la caja de la meta.
  3. Si hay una condición de obstrucción que se prueba, coloque la obstrucción dentro de la puerta de la caja de la meta (ver Figura 2).
  4. Coloca el ratón está probando en la sección de campo abierto de la caja de rompecabezas, orientado hacia el área chica, y en el extremo más alejado de la caja de la meta.
  5. Registre el tiempo necesario para que las cuatro patas del animal para entrar en la sección de meta-caja de la caja de Puzzle.
  6. Si un animal no entra en el área chica, dar por terminado el juicio una vez que se alcanza el límite de tiempo establecido (ver Tabla 1).
  7. Una vez que el juicio ha terminado, retire al animal de la caja de rompecabezas y colocarlo en una jaula de retención separado hasta que comience el próximo juicio. Mantenga una distancia 60 a 180 segundos entre los ensayos para cada animal.
  8. Para cada animal, realizar tres pruebas por día durante cinco días consecutivos de pruebas, con cuatro condiciones de obstrucción y tres ensayos de cada condición. La tercera trial de una condición de obstrucción dado siempre debe administrada en un día posterior (véase la Tabla 1).

figure-protocol-2
Tabla 1: Esquema de la tarea Puzzle Box. La tarea Puzzle Box está dirigido por cinco días, y consta de cuatro condiciones de obstrucción. Hay tres ensayos sobre cada uno de los primeros cuatro días, y uno en el quinto día. Cada condición de obstrucción tiene tres ensayos; los dos primeros en un día, y el tercero el día inmediatamente siguiente. El primer ensayo de una condición de obstrucción tiene como objetivo probar la capacidad de resolución de problemas nativo, el segundo ensayo examina la adquisición de tareas y refuerzo, y el tercer ensayo se utiliza como un ensayo para la retención de la solución y el recuerdo.

figure-protocol-3
Figura 2: Obstruircondiciones de iones dentro de la tarea Puzzle Box. Diagramas esquemáticos de la arena Puzzle Box y las condiciones de obstrucción utilizados en este estudio. (A) Estado 0 (C0), sin obstrucción presente dentro de la puerta entre el campo abierto y las zonas meta-box. (B) Condición 1 (C1 ), con una "forma de U" canal presente dentro de la puerta entre el campo abierto y las zonas meta-box. (C) Condición 2 (C2), donde el canal se llena con material de cama limpia. (D) Condición 3 (C3 ), con un "tapón de tejido" presente dentro de la puerta entre el campo abierto y las zonas meta-box. (E) Condición 4 (C4) con un "tapón de espuma" presente dentro de la puerta entre el campo abierto y meta-box áreas. Las dimensiones de la arena son según listado en Métodos y Figura 1.

4. Interpretación de los Datos

  1. Representar los datos, ya sea como tiempo necesario para comcompletar el ensayo (incluyendo ensayos nulos donde los animales no completó la tarea en el plazo especificado) o como el número de juicios nulos.
  2. Use un ANOVA de medidas repetidas para evaluar el efecto de la condición de vivienda a los resultados dentro de la caja de rompecabezas, con el tipo de obstrucción / condición (C) y el número de tareas (T) factores intra-sujetos y el nivel de enriquecimiento (estándar versus enriquecido) como entre los sujetos del factor .

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Resultados

Los resultados descritos aquí son una muestra representativa, con datos tomados de varias cohortes que constan de diferentes camadas. Todas las pruebas de comportamiento se llevó a cabo entre 0700 y 1100 horas, con el fin de pruebas al azar de animales dentro de una cohorte. Los animales criados en un ambiente enriquecido (n = 14, 7 mujeres y 7 hombres) tuvieron significativamente menos tiempo para resolver las tareas de obstrucción dentro de la caja del rompecabezas que los criados en un entorno estándar (n = 15, 7 muj...

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Discusión

Los datos presentados demuestran que la caja de rompecabezas se puede utilizar con eficacia para evaluar el impacto de los EE. Ratones criados en ambientes enriquecidos tomaron consistentemente mucho menos tiempo para resolver los puzzles de obstrucción dentro de este ensayo de conducta que hizo los animales criados en condiciones normales de laboratorio. Por otra parte, esta diferencia fue más prominente en el primer juicio por tres de las cuatro condiciones de la prueba, lo que sugiere EE tiene una mayor influencia en...

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Divulgaciones

Los autores declaran que no tienen intereses financieros contrapuestos.

Agradecimientos

Los autores no tienen agradecimientos.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Acrílico Negro280 x 250 mm con una "puerta" de 40 x 40 mm cortada en un lado
Tablero280 x 250 mm
Acrílico Blanco280 x 250 mm
Tablero750 x 250 mm
Acrílico Blanco750 x 250 mm
Tablero150 x 280 mm
acrílico blanco
Paso inferior3 piezas de plexiglás o acrílico de 40 x 120 mm
Nota: Si no puede acceder a tablero acrílico, plexiglás o material similar no poroso será suficiente.
WebcamLogitechC210Fijada al techo con cinta aislante. También puedes utilizar un trípode.
VirtualDub v1.10.4VirtualDubN/A Software para la grabación de vídeos de comportamiento. Entrada de la cámara web.
TopScan v 3.0CleverSys Inc.N/A Software para el seguimiento automatizado de la vista superior y el análisis del comportamiento del ratón. Los videos capturados se analizan post-hoc.
Tablero Acrílico Blanco Tablero Acrílico Blanco Tablero Acrílico BlancoTablero

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