Le labyrinthe d’eau radial à huit bras est conçu pour évaluer simultanément les performances de référence et de mémoire de travail en demandant aux sujets d’utiliser des indices extra-labyrinthiques pour localiser les plates-formes d’évacuation et remédier aux limitations observées dans les conceptions de labyrinthes à bras radiaux terrestres.
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Article de méthode
Utilisation d’un labyrinthe d’eau radiale à huit bras pour évaluer la mémoire de travail et la mémoire de référence après une lésion cérébrale néonatale
Dans cet article
Résumé
Résumé
La mémoire de travail et la mémoire de référence sont couramment évaluées à l’aide du labyrinthe de bras radial terrestre. Cependant, ce paradigme nécessite un pré-entraînement, une privation de nourriture et peut introduire des facteurs de confusion olfactifs. Le labyrinthe aquatique radial à huit bras est conçu pour évaluer simultanément les performances de référence et de mémoire de travail en demandant aux sujets d’utiliser des indices extra-labyrinthiques pour localiser les plates-formes d’évacuation et remédier aux limites observées dans les conceptions de labyrinthes à bras radiaux terrestres. Plus précisément, les sujets sont tenus d’éviter les bras précédemment utilisés pour s’échapper au cours de chaque jour de test (mémoire de travail) ainsi que les bras fixes, qui ne contiennent jamais de plates-formes d’évacuation (mémoire de référence). Les rentrées dans des bras qui ont déjà été utilisés pour l’évacuation lors d’une session d’essai (et donc la plate-forme d’évacuation a été retirée) et les rentrées dans des bras de mémoire de référence sont indicatives de déficits de mémoire de travail. Alternativement, les premières entrées dans les bras de mémoire de référence sont indicatives de déficits de mémoire de référence. Nous avons utilisé ce labyrinthe pour comparer les performances de rats avec des lésions cérébrales néonatales et des contrôles simulés après l’induction d’une hypoxie-ischémie et montrer des déficits significatifs dans la mémoire de travail et de référence après onze jours de tests. Ce protocole pourrait être facilement modifié pour examiner de nombreux autres modèles de troubles d’apprentissage.
Introduction
La mémoire de travail (WM) correspond à un domaine cognitif critique requis pour la représentation d’objets ou de lieux lors d’un comportement orienté vers un but1. Alternativement, la mémoire de référence (RM) est nécessaire pour des représentations temporellement stables de ces objets ou lieux. La mémoire de travail et la mémoire de référence ont longtemps été évaluées chez les rongeurs à l’aide de paradigmes de labyrinthe à bras radiaux terrestres2,3. Cependant, ces tâches nécessitent souvent un pré-entraînement, car les rats ne sont pas prédisposés à courir spontanément dans des labyrinthes. Cela peut augmenter considérablement le temps nécessaire à la réalisation d’une expérience et interférer avec les conceptions longitudinales sensibles au temps. D’autres limites du labyrinthe terrestre à huit bras comprennent la privation de nourriture et la difficulté à contrôler les changements dans les indices olfactifs laissés sur le labyrinthe après chaque essai. Bon nombre de ces limitations ont été surmontées en utilisant le paradigme 4 du labyrinthe aquatiquede Morris, mais historiquement, ces conceptions ont été limitées à tester la mémoire de référence et l’apprentissage spatial (exceptions5 à 9). Le labyrinthe d’eau radial à huit bras est une version modifiée du labyrinthe terrestre radial à huit bras, qui a été utilisé pour évaluer à la fois la mémoire de référence et la mémoire de travail chez les rats et les souris5-7. Contrairement aux labyrinthes terrestres traditionnels, le labyrinthe d'eau radial à huit bras ne nécessite pas de privation de nourriture, minimise les signaux olfactifs potentiellement confondants et utilise la motivation des sujets à s'échapper comme un moyen efficace d'évaluer le travail et de faire référence à l'apprentissage et à la mémoire simultanément sans avoir besoin d'un pré-entraînement5-7.
Une application de ce paradigme est de tester les déficits de mémoire de travail suite à une lésion cérébrale néonatale. Des recherches chez l’homme ont montré que les nouveau-nés prématurés à risque de lésions cérébrales présentent des déficits de mémoire de travail plus tard dans la vie10,11. Les lésions cérébrales néonatales peuvent être modélisées chez les rongeurs en induisant une hypoxie/ischémie (IH) au début du développement postnatal12-15. Plus important encore, les déficits d’apprentissage spatial et de mémoire de travail trouvés chez les nourrissons à risque sont mis en parallèle chez les rongeurs utilisant le labyrinthe d’eau à bras radial, ce qui en fait un modèle robuste pour l’étude de ces déficiences8,9. Le labyrinthe d’eau radial à huit bras permet également la quantification simultanée de la mémoire de référence et de la mémoire de travail, ce qui le rend idéal pour la comparaison de sujets cérébraux blessés et non blessés dans des modèles sensibles au temps (c’est-à-dire pendant le développement discret des veuves) ou pour des conceptions longitudinales contrebalancées.
Dans ce protocole, nous décrivons des procédures de test utilisant un labyrinthe d’eau radiale à huit bras (voir Figure 1) et des exemples de données pour des rats avec et sans lésion hypoxique-ischémique néonatale. Une hypoxie-ischémie (IH) a été induite le 7e jour postnatal après cautérisation de l’artère carotide commune droite et 120 min d’exposition à 8 % d’oxygène. Cette intervention chirurgicale a été largement utilisée pour modéliser la pathologie de la prématurité et des lésions cérébrales néonatales (pour plus de détails, voir 12,13,16,17). Nous montrons que le paradigme du labyrinthe d’eau à bras radial révèle des déficits dans la mémoire de référence et les capacités de mémoire de travail à la suite d’une lésion néonatale de l’HI. Dans le protocole actuel, la mémoire de référence est évaluée à l’aide de quatre bras spécifiques du labyrinthe d’eau radial à huit bras, qui restent constants à des indices de labyrinthe supplémentaires tout au long des tests. Ces bras ne contiennent jamais de plate-forme d’évacuation, de sorte que les entrées des sujets dans ces bras reflètent de mauvaises performances de mémoire de référence et des déficits dans l’apprentissage à long terme. Les quatre bras restants contiennent tous des plates-formes d’évasion au début de la journée, mais chaque plate-forme est retirée une fois que l’animal réussit à entrer dans un bras et à s’échapper de l’eau5-7. Cela oblige l’animal à se rappeler dans quels bras il est entré au cours des quatre essais successifs, ce qui augmente la demande de mémoire de travail à mesure que chaque plate-forme supplémentaire est retirée. La mémoire de travail est évaluée en examinant les rentrées dans les bras précédemment utilisés pour s’échapper au cours de la même journée de test ou les rentrées dans les bras de mémoire de référence. De plus, cette conception utilise des indices extra-labyrinthiques pour localiser les plates-formes d’évasion reflétant l’apprentissage spatial dépendant de l’hippocampe. Cette méthode d’évaluation des erreurs de mémoire de travail et de référence a été utilisée à l’origine par Jarrard et al.18 et a depuis été largement utilisé pour évaluer des modèles de rongeurs de troubles neurologiques liés au vieillissement, de troubles d’apprentissage et de manipulations hormonalesconsécutives 5,6,7,19,20.
L’objectif principal de ce paradigme est d’évaluer la mémoire de référence et la mémoire de travail, ainsi, la conception du labyrinthe d’eau radial à huit bras ne devrait pas être limitée pour tester les déficits dus à des lésions cérébrales développementales. Au lieu de cela, des études antérieures utilisant ce paradigme montrent qu’une variété de modèles de rongeurs peuvent être évalués pour évaluer la pathologie de l’apprentissage et de la mémoire dans de nombreux contextes expérimentaux5,6,7,18,19,20.
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Protocole
Toutes les procédures ont été approuvées par le Rhode Island College Institutional Animal Care and Use Committee et respectent le Guide des National Institutes of Health pour le soin et l’utilisation des animaux de laboratoire.
1. Configuration du labyrinthe
- Placez des indices extra-labyrinthiques clairs, statiques et saillants (formes peintes, meubles ou autres éléments fixes de la pièce) autour du labyrinthe.
Remarque : Tous les indices hors labyrinthe doivent rester au même endroit pendant toute la durée de l’expérience. - Placez le moyeu et les bras du labyrinthe de bras radiaux dans une cuve en plastique (voir le tableau des équipements par exemple).
Remarque : Le labyrinthe utilisé dans ce protocole se compose de huit bras amovibles en acier inoxydable fixés à huit supports centraux fixés à une base circulaire en acier inoxydable peinte en noir (voir la figure 1 pour le schéma et les dimensions correspondantes). La baignoire en plastique illustrée à la figure 1 a un diamètre intérieur de 122 cm et une hauteur de 60 cm. - Remplissez la baignoire avec de l’eau chauffée à température ambiante (22-26 °C)7.
- Placez les plates-formes à 1 cm sous la surface de l’eau aux extrémités de quatre des huit bras.
Note 1 : Pour chaque sujet, les emplacements des quais sont fixes pour la durée des tests. Quelle que soit la configuration, il faut éviter de placer les plates-formes dans plus de deux bras adjacents (pas plus de deux plates-formes doivent être situées dans des bras adjacents). Ne placez pas de plate-forme dans le bras de départ.
Remarque 2 : Les plates-formes cachées doivent être peintes de la même couleur que l’insert du labyrinthe pour se fondre dans l’arrière-plan du labyrinthe.
2. Transfert des sujets pour les tests
- Transférez les sujets du vivarium à la salle d’essai en respectant l’ordre de test désigné.
Remarque : Les animaux doivent être placés dans une cage opaque pour aider à réduire le stress anticipé et empêcher la visualisation des signaux de la salle d’essai. - Une fois dans la salle de test, placez toutes les cages opaques du groupe 1 sur un banc ou une table de rassemblement en maintenant l’ordre de test.
Remarque : Dans une étude de grande envergure (par exemple, 30 sujets), il peut être préférable de diviser les sujets en groupes de test (par exemple, 3 groupes de 10 sujets chacun). Cela dépendra de la taille de votre salle d’examen et de la faisabilité du transport du sujet.
3. Protocole de tablette numérique pour l’enregistrement des entrées du bras du labyrinthe
- Ouvrez un programme de rédaction de PDF sur la tablette numérique.
- Importez tous les modèles d’enregistrement de données préenregistrés pour les sujets du groupe 1.
Remarque : Chaque modèle d’enregistrement doit être préenregistré et étiqueté avec des sujets et des numéros d’essai spécifiques (par exemple, sujet 1_trial 1, sujet 1_trial 2, etc.) avec un total de quatre modèles pour chaque sujet (essais 1 à 4). Le modèle doit comporter une représentation vierge de l’emplacement du labyrinthe et de la plate-forme, ainsi qu’un endroit pour enregistrer le numéro du sujet, le numéro de l’essai, le jour du test, la plate-forme d’évacuation utilisée et la latence de l’essai (voir la figure 2). - Ouvrez le modèle pour le premier essai de votre premier subject.
Remarque : Ce système peut également être utilisé avec des modèles papier pour les chercheurs qui n’ont pas accès à des tablettes ou à des programmes de prise de notes sur tablette.
4. Test du labyrinthe d’eau à bras radial
- Si les animaux sont logés en couple, séparez les sujets avant la séance d’essai. Transférez le premier sujet d’essai dans une cage chauffante opaque séparée.
Remarque : La cage doit être réchauffée à 37 °C à l’aide d’un coussin chauffant pour maintenir la température corporelle entre les essais. - Avant le premier essai de chaque sujet, confirmez que le numéro d’identification du sujet correspond au numéro du sujet sur la feuille d’enregistrement des données et assurez-vous que les plates-formes sont correctement positionnées dans le labyrinthe d’eau à huit bras.
- Placez le sujet dans le bras de démarrage face à la paroi du labyrinthe et démarrez le minuteur.
Remarque : Ce protocole a été conçu pour deux expérimentateurs, l’un pour enregistrer les données et l’autre pour manipuler les sujets. Au cours de cette collaboration, la communication entre les expérimentateurs est primordiale. Il est essentiel de confirmer les heures de début, le nombre de sujets et le placement approprié de la plate-forme avant chaque essai. - Restez immobile pendant chaque essai dans une position désignée dans la pièce pour maintenir la cohérence des indices pendant chaque essai.
Remarque : Il faut prendre soin d’éviter les signaux envoyés saillants (p. ex., parfums) pendant les expériences et les expérimentateurs doivent porter les mêmes vêtements (blouses de laboratoire) chaque jour pour maintenir l’uniformité des indices. - Enregistrez chaque entrée dans un bras en plaçant une marque sur le bras correspondant dans le modèle d’enregistrement sur la tablette numérique.
Remarque : Une entrée se produit lorsque les épaules d'un sujet brisent le plan d'ouverture du bras. - Prévoyez un maximum de 120 secondes pour que le sujet localise l’une des quatre plates-formes. Une fois que l’animal atteint la plate-forme, arrêtez le chronomètre, l’essai est terminé.
Remarque : Pour maintenir la cohérence, on dit qu’un sujet a atteint la cible lorsque ses pattes avant sont sur la plate-forme. - Si le sujet n’est pas en mesure de localiser la plate-forme dans les 120 secondes, guidez-le soigneusement vers la plate-forme la plus proche et laissez-le rester sur la plate-forme pendant 10 secondes avant de l’enlever pour vous assurer que l’animal est conscient de l’emplacement de la cible.
- Le premier jour seulement, laissez le sujet s’asseoir sur la plate-forme pendant 10 secondes après chacun des quatre essais afin que le sujet puisse se référer aux repères spatiaux.
- Une fois l’essai terminé, retirez le sujet de la plate-forme en le soulevant doucement par le corps.
- Démarrez le chronomètre pour l’intervalle de 90 secondes entre les essais.
- Replacez le sujet dans la cage individuelle au-dessus du tampon de thermorégulation.
- Enregistrez la plate-forme spécifique utilisée pour l’évacuation en faisant le tour de l’emplacement correspondant sur le modèle d’enregistrement des données.
- Pendant cet intervalle, retirez la plate-forme d’évacuation utilisée par le sujet lors de l’essai précédent.
- Ouvrez le modèle pour la prochaine épreuve et marquez toutes les plates-formes qui ont été utilisées pour l’évasion par le sujet, et donc supprimées lors des épreuves précédentes, avec un X.
Remarque : Il est essentiel de marquer toutes les plates-formes manquantes avant un essai ultérieur pour définir les types d’erreurs (par exemple, la mémoire de référence et/ou la mémoire de travail sont correctes). - Avant de commencer un essai ultérieur, confirmez le numéro du sujet, le numéro de l’essai et les emplacements des plateformes restantes.
- Une fois l’intervalle de 90 secondes écoulé, placez le sujet dans le bras de départ face à la paroi du labyrinthe et démarrez le chronomètre pour l’essai suivant.
- Répétez ce processus pour les épreuves 2 à 4, en retirant la plate-forme d’évacuation atteinte après chaque épreuve et en marquant le modèle de manière appropriée pendant et après chaque épreuve (c’est-à-dire placez un X sur les plates-formes retirées, indiquez les bras entrés et encerclez la plate-forme utilisée pour l’évasion).
- Une fois que les quatre épreuves d’un sujet sont terminées, replacez les plates-formes d’évacuation dans les bras appropriés du labyrinthe et répétez le processus de test pour le sujet suivant (étapes de test 4.1 à 4.17).
- Une fois le test terminé pour le groupe 1, exportez les feuilles d’enregistrement des données dans un dossier pour ce jour de test (par exemple le jour 1) et enregistrez-les dans un système de stockage de fichiers.
Remarque : Les feuilles d’enregistrement des données doivent être exportées avant de commencer le groupe de test suivant afin de minimiser les risques de perte de données. - Répétez l’opération pour chaque groupe (étapes de test 2.1 à 4.19).
5. Variables dépendantes
- Pour chaque essai, comptez le nombre de premières entrées et de participations répétées dans n’importe quel bras qui avait déjà une plate-forme. Celui-ci sera indiqué par un X au-dessus de la plate-forme sur la feuille d’enregistrement des données. Il s’agit de la mémoire de travail corriger errors.
Remarque : Étant donné que les erreurs de correction de la mémoire de travail dépendent de la mémorisation de l’emplacement d’une plate-forme qui a déjà été utilisée pour l’évacuation et de l’évitement de ce bras, vous ne pouvez pas avoir une erreur de correction de la mémoire de travail lors du premier essai. - Pour chaque essai, comptez le nombre de premières entrées dans un bras qui n’a jamais contenu de plate-forme à partir de la feuille d’enregistrement des données. Il s’agit d’erreurs de mémoire de référence.
- Pour chaque essai, comptez le nombre d’entrées répétées dans n’importe quel bras qui n’a jamais contenu de plate-forme à partir de la feuille d’enregistrement des données. Il s’agit d’erreurs incorrectes de mémoire de travail.
- Enregistrez la latence pour atteindre la plateforme pour chaque essai.
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Résultats
Les données provenant de notre laboratoire montrent un nombre significativement plus élevé d'erreurs de mémoire de travail chez les animaux HI par rapport aux témoins au onzième jour du test (t = 2.124, p<0.05, (voir Figure 3A)). Les animaux HI ont également commis un nombre significativement plus élevé d'erreurs de mémoire de référence comparés aux sujets témoins au onzième jour du test (t = 2.303, p<0.05, (voir Figure 3B)). Les erreurs incorrectes de mémoire de travail et les err...
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Discussion
Le paradigme du labyrinthe d’eau radiale à huit bras a été utilisé avec succès dans notre laboratoire et par d’autres pour évaluer les performances de la mémoire de travail et de référence chez les rats avec et sans lésion cérébrale néonatale5-7,18-20. Dans le paradigme actuel, le retrait d’une plate-forme d’évacuation après chaque essai augmente la demande de mémoire de travail (les sujets ont moins d’options d’évasion) lors des essais ultérieurs. Par conséquent, lors du quatrième essai, il ne reste plus qu’u...
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Déclarations de divulgation
Les auteurs déclarent qu’ils n’ont pas d’intérêt financier concurrent.
Remerciements
Les auteurs tiennent à remercier William Martin et le département d’art du Rhode Island College pour leur aide dans la fabrication du labyrinthe. Nous tenons également à remercier les étudiants du Rhode Island College Katrina Feyerherm, Molly La Rue et Nick Lafond pour leur travail sur le labyrinthe aquatique à huit bras. Ce travail a été soutenu par une subvention du Rhode Island Idea Network for Biomedical Research excellence (RIINBRE) et du NIH National Center for Research Resources (Grant # P20 RR16457-12). Le soutien a également été fourni par l’Institut national Eunice Kennedy Shriver de la santé infantile et du développement humain des Instituts nationaux de la santé sous le numéro de prix R15HD077544.
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Matériaux
| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| Cuve en plastique | Gototanks http://www.gototanks.com | ARM-19455 | La taille peut varier en fonction des espèces testées ou des besoins individuels du laboratoire. |
| iPad ou autre tablette numérique | Apple Inc. | N/A | http://www.apple.com |
| Notability ou autre application de prise de notes | Gingerlabs | N/A | http://www.gingerlabs.com Rédacteur pdf numérique ou programme de prise de notes |
| Minuterie numérique | N’importe quel | N/A | |
| Coussin chauffant isotherme Deltaphase | Braintree Scientific | ASS7D | http://www.braintreesci.com/ |
| Inoxydable labyrinthe en acier | Fabriqué dans la maison | N/A |
Références
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Réimpressions et autorisations
