Utilisation Manipulation pharmacologique et de haute précision Radio Télémesure pour étudier la cognition spatiale chez les animaux en liberté

Résumé

Cet article décrit un nouveau protocole qui combine la manipulation pharmacologique de la mémoire et la radio télémétrie pour documenter et quantifier le rôle de la cognition dans la navigation.

Résumé

La capacité d'un animal à percevoir et à en apprendre davantage sur son environnement joue un rôle clé dans de nombreux processus de comportement, y compris la navigation, la migration, la dispersion et la recherche de nourriture. Cependant, la compréhension du rôle de la cognition dans le développement de stratégies et les mécanismes sous-jacents de ces stratégies de navigation est limitée par les difficultés méthodologiques liées à la surveillance, la manipulation de la connaissance de, et le suivi des animaux sauvages. Cette étude décrit un protocole pour aborder le rôle de la cognition dans la navigation qui combine la manipulation pharmacologique du comportement avec haute précision télémétrie radio. L'approche utilise la scopolamine, un antagoniste des récepteurs de l'acétylcholine muscariniques, pour manipuler les capacités spatiales cognitives. Les animaux traités sont ensuite contrôlés à haute fréquence et haute résolution spatiale par triangulation à distance. Ce protocole a été appliqué à l' intérieur d' une population de l' Est de tortues peintes (Chrysemys picta) qui a habitésaisonnièrement sources éphémères d'eau pour environ 100 ans, se déplaçant entre les lointaines sources en utilisant précise (± 3,5 m), complexe (ie, non-linéaire de tortuosité élevée qui traversent plusieurs habitats) et des itinéraires prévisibles appris avant 4 ans. Cette étude a montré que les processus utilisés par ces tortues sont compatibles avec la formation de la mémoire spatiale et de rappel. Ensemble, ces résultats sont cohérents avec un rôle de la cognition spatiale dans la navigation complexe et mettent en évidence l'intégration des techniques écologiques et pharmacologiques dans l'étude de la cognition et de la navigation.

Introduction

Cognition (défini ici comme «tous les processus impliqués dans l' acquisition, le stockage et l' utilisation des informations de l'environnement" ¹⁾ est au centre d'une gamme de tâches de navigation complexes ^2. Par exemple, grues du Canada (Grus canadensis) montrent une nette amélioration de la précision migratoire avec l' expérience ^3, et la tortue de mer empreinte des espèces sur leurs plages natales comme hatchlings et reviennent comme des adultes ^4-6. De même, avec succès la migration, la dispersion, et la charnière de butinage sur la capacité d'un animal à recueillir des informations sur leur environnement spatial ^7,8. Certains animaux semblent apprendre les routes de navigation par rapport aux caractéristiques spécifiques du paysage ⁹ et peuvent utiliser la cognition spatiale lors du déplacement entre les zones de nidification et d' alimentation ^10. Des travaux récents sur les tortues peintes de l' Est (Chrysemys picta) suggère une période critique dans la navigation, où la navigation réussie de l' habitat des hautes terres comme des adultes repose sur juveexpérience nile dans une étroite fourchette d'âge (<4 ans ^11-13). Bien que l' ensemble de ces études démontrent les progrès qui ont été accomplis dans la compréhension du rôle de l' apprentissage dans la navigation ^{4-6, 14-16,} les mécanismes qui sous - tendent ces comportements et pleinement le rôle de la cognition dans la navigation restent énigmatiques, en particulier chez les vertébrés ^{8, 17 , 18.}

Des enquêtes de terrain sur le rôle de la cognition dans la navigation sont rares ^{2, 8, 18,} principalement en raison des difficultés méthodologiques liées à la surveillance, la manipulation et le suivi des animaux sauvages. Par exemple, les grandes échelles spatiales et temporelles sur lesquelles de nombreux animaux naviguent empêchent souvent enquêter sur les deux types d'informations que ces animaux potentiellement apprennent et comment cette information est acquise. Les expérimentateurs sont souvent confrontés à des difficultés logistiques de détection et de localisation des animaux lors de la surveillance des comportements sur ces grandes surfaces et les délais, ce qui limite le typedes données qui peuvent être recueillies et les conclusions qui peuvent être tirées. Bien que l'utilisation du système de positionnement global animal monté (GPS) enregistreurs peut améliorer la probabilité de détection des animaux largement allant, les données spatiales collectées par ces moyens sont généralement de résolution très grossière et manquent d'une composante comportementale détaillée. Par conséquent, les données qui peuvent être recueillies dans de telles circonstances sont d'une valeur limitée pour l'examen des variations subtiles de comportement entre les différents groupes ou traitements expérimentaux. De même, la manipulation directe, contrôlée de comportements cibles est souvent interdite par les échelles spatiales et temporelles typiques des comportements de navigation, ainsi que par des contraintes logistiques inhérentes à des études de terrain. Constatation des animaux dans leur habitat naturel, la capture et de les manipuler, puis la collecte de données comportementales sans produire par inadvertance des comportements parasites sont des défis majeurs de travailler avec les animaux dans le domaine. Par conséquent, la conception des expériences sur free-allant des animaux est souvent limitée et la capacité de mener, des expériences de terrain contrôlées rigoureuses sur le rôle de la cognition dans la navigation est limitée.

La présente étude contourne bon nombre des difficultés antérieures d'enquêter sur la relation entre la cognition et la navigation dans le domaine en utilisant une nouvelle combinaison de manipulation pharmacologique et à haute résolution de suivi des animaux qui naviguent librement dans des conditions de terrain. Scopolamine, un récepteur acétylcholine (mAChR) antagoniste muscarinique, a été montré pour bloquer la formation de la mémoire spatiale et le rappel en bloquant l' activité cholinergique dans le cerveau d'une variété de taxons de vertébrés ^18-24. La scopolamine peut être utilisé efficacement sur les animaux en liberté dans des conditions de terrain ^{11, 18} et a un effet marqué , mais temporaire (par exemple, 6-8 h chez les reptiles). Méthylscopolamine, un antagoniste mAChR qui ne traverse pas la barrière sang-cerveau barrière ^19-21, peut être utilisé pour contrôlerles effets périphériques possibles de scopolamine et pour les aspects non cognitifs de comportement ^11. Pharmacologie permet la manipulation précise de la cognition par des récepteurs qui affectent directement, et la télémétrie radio de haute précision permet l'observation des effets qui en résultent sur le comportement. Les mesures prises par triangulation à distance à la fois spatiale élevée (± 2,5 m) et temporelle (15 min) résolution permettent la documentation précise et la quantification du comportement animal par rapport à la manipulation expérimentale de la cognition.

Cette étude ¹¹ a été réalisée entre Mai et Août 2013 et 2014 à Chesapeake Farms, une zone de recherche en gestion de la faune de 3300 acres et l' agriculture dans le Kent Co., MD, États - Unis (39,194 ° N, 76,187 ° W). Le protocole comporte cinq étapes principales: (1) la capture et la manipulation des animaux (2) l'apposition d'émetteurs radio (3) préparer les agents pharmacologiques (4) le suivi et la manipulation de mouvements d'animaux, et (5) analyser les données spatiales. L'étude décrit ici l' accent sur l'est peint tortue (Chrysemys picta). Tortues à la population focale se livrent à des mouvements terrestres annuels dans lesquels ils quittent leurs étangs d'origine et de naviguer vers les habitats aquatiques alternatives en utilisant les routes l' une des quatre très précis (± 3,5 m), complexes et hautement prévisibles ^{11, 12.} Manipulation pharmacologique des animaux ce système jumelé avec télémétrie radio haute résolution met en lumière le rôle de la cognition dans la navigation librement des animaux sauvages.

Protocole

Toutes les procédures impliquant des sujets animaux ont été approuvés par les soins et l'utilisation des comités institutionnels animaux de Franklin et Marshall et Washington Collèges et suivi tous les règlements municipaux, provinciaux et fédéraux.

1. Capturer et manipulation

1. Placez des pièges hoop dans le corps de la cible de l'eau qui est connu pour contenir des tortues. Identifier la profondeur d'eau assurant que 4 - 5 pouces du piège reste au-dessus de l'eau pour permettre les tortues piégées à la surface et respirer. Soyez certain d'élargir et de sécuriser les pièges cerceau à leur longueur maximale avec les poutres transversales pour empêcher l'effondrement piège. pièges de pieu dans le lit de la masse d'eau pour éviter la dérive.
2. Pièges à appâts avec plusieurs poissons morts, les foies de poulet, ou le cou de poulet, une boîte de nourriture pour chat, et / ou une boîte de légumes ^25.
3. Vérifiez pièges deux fois par jour et de supprimer les tortues. Lors du retrait des tortues de pièges, tenir des animaux par le côté et faire preuve de prudence pour éviter les blessures causées par des griffes ou bec.
   1. La libération par les prises accessoires. Réposer des pièges si le piégeage continue est souhaitée. Évaluer l'état de l'appât. Si l'appât a été consommé, ajouter plus. Tirez les pièges à côte si le piégeage supplémentaire ne souhaite pas.
4. Déterminer le sexe et l' âge des tortues si désiré ^{26, 27.}
5. Placez la tortue dans un sac de maintien et de mesurer la masse corporelle avec une échelle de printemps à la g près.
6. tortues de transport vers le laboratoire dans des boîtes de transport à température contrôlée avec une petite quantité d'eau. animaux Maison seuls dans les aquariums d'eau de l'étang non traitées maintenues à environ 25 ° C et assez profond pour couvrir la tête seulement.

2. Transmetteur Radio Apposition

1. Pour maximiser la vie de l' émetteur et de sortie, choisissez le plus grand émetteur possible de radio qui ne dépasse pas 5% de la masse corporelle de l'animal ^28.
2. Identifier l'emplacement de positionnement de l'émetteur sur la carapace approximativement à mi-chemin entre la ligne médiane et bord latéral de la carapace environ 1/3 de la lONGUEUR à partir du bord arrière de la carapace.
3. Préparer la zone en enlevant la boue, les débris et la croissance des algues avec un chiffon sec. zone Swab avec 70% d'isopropanol.
4. Attacher l'émetteur avec une petite quantité de 5 min époxy. Orienter l'émetteur afin de maximiser le contact avec la surface de la carapace. Positionner l'antenne de sorte qu'elle traîne derrière l'animal parallèle à l'axe longitudinal du corps.
5. Une fois positionnée de manière appropriée, couvrir l'ensemble de l'émetteur et environ 1 cm de la surface de la carapace environnante avec 5 min époxy.
6. Retour à la tortue de l'aquarium et laisser sécher la colle pendant la nuit.

3. Préparation pharmacologique

Attention: bromhydrate scopolamine et scopolamine methylbromide sont des antagonistes de l'acétylcholine puissants. Lorsque vous travaillez avec ces médicaments, consultez la fiche de données de sécurité des matériaux, utiliser un équipement de protection individuelle approprié (par exemple, des gants, hotte), et suivre les protocoles de sécurité de laboratoire pour éviter accidental contact.

1. L'utilisation de consommables stériles et antipyrogenic, composé d'une solution mère de bromhydrate de scopolamine. Peser la quantité désirée du médicament sur une balance analytique. Mélanger la scopolamine avec du sérum physiologique par injection dans un tube conique à la concentration de 1 mg / ml. Vortex solution jusqu'à dissolution. Veiller à ce que la pureté chimique des produits chimiques de base est conforme ou supérieur aux États-Unis (USP) formulation lorsque cela est possible ^11.
2. Répétez l'étape 3.1 avec scopolamine methylbromide.
3. Solution de traitement à travers un pore en nylon de 0,22 um ou des esters de cellulose mixtes seringue filtre dans une fiole à sérum stériles scellés.
4. Ranger à température ambiante. Utiliser dans les 24 heures.

4. Mouvements piste tortue Utilisation Radio Télémesure ^{11, 12}

1. Déplacer vers l'emplacement général de l'animal cible, reste au moins 25 m de l'animal. Avec une antenne Yagi directionnelle et le réglage du gain du récepteur au moyen, scannez le horizà déterminer la direction approximative et la localisation de l'animal. Lors de la réception des interférences ou un signal faible, trouver un nouveau poste. Augmenter l'élévation ou de tenir Yagi en altitude lorsque cela est possible pour améliorer le signal.
2. Une fois un emplacement approprié se trouve à prendre un palier, enregistrer votre position GPS.
3. En utilisant la méthode null / crête ^28, déterminer les paliers du nulls gauche et droit.
   1. Identifier la direction du signal le plus fort. Tournez le gain aussi loin que possible, tout en recevant un signal détectable. Utilisez le commutateur atténuateur sur le récepteur si équipé. Déplacer l'antenne vers la gauche et enregistrer le palier de la boussole à laquelle le signal est perdu.
   2. Répétez l'étape précédente pour le roulement droit.
4. Répétez l'étape 4.3 à partir d'au moins deux emplacements supplémentaires pour le même animal.
   NOTE: Ces points supplémentaires devraient être prises de manière à entourer l'animal.
   1. Quand un jeu de roulements est tirée d'un great la distance ou avec une interférence inévitable, prennent au moins deux paliers supplémentaires pour augmenter la précision. Recueillir des ensembles de roulements utilisés pour estimer un seul endroit le plus rapidement possible, en particulier si l'animal est en mouvement.
      REMARQUE: Vous pouvez également plusieurs personnes peuvent coordonner de prendre plusieurs paliers indépendants sur le même animal simultanément.
5. lieux d'enregistrement des animaux numériquement ou à la main toutes les 10 - 15 min en utilisant les étapes ci-dessus.
6. Manipulation du traitement cognitif
   1. Une fois le chemin de l'animal intouchée est documenté (un contrôle intra-sujets), fournir une dose de scopolamine ou méthylscopolamine. Utilisation de la masse collectée à l' étape 1.5, calculer la quantité de médicament à donner à l'animal pour atteindre une dose finale spécifique de reptile de 6,4 mg / kg de scopolamine ou 6,8 mg / kg de méthylscopolamine ^{19, 20.}
   2. Livrer le médicament directement dans le péritoine par le sinus péritonéale caudale en utilisant un 1,0 ml seringue avec une aiguille de calibre 22. Assurez-vous que le volume total livré ne dépasse pas 1 ml.
   3. Relâchez l'animal le plus tôt possible à son site de capture.
   4. Continuer à surveiller les mouvements de l'animal tous les 10 - 15 min jusqu'à ce qu'il atteigne sa destination prévue.

5. Analyse spatiale

1. Calculer les estimations de localisation des animaux.
   1. Pour chaque ensemble de roulements null, bissectrice de l'angle (à la main ou via le logiciel) pour trouver le roulement de l' émetteur résultant. Répétez l'opération pour tous les roulements à un point de temps donné.
   2. En utilisant un logiciel de triangulation selon le protocole du fabricant, estimer la position de l'animal et de l'erreur associée aux paliers multiples de l'émetteur. Convertir des estimations de position à x / y coordonne si le logiciel fournit une sortie différente.
2. Répétez les étapes 5.1 pour tous les ensembles de roulements.
3. Calculer la précision spatiale du mouvement.
   1. Calculer lamoyenne géométrique cumulative (c. -à- parcours moyen) des animaux non manipulés (contrôle négatif) , car ils se déplacent vers leur objectif ^12.
   2. Pour chaque individu dans les groupes de traitement et de contrôle positif, calculer le nombre cumulé de points qui se chevauchent successivement plus grands andains de la ligne moyenne géométrique intervalles de 5 m jusqu'à 100% de tous les points ont été inclus ^{11, 12.}
   3. Calculer la moyenne et l'erreur standard à chaque distance de l'andain pour tous les individus dans chaque groupe.
   4. analyser statistiquement les données, la comparaison entre les groupes de traitement, soit pendant l'intervalle pour recevoir 100% des points ou des points de chevauchement à un intervalle donné, en fonction de la question.

Résultats

En utilisant le protocole ci - dessus, le rôle de la cognition dans la navigation a été évaluée dans une population de l' Est de tortues peintes (Chrysemys picta) qui a connu des sources d'eau éphémères saisonniers pour environ 100 ans. Cette population habite un mélange d'éphémère (égouttés annuellement et rapidement - dans plusieurs heures) et des habitats aquatiques permanents (Figure 1). Des études antérieures suggèrent que , après leurs étangs sont drainés,...

Discussion

Le protocole présenté ici permet à l'expérimentateur de documenter et de quantifier le rôle de la cognition dans la navigation. Manipuler la cognition dans le domaine est avéré difficile, car la plupart des approches laissent expérimentateurs incapables de savoir quels aspects spécifiques du comportement de l'animal sont manipulés. Cependant, le protocole présenté ici permet à l'expérimentateur de manipuler avec précision et évaluer le rôle de la cognition dans la navigation ainsi. La technique permet en out...

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Bromure de scopolamine	Sigma	S0929	USP
Bromure de méthyle de scopolamine	Sigma	S8502, 1421009	versions USP et non USP
Saline	Hanna Pharmaceutical Supply Co., Inc.	409488850	USP, formulé sous forme d’injectable  ;
Filtre à seringue	Fisher	09-720-004
Seringue	Fisher	14-823-30
Aiguille hypodermique	Fisher	14-823-13
Antenne	Faune Matériaux	3 éléments Pliant Yagi	Des antennes avec des éléments supplémentaires sont disponibles, mais peuvent être encombrantes sur le terrain.  ;
Des	modèles	résistants à l’eau	TRX-2000S
Boussole	Brunton  ;	Truarc 15
Émetteurs radio	Holohil Inc.	BD-2,-2 et RI-2B	en fonction de la taille de la batterie et des paramètres de fréquence du pouls, qui peuvent être personnalisés en fonction de la question d’étude et de l’organisme.
GPS,	Garmin	eTrex Venture
un câble coaxial	newegg.com	des connexions BNC	C2G 40026
Filet de cerceau	Memphis Net et Ficelle  ;	TN325	La taille des mailles du filet doit être choisie en fonction de la taille minimale de l’animal cible.