Valutare l'apprendimento spaziale e la memoria in piccoli rettili squamate

Sommario

Questo articolo descrive una modifica del labirinto di Barnes, un paradigma standard per roditori utilizzato per valutare la memoria spaziale e l'apprendimento, per l'uso in piccoli rettili squamati.

Abstract

La ricerca clinica ha sfruttato una serie di paradigmi per valutare il declino cognitivo, comunemente mira spaziali capacità di apprendimento e memoria. Tuttavia, l'interesse per i processi cognitivi di specie nonmodel, in genere all'interno di un contesto ecologico, è anche diventato un campo emergente di studio. In particolare, l'interesse per i processi cognitivi nei rettili è in crescita, anche se studi sperimentali sulla cognizione rettile sono scarse. I pochi studi rettili che hanno sperimentalmente testati per l'apprendimento spaziale e la memoria hanno usato paradigmi di roditori modificati per essere utilizzati nei rettili. Tuttavia, ecologicamente importanti aspetti della fisiologia e del comportamento di questo gruppo tassonomico devono essere prese in considerazione durante il test per la conoscenza base spaziale. Qui, descriviamo modificazioni della terraferma Barnes labirinto e protocollo di collaudo associati che possono migliorare le prestazioni quando sondaggio per l'apprendimento spaziale e capacità di memoria in piccoli rettili squamati. Il paradigma descritto e proprocedure sono stati utilizzati con successo con lucertole maschi laterali-blotched (Uta stansburiana), a dimostrazione che l'apprendimento spaziale e la memoria possono essere valutate in questo gruppo tassonomico con un apparato e un protocollo ecologicamente rilevanti.

Introduzione

Molte malattie neurodegenerative come l'attuale di Alzheimer con un progressivo declino delle capacità cognitive, di solito in concomitanza con la degradazione del cervello ^1-4. Per verificare l'influenza delle lesioni cerebrali e il degrado sui processi cognitivi, la ricerca clinica ha sfruttato i vantaggi di specie di roditori modello e la standardizzazione delle apparecchiature di collaudo e il protocollo. In particolare, i processi di apprendimento e memoria spaziale sono stati valutati attraverso diversi paradigmi di standard come il labirinto ad acqua di Morris, Barnes labirinto, e il labirinto radiale del braccio (per una revisione completa di questi e di altri paradigmi, vedi ^5,6). La ricca storia di questi paradigmi di apprendimento e memoria spaziale si è dimostrato un buon successo, consentendo ai ricercatori di capire molte delle sfaccettature e le sfumature del rapporto tra memoria umana, la funzione del cervello, e la malattia.

Mentre la valutazione dei processi cognitivi è stato esaminato nella ricerca clinica per smetteree un po 'di tempo, la ricerca diretta verso le capacità cognitive di specie nonmodel è relativamente nuovo. I ricercatori che studiano la cognizione di specie nonmodel sono in genere interessati alla rilevanza ecologica ed evolutiva dei processi cognitivi, in particolare nel contesto di sopravvivenza e la riproduzione. Alcuni studi in rettili hanno suggerito che le capacità cognitive avanzate, in particolare la memoria spaziale, possono essere alla base alcuni comportamenti, in particolare quelli riguardanti la navigazione e l'orientamento. Tuttavia, mentre molti studi hanno dimostrato che i rettili possono riorientare dopo lo spostamento ^7,8, i meccanismi cognitivi alla base comportamento riorientamento non sono ancora stati presi in giro a parte. A causa di questo, alcuni studi hanno cercato di valutare sperimentalmente l'importanza di apprendimento spaziale e la memoria durante la navigazione ^9-17. La metodologia in questi studi sono prevalentemente modellato dopo paradigmi e protocolli di roditori, a volte modificati per essere utilizzati nei rettili, ma questi studihanno avuto un successo variabile nel valutare la memoria spaziale. Alcuni studi hanno dimostrato l'apprendimento spaziale e la memoria in alcune specie ^11-17, mentre altri studi hanno trovato alcuna prova di tale ^9,10. Pertanto, il ruolo o l'esistenza di apprendimento spaziale e la memoria durante la navigazione nei rettili è ancora chiaro.

Un problema che può essere problematico quando sperimentalmente valutare l'apprendimento spaziale e la memoria nei rettili è la rilevanza ecologica del compito. I rettili sono uno speciale gruppo tassonomico ben distinta da roditori, dimostrando grande variazione in ecologia, comportamento e la fisiologia. Le differenze di comportamento tra le specie di rettili potrebbero eventualmente influenzare la valutazione delle capacità cognitive spaziali, in particolare se il paradigma utilizzato non toccare in un comportamento naturale. Per esempio, in una specie che cerca rifugio in genere piccole fessure, abilità spaziali possono essere facilmente valutati utilizzando un Barnes labirinto che questo labirinto non può essere la scelta ideale paradigmain una specie che rimane tipicamente immobili. Analogamente, la maggior parte dei rettili squamate non sono acquatici e così l'acqua labirinto Morris non può essere una scelta adatta per testare l'apprendimento spaziale e la memoria (ma si veda ^15); tuttavia, questo labirinto può essere una scelta ideale per testare le abilità spaziali in tartarughe ^16. Infine, la fisiologia di questo gruppo deve essere contabilizzata, come i rettili sono animali ectotermi e una corretta manutenzione della temperatura, in particolare del substrato, deve essere preso in considerazione durante la procedura di prova.

Il protocollo e il paradigma qui presentata sono stati usati per sondare per l'apprendimento spaziale e la memoria in lucertole lato-blotched adulti (Uta stansburiana) ^13, una piccola lucertola che in genere fugge dai predatori in piccole fessure nelle rocce ^18. Sapendo questo aspetto della storia naturale e comportamento della specie, abbiamo utilizzato una modifica del tradizionale labirinto Barnes per verificare l'apprendimento spaziale e la memoria. Il labirinto i Barnessa terra asciutta labirinto e in genere utilizzato per testare cognizione spaziale in modelli di roditori. Abbiamo modificato il nostro labirinto in vari modi dal labirinto roditore, sia nel design e il protocollo (descritta sotto). Il nostro labirinto costituito da una piattaforma circolare con 10 fori equidistanti tra loro lungo il perimetro della piattaforma (Figura 1). Il protocollo qui descritto comporta un soggetto che partecipa a prove di formazione per apprendere la posizione di un foro obiettivo, quindi, una volta che il soggetto apprende la posizione del foro obiettivo, una prova sonda viene utilizzata per accertare uso memoria spaziale durante la navigazione per l'obiettivo.

Protocollo

Tutte le procedure sono state approvate dalla Penn State University Institutional Animal Care e del Comitato Usa (IACUC - Protocollo ID: 43242) e rispettate tutte le leggi locali, statali e federali.

1. Preparazione

1. Acquisto o costruire il labirinto Barnes, assicurando che i fori della porta siano adeguatamente dimensionati per le specie di interesse. Per questo protocollo, utilizzare sette lucertole lato-blotched adulti (Uta stansburiana). Determinare la dimensione del campione sufficiente per studi che utilizzano altre specie.
   1. Se la costruzione del labirinto Barnes, l'acquisto di qualsiasi standard, tavola rotonda non poroso (106 cm di diametro), elevate 76,2 cm dal pavimento.
   2. Utilizzando un metro, segnare 10 punti equidistanti distanziati 26 cm di distanza intorno al perimetro del tavolo e 6,35 cm dal bordo del tavolo. Utilizzare 10 buche mentre labirinti di roditori in genere hanno più buchi. Ciò consente una riduzione del numero di opzioni di fuga.
   3. Usando un po 'buco sega (2,54cm di diametro), forare tutti i 10 fori gol e sabbia bordi taglienti.
   4. Montare quattro picchetti di supporto ripiano sotto ogni foro con viti, utilizzando un recinto di casa come una guida per le dimensioni.
2. Posizionare il labirinto in una stanza tranquilla con illuminazione ambientale luminoso e spunti territoriali disponibili per la navigazione (porte, armadi, ecc.)
3. Montare una messa a fuoco automatica, grandangolare webcam lente (11.3 cm x 3,99 centimetri) o di altra fotocamera adatta direttamente sopra il labirinto. Siate certi che il campo di vista dal feed video abbraccia l'intero labirinto.
4. Posizionare il computer e la sedia osservatore almeno 1 m dal labirinto.
5. Segnare le gambe del labirinto sul pavimento con un pennarello indelebile o nastro. Questo permette la correzione di qualsiasi movimento minuto del labirinto nel corso delle prove.
6. Casualmente assegnare uno dei fori come "1" e il numero degli altri fori consecutivamente attraverso "10". Con un pennarello indelebile, scrivere i numeri lungo il lato della parte esternadel labirinto per comodità di riferimento. Assicurarsi che i numeri non sono visibili ad un animale all'interno del labirinto.
7. Casualmente assegnare fori obiettivo di soggetti che utilizzano un generatore di numeri casuali.

2. Prove di formazione

NOTA: rettili hanno una temperatura corporea preferito che può essere ottenuto dalla letteratura. Se gli animali diventano lenta su più prove di formazione, il labirinto può essere troppo freddo e questo può influenzare il comportamento. Un riscaldatore piccolo spazio o nastro termico sul lato inferiore del labirinto possono adeguatamente aumentare la temperatura superficiale labirinto, la migliore indicazione termica della temperatura corporea, per mantenere la temperatura corporea ottimale e prestazioni comportamentali.

1. Se i soggetti si trovano al di fuori della sala prove, portare gli animali nelle loro casse casa nella stanza almeno 30 minuti prima del test. Essere certi di fornire calore in custodie casa (ad esempio, lampade di calore, nastro di calore) per mantenere la temperatura corporea prima del test.
   1. software di monitoraggio aperto e l'applicazione webcam per la trasmissione video. Il software di monitoraggio personalizzato è stato scritto per Matlab e la casella degli strumenti di elaborazione delle immagini; altri software di monitoraggio è disponibile in commercio.
   2. Valutare il campo visivo dal feed video. Se il labirinto non è nel campo di vista, verificare che il labirinto è all'interno dei segni sul pavimento.
   3. Aprire il foglio di lavoro contenente le informazioni per quanto riguarda la data, l'ora di inizio / fine dei processi di formazione, ID oggetto, il foro obiettivo assegnato, il numero di prove di formazione gestito, le note e le iniziali dell'osservatore.
   4. Casuale l'ordine in cui saranno testati soggetti. I soggetti in modo sistematico.
2. Rimuovere il primo soggetto dalla sua gabbia casa e delicatamente mettere il soggetto al centro del labirinto. Inserire una vasca di plastica sull'animale; così facendo impedisce pregiudizi orientamento inconscio dal ricercatore. Consentire 30 s per ambientarsi.
3. Montare la gabbia a casa dell'animale sotto il labirinto, direttamente sotto il comefirmato foro obiettivo, facendo scorrere la parte superiore del contenitore nei supporti peg. Siate certi che la roccia crogiolarsi nella gabbia casa è direttamente sotto il foro, che servirà come un pesce persico quando l'animale scende nel foro. A questo punto, l'uso di segnali termici o chimici dell'armadio casa per uso in navigazione è irrilevante.
   1. labirinti roditori utilizzano un involucro pulito come una via di fuga per il soggetto. Tuttavia, incoraggiare l'ingresso nel foro durante l'allenamento prove montando involucro casa dell'animale sotto il labirinto.
4. Rimuovere delicatamente la vasca di plastica dalla parte superiore del labirinto.
5. Avviare la registrazione del processo di formazione con l'applicazione webcam.
   1. Lasciare che il soggetto di esplorare il labirinto per 10 min. Se si verifica qualcosa di atipico, notare che questo nel foglio di lavoro.
   2. Se il soggetto cade o viene eseguito fuori dal tavolo, tornare delicatamente il soggetto al centro del labirinto. Continuare sincronizzazione e la registrazione se l'animale è fuori dal labirinto per 30 s o meno.Se il soggetto è fuori dal labirinto per più di 30 s, interrompere il processo. Registrare queste informazioni nella sezione delle note della cartella di lavoro.
   3. Se il soggetto scende nel foro obiettivo senza assistenza, considerare il processo come sopra in quel momento.
   4. Se il soggetto non scende nel foro obiettivo, considerare il processo come sopra dopo 10 minuti sono trascorsi.
6. Se il soggetto non scende nel foro gol dopo 10 minuti, a mano guidare delicatamente l'animale, la testa prima, nel foro obiettivo appropriato.
7. Smettere di video e software di monitoraggio. Salvare video.
8. Lasciare che il soggetto a riposo per almeno 2 minuti nel suo recinto casa, mentre il contenitore è ancora montato sotto il labirinto.
9. Utilizzando uno spray e asciugamani di carta, pulire la parte superiore del labirinto con una miscela di acqua e sapone di 1:10 sapone all'acqua. In questo modo preclude l'uso di segnali chimici durante la navigazione nel labirinto. Alcune specie, in particolare quelli che fanno largo uso di informazioni chemosensory, necessitate ulteriore risciacquo del labirinto con acqua calda per eliminare tutti i segnali profumo.
10. Rimuovere l'involucro da sotto il labirinto e ripetere la prova di formazione con lo stesso individuo o di un nuovo individuo. Ogni soggetto può essere eseguito in un massimo di 5 prove di formazione al giorno, con 30 min intervallo tra le prove di un individuo.
11. Ripetere questa procedura fino a quando un soggetto scende nel suo buco obiettivo senza assistenza, in 3 diverse prove di formazione, che indica che si è verificato l'apprendimento della posizione obiettivo. Le tre prove di formazione non devono essere consecutivi. Se un soggetto raggiunga questo criterio, il soggetto si sposta il processo della sonda al fine di valutare la memoria spaziale.

3. Prove sonda

NOTA: Una volta che un soggetto raggiunge il criterio, il soggetto ha imparato a navigare verso la meta. Tuttavia, a questo punto, non è ancora chiaro se il soggetto sta navigando usando una strategia spaziale o qualche altra strategia di navigazione. sonda di provaTest s per questo e deve essere eseguita il giorno dopo che il soggetto raggiunge criterio nei processi di formazione.

1. Ruotare il labirinto di 180 °, assicurando che le gambe del labirinto si trovano i segni sul pavimento. La rotazione del labirinto permette di spunti locali che identificano direttamente l'obiettivo di essere in conflitto diretto con gli spunti spaziali più stabili.
2. Ripetere i punti 2.1 - 2.5.2, omettendo passo 2.3 di montare recinzione casa del soggetto sotto il labirinto. In questo modo esclude l'uso di olfattivi o di altri segnali provenienti dal recinto di casa durante l'esplorazione del labirinto.
3. Durante le prove della sonda, i soggetti sono liberi di esplorare il labirinto per l'intero 10 minuti per valutare il comportamento esplorativo. Dopo 10 minuti, smettere di video e software di monitoraggio.
4. Rimuovere il soggetto dal labirinto e restituirlo alla sua gabbia casa.
5. Pulire la parte superiore del labirinto con la miscela di acqua e sapone.

4. Le misure comportamentali

NOTA: Per tria formazioneLS, includere misure comportamentali come la latenza per arrivare al buco obiettivo, il numero di errori commessi (ricerca di un buco nongoal; muso dell'animale deve essere entro 1 cm del foro), e la percentuale di tempo trascorso in una corretta quadrante della labirinto.

1. Per gli studi di formazione, di determinare una strategia di ricerca. Una strategia diretta è definito come scende nel foro obiettivo con meno di 3 errori. Una strategia seriale è un esame di 3 o più fori labirinto consecutivi lungo il perimetro del labirinto. Una strategia casuale è esame non seriale di fori labirinto con 3 o più errori.
   NOTA: Per gli studi della sonda, misure comportamentali includono la latenza per arrivare al buco spazialmente corretta, il numero di errori commessi prima di indagare il foro spazialmente corretta, e la percentuale di tempo trascorso in spazialmente corretta quadrante del labirinto.
2. Per una valutazione più rigorosa di scelta non casuale del foro obiettivo spazialmente corretta, impiegare il campionamento senza sostituzione nel calcolotasso di probabilità.

Risultati

Questo protocollo permette per la valutazione sperimentale di navigazione basato spazialmente in piccole lucertole. Un precedente studio utilizzato con successo questo protocollo per sondare per la navigazione spaziale nel lucertole lato-blotched maschi ^13. In questo particolare studio, i maschi sono stati addestrati a navigare verso un buco obiettivo e, una volta che è stato raggiunto il criterio, progredito in un processo sonda per valutare i segnali prioritari durante la na...

Discussione

Quando sperimentalmente il test per l'apprendimento spaziale e la memoria, ci sono diverse importanti questioni concettuali che vengono affrontati in alcune delle principali fasi del protocollo. In primo luogo, i soggetti devono dimostrare che stanno imparando la posizione del foro obiettivo nel corso delle prove di formazione. Il raggiungimento del criterio di preset dimostra che si è verificato l'apprendimento della posizione del foro obiettivo. Se i soggetti non imparano la posizione del foro obiettivo, non c...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Labirinto Barnes	TSE Systems	302050-BM/M	Disponibile da altri fornitori. In alternativa, un labirinto di Barnes può essere costruito da una tavola rotonda standard e non porosa.
Nastro termico	Big Apple Pet Supply		Può anche utilizzare una piccola stufa situata sul pavimento sotto il labirinto.
Pet keeper per piccoli animali	Petco	1230204	Housing enclosure che può essere montato sotto il labirinto.
Pioli di supporto per ripiani nichelati	Newegg	241941	Pioli attaccati alla parte inferiore del labirinto. Fissa l'involucro al labirinto durante le prove.
LifeCam Studio webcam	Microsoft	Q2F-00013	Disponibile da altri fornitori. Possono essere utilizzate anche altre marche di webcam.
Codice	scritto su misura per Matlab e il software di tracciamento video Image Toolbox		. È possibile utilizzare altri software di tracciamento come VideoMot 2 di TSE Systems.