Il labirinto d'acqua morris

The Morris Water Maze

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Neuroscience

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JoVE Science Education Neuroscience

The Morris Water Maze

1.7: An Introduction to Behavioral Neuroscience

1.15: An Introduction to Developmental Neurobiology

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07:42 min

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April 30, 2023

Overview

Il labirinto d’acqua Morris è uno dei test comportamentali più utilizzati per studiare l’apprendimento spaziale e la memoria. Nelle fasi iniziali di questo compito, i roditori devono nuotare fino a una piattaforma per fuggire da una pozza d’acqua. La piattaforma viene quindi nascosta sotto la superficie dell’acqua, in modo che l’animale sia tenuto a ricordare la sua posizione per fuggire. Questo semplice ma potente design del labirinto può essere utilizzato per testare la funzione cognitiva, studiare modelli animali di malattie neurodegenerative e testare potenziali terapie farmacologiche.

Questo video fornisce un’introduzione al labirinto d’acqua di Morris e ai principi che circondano il suo utilizzo, inclusa una discussione sui diversi tipi di memoria testati nel labirinto, punti importanti da considerare durante la progettazione e la conduzione di questo esperimento e le procedure per l’impostazione e l’esecuzione del test. Vengono esaminate diverse applicazioni del labirinto, come lo studio di come il trattamento con radiazioni può portare a compromissione della memoria. Infine, vengono introdotti altri tipi di labirinti d’acqua, come il labirinto radiale a 8 bracci, per mostrare come questo paradigma possa essere adattato per coinvolgere diversi tipi di memoria.

Procedure

Il labirinto d’acqua Morris è uno strumento prezioso per studiare l’apprendimento e la memoria nei roditori. Queste creature sono buone nuotatrici, ma generalmente preferiscono essere a terra. Il labirinto d’acqua sfrutta questa preferenza per addestrare gli animali a utilizzare una piccola piattaforma come fuga da una pozza d’acqua. Dopo l’allenamento, la piattaforma è nascosta sotto la superficie richiedendo al roditore di ricordare la sua posizione rispetto a segnali visivi distanti.

Questo video riassumerà i principi delle procedure di revisione dei test di Morris Water Maze per l’impostazione e l’esecuzione del test ed evidenzierà alcuni modi in cui questo e altri test dell’acqua vengono utilizzati negli studi di laboratorio.

Immergiamoci direttamente in alcuni concetti di base alla base della sperimentazione utilizzando il labirinto d’acqua Morris! Come accennato in precedenza, i roditori troveranno la loro strada verso una piattaforma nascosta facendo riferimento a segnali visivi, come poster ad alto contrasto disposti intorno alla stanza. Ciò dipende da regioni specifiche del cervello, incluso l’ippocampo, la cui funzione è importante nella formazione della memoria. I cambiamenti nel tempo necessario al roditore per trovare la piattaforma in una serie di prove successive possono essere utilizzati come misura dell’apprendimento spaziale e della memoria.

Per aiutare a quantificare la memoria, la piscina è concettualmente divisa in quattro quadranti in modo da poter valutare la tendenza dell’animale ad esplorare la regione vicino alla piattaforma.

I quadranti concettuali sono utili anche nella prova della sonda, in cui l’animale viene testato in una piscina senza piattaforma. Se eseguito almeno 24 ore dopo il completamento dell’allenamento, la tendenza dell’animale ad esplorare il quadrante precedentemente corretto è un’indicazione di formazione della memoria a lungo termine o di “riferimento”.

Allo stesso modo, le prove di inversione comportano un cambiamento nella posizione della piattaforma e misurano la flessibilità cognitiva del roditore per riconoscere che la piattaforma è sparita e guardare da qualche altra parte. Poiché tutti questi dati vengono raccolti in molti studi e con molti animali, la variabilità tra studi e soggetti avrà un grande impatto sui risultati.

I fattori che possono influenzare le prestazioni degli animali includono temperatura, umidità o ora del giorno. Inoltre, gli investigatori visibili possono diventare segnali visivi non intenzionali durante i test, quindi la presenza e la visibilità degli investigatori nella sala prove sono considerazioni importanti.

La variabilità esiste anche tra gli animali e può essere fonte di errore. Di conseguenza, l’età e il sesso dei roditori devono essere attentamente abbinati tra i gruppi sperimentali. Infine, le misurazioni di animali con problemi di mobilità, lesioni o cattiva visione non rifletteranno accuratamente l’apprendimento e non sono ideali per i test nel labirinto d’acqua.

Ora che hai considerato importanti fattori sperimentali, passiamo alla configurazione del test. Inizia con una piscina piena di acqua fresca, non fredda. Le dimensioni della piscina possono variare a seconda che si utilizzino ratti o topi. Quindi, posiziona segnali visivi non mobili nella stanza, con almeno un segnale per quadrante.

Le prove di apprendimento iniziano mettendo una piattaforma di fuga nella piscina. Quindi, posizionare delicatamente il soggetto nell’acqua, facendo attenzione a non immergere la testa. Consenti all’animale di esplorare il labirinto e registra la quantità di tempo necessaria per trovare la piattaforma. Se il roditore non localizza la piattaforma entro circa 60 secondi, guidala lì e lasciala rimanere per 10 – 20 secondi prima di rimuoverla, asciugarla e metterla in una gabbia riscaldata.

Per completare l’addestramento, ripetere questa procedura più volte, con l’animale che inizia ogni prova successiva da un diverso punto di ingresso.

Ora è il momento di testare la capacità dell’animale di trovare una piattaforma nascosta. Inizia alzando il livello dell’acqua a circa un pollice sopra la parte superiore della piattaforma e aggiungendo latte in polvere o vernice non tossica all’acqua. In queste prove, registra il tempo che il roditore trascorre in ogni quadrante e il tempo necessario per trovare la piattaforma nascosta.

Ancora una volta, se l’animale non riesce in 60 secondi, guidalo verso la piattaforma e lascialo rimanere per un breve periodo prima della rimozione. Ripeti questa procedura almeno altre due volte nello stesso giorno, con l’animale che inizia ogni prova successiva da una posizione diversa.

24 ore dopo il completamento delle prove della piattaforma nascosta, esegui un test della sonda rimuovendo la piattaforma e consentendo all’animale di esplorare il labirinto per un’altra prova di 60 secondi. Monitora e registra il tempo in ogni quadrante.

Hai imparato le basi del labirinto d’acqua di Morris, quindi discutiamo di come viene utilizzato negli esperimenti di neurobiologia comportamentale.

In primo luogo, i test comportamentali come il labirinto d’acqua sono estremamente utili per studiare la biologia molecolare dell’apprendimento e della memoria. Ad esempio, gli scienziati possono utilizzare tecniche come la chirurgia stereotassica per manipolare l’espressione di geni specifici nel cervello e testare direttamente l’impatto sull’apprendimento. Inoltre, testare modelli di roditori di disturbi genetici che colpiscono la memoria, come l’Alzheimer, può essere utilizzato per caratterizzare molecole che potrebbero essere fattori di rischio o potenziali terapie per la malattia.

I test comportamentali sono anche importanti per studiare gli impatti della lesione cerebrale sull’apprendimento e sulla memoria nel contesto di traumi alla testa, privazione di ossigeno o lesioni in specifiche regioni del cervello. Ad esempio, alcune terapie mediche, come le radiazioni, possono danneggiare il cervello e avere un impatto negativo sulla memoria. In questo esperimento, gli animali irradiati si comportano male nel labirinto d’acqua rispetto ai controlli. Testando contemporaneamente diversi trattamenti, i ricercatori possono esplorare interventi che potrebbero prevenire il deterioramento cognitivo negli esseri umani sottoposti a radioterapia.

Poiché l’acqua è molto efficace nell’incoraggiare i roditori a esplorare un labirinto, non sorprende che esistano molte varianti di labirinto a base d’acqua. Alcune varianti cercano di ridurre lo stress animale durante i test, come questo labirinto di pagaiata, che allevia la necessità di nuotare e fornisce uscite ai bordi, dove i roditori preferiscono naturalmente essere. Altre varianti di nuoto, come il labirinto a 8 bracci, hanno una configurazione più complessa che richiede che i roditori integrino più informazioni per raggiungere le fughe. Questo layout consente di testare simultaneamente sia la memoria di riferimento che la memoria di lavoro a breve termine.

Hai appena visto l’introduzione di JoVE al labirinto d’acqua di Morris. I labirinti d’acqua sono un modo per noi di testare come gli animali imparano e ricordano e ci aiutano a capire la relazione tra biologia e comportamento.

Grazie per l’attenzione!

Transcript

The Morris water maze is a valuable tool to study learning and memory in rodents. These critters are good swimmers, but they generally prefer to be on land. The water maze takes advantage of this preference to train animals to use a small platform as an escape from a pool of water. After training, the platform is hidden beneath the surface requiring the rodent to remember its location with respect to distant visual cues.

This video will summarize principles of Morris Water Maze testing review procedures for setting up and running the test and highlight some ways that this and other water tests are used in lab studies.

Let’s dive right in to some basic concepts behind experimentation using the Morris water maze! As previously mentioned, rodents will find their way to a hidden platform by referencing visual cues, like high contrast posters arranged around the room. This depends upon specific regions of the brain, including the hippocampus, whose function is important in memory formation. Changes in the time it takes the rodent to find the platform in a series of successive trials can be used as a measure of spatial learning and memory.

To help quantify memory, the pool is conceptually divided into four quadrants so that the tendency of the animal to explore the region near the platform can be assessed.

The conceptual quadrants are also useful in the probe trial, where the animal is tested in a pool containing no platform. If performed at least 24 hours after the completion of training, the tendency of the animal to explore the formerly correct quadrant is an indication of long-term or “reference” memory formation.

Similarly, reversal trials involve a change in platform location and measure the cognitive flexibility of the rodent to recognize that the platform is gone and look somewhere else. Since all of these data are collected over many trials and with many animals, variability between trials and subjects will have a big impact on your results.

Factors that can affect animal performance include temperature, humidity, or time of day. Additionally, visible investigators can become unintentional visual cues during testing, so the presence and visibility of investigators in the test room are important considerations.

Variability also exists between animals and can be a source of error. As a result, rodent age and sex must be carefully matched between experimental groups. Finally, measurements from animals with mobility problems, injuries, or bad vision will not accurately reflect learning and are not ideal for testing in the water maze.

Now that you have considered important experimental factors, let’s jump in to setting up the test. Begin with a pool filled with cool, not cold, water. Pool size can vary depending on if you are using rats or mice. Next, place non-motile visual cues around the room, with at least one cue per quadrant.

The learning trials begin by putting an escape platform into the pool. Next, gently place the subject into the water, taking care not to submerge its head. Allow the animal to explore the maze and record the amount of time it takes to find the platform. If the rodent does not locate the platform within approximately 60 seconds, guide it there and allow it to stay for 10 – 20 seconds before removing, drying, and placing it into a warmed cage.

To complete the training, repeat this procedure multiple times, with the animal beginning each successive trial from a different entry point.

Now it’s time to test the animal’s ability to find a hidden platform. Start by raising the water level to about an inch above the top of the platform and adding powdered milk or non-toxic paint to the water. In these trials, record the time the rodent spends in each quadrant and the time it takes to find the hidden platform.

Again, if the animal doesn’t succeed in 60 seconds, guide it to the platform and allow it to remain for a short period before removal. Repeat this procedure at least twice more on the same day, with the animal beginning each successive trial from a different position.

24 hours after the completion of the hidden platform trials, perform a probe test by removing the platform and allowing the animal to explore the maze for another 60 second trial. Monitor and record time in each quadrant.

You have learned the basics of the Morris water maze, so let’s discuss how it’s used in behavioral neurobiology experiments.

First, behavioral tests like the water maze are extremely useful for studying the molecular biology of learning and memory. For instance, scientists can use techniques like stereotaxic surgery to manipulate the expression of specific genes in the brain and directly test the impact on learning. Furthermore, testing rodent models of genetic disorders affecting memory, like Alzheimer’s, can be used to characterize molecules that could either be risk factors or potential therapeutics for the disease.

Behavioral tests are also important for studying the impacts of brain injury on learning and memory in the context of head trauma, oxygen deprivation, or lesions in specific brain regions. For example, certain medical therapies, like radiation, can damage the brain and negatively impact memory. In this experiment, irradiated animals perform poorly in the water maze when compared to controls. By simultaneously testing different treatments, researchers can explore interventions that could prevent cognitive impairment in humans undergoing radiotherapy.

Since water is very effective in encouraging rodents to explore a maze, it’s no surprise that many water-based maze variants exist. Some variants seek to reduce animal stress during testing, like this paddling maze, which alleviates the need for swimming and provides exits at the edges, where rodents naturally prefer to be. Other swimming variations, such as the 8-arm maze, have a more complex configuration demanding that the rodents integrate more information to reach the escapes. This layout allows for simultaneous testing of both reference memory and shorter-term working memory.

You’ve just watched JoVE’s introduction to the Morris water maze. Water mazes are one way for us to test how animals learn and remember and help us understand the relationship between biology and behavior.

Thanks for watching!

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