Het achtarmige radiale waterlabyrint is ontworpen om referentie- en werkgeheugenprestaties gelijktijdig te evalueren door proefpersonen te verplichten extra-labyrintsignalen te gebruiken om ontsnappingsplatforms te lokaliseren en verhelpt de beperkingen die zijn waargenomen in landgebaseerde radiale armlabyrintontwerpen.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Gebruik van een acht-arm Radial Water Maze te Werken en Reference geheugen Assess Na Neonatale Hersenletsel
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Werkend geheugen en referentiegeheugen worden meestal beoordeeld met behulp van de landgebaseerde radiale armdoolhof. Dit paradigma vereist echter voortraining, voedseldeprivatie en kan geurcue-verwarring introduceren. De achtarmige radiale waterdoolhof is ontworpen om referentie- en werkgeheugenprestaties tegelijkertijd te evalueren door proefpersonen te verplichten extra-doolhof-cues te gebruiken om ontsnappingsplatforms te lokaliseren en verhelpt de beperkingen die zijn waargenomen in landgebaseerde radiale armdoolhofontwerpen. Specifiek, proefpersonen moeten de armen vermijden die eerder voor ontsnapping zijn gebruikt tijdens elke testdag (werkgeheugen) en ook de vaste armen vermijden, die nooit ontsnappingsplatforms bevatten (referentiegeheugen). Terugkeren naar armen die al eerder voor ontsnapping zijn gebruikt tijdens een testessie (en dus is het ontsnappingsplatform verwijderd) en terugkeren naar referentiegeheugen-armen zijn indicatief voor werkgeheugendeficiënties. Alternatief, eerste ingangen naar referentiegeheugen-armen zijn indicatief voor referentiegeheugendeficiënties. We gebruikten deze doolhof om de prestaties van ratten met neonatale hersenbeschadiging en sham-controles te vergelijken na inductie van hypoxie-ischemie en toonden significante tekorten in zowel werkgeheugen als referentiegeheugen na elf dagen testen. Dit protocol kan gemakkelijk worden aangepast om veel andere modellen van leerstoornissen te onderzoeken.
Inleiding
Werkgeheugen (WM) komt overeen met een cruciaal cognitief domein dat nodig is voor de representatie van objecten of plaatsen tijdens doelgericht gedrag1. Alternatief, referentiegeheugen (RM) is vereist voor tijdelijk stabiele representaties van die objecten of plaatsen. Werk- en referentiegeheugen zijn lang beoordeeld bij knaagdieren met behulp van landgebaseerde radiale arm-labyrintparadigma's2,3. Deze taken vereisen echter vaak voortraining, aangezien ratten niet geneigd zijn tot spontaan labyrint lopen. Dit kan de tijd die nodig is om een experiment te voltooien aanzienlijk verhogen en kan interfereren met tijdgevoelige longitudinale ontwerpen. Andere beperkingen van het landgebaseerde acht-armige labyrint omvatten vereisten voor voedseldeprivatie en moeilijkheid bij het controleren van veranderingen in geursignalen die na elke proef op het labyrint worden achtergelaten. Veel van deze beperkingen zijn overwonnen door het gebruik van het Morris-waterlabyrintparadigma4, maar historisch gezien zijn deze ontwerpen beperkt geweest tot het testen van referentiegeheugen en ruimtelijk leren (uitzonderingen5-9). De acht-armige radiale waterlabyrint is een aangepaste versie van het acht-armige radiale landlabyrint, die is gebruikt om zowel referentiegeheugen als werkgeheugen bij ratten en muizen te beoordelen5-7. In tegenstelling tot traditionele landgebaseerde labyrinten, vereist de acht-armige radiale waterlabyrint geen voedseldeprivatie, minimaliseert mogelijke verwarrende geursignalen en maakt gebruik van de motivatie van de proefpersonen om te ontsnappen als een effectief middel om werk- en referentieleer en geheugen gelijktijdig te beoordelen zonder de noodzaak van voortraining5-7.
Een toepassing voor dit paradigma is om werkgeheugentekorten te testen na neonatale hersenletsel. Onderzoek bij mensen heeft aangetoond dat premature baby's met een risico op hersenletsel later in het leven werkgeheugentekorten vertonen10,11. Neonatale hersenletsel kan bij knaagdieren worden gemodelleerd door hypoxie/ischemie (HI) vroeg in de postnatale ontwikkeling te induceren12-15. Belangrijker nog, ruimtelijk leren en werkgeheugentekorten die worden gevonden bij risicobaby's, worden geparalleliseerd bij knaagdieren met behulp van de radiale arm-waterlabyrint, waardoor het een robuust model is voor de studie van dergelijke beperkingen8,9. De acht-armige radiale waterlabyrint maakt ook gelijktijdige kwantificering van referentiegeheugen en werkgeheugen mogelijk, waardoor het ideaal is voor de vergelijking van hersenletsel en niet-verwondingen bij tijdgevoelige modellen (d.w.z. tijdens discrete ontwikkelingsvensters) of voor uitgebalanceerde longitudinale ontwerpen.
In dit protocol beschrijven we testprocedures met behulp van een acht-armige radiale waterlabyrint (zie Figuur 1) en voorbeeldgegevens voor ratten met en zonder neonatale hypoxisch-ischemische verwonding. Hypoxie-ischemie (HI) werd geïnduceerd op postnatale dag 7 na cauterisatie van de rechtergemeenschappelijke halsslagader en 120 minuten blootstelling aan 8% zuurstof. Deze chirurgische procedure is uitgebreid gebruikt om de pathologie van prematuriteit en neonatale hersenletsel te modelleren (zie details12,13,16,17). We laten zien dat het radiale arm-waterlabyrintparadigma tekorten in referentiegeheugen en werkgeheugenkracht aantoont na neonatale HI-verwonding. In het huidige protocol wordt referentiegeheugen beoordeeld met behulp van vier specifieke armen van het acht-armige radiale waterlabyrint, die constant blijven ten opzichte van extra-labyrintsignalen gedurende het hele testen. Deze armen bevatten nooit een ontsnappingsplatform, dus het binnengaan van de proefpersonen in deze armen reflecteert een slechte referentiegeheugenprestatie en tekorten in langdurig leren. De resterende vier armen bevatten allemaal ontsnappingsplatforms aan het begin van de dag, maar elk platform wordt verwijderd zodra het dier succesvol een arm binnenkomt en het water ontsnapt5-7. Dit vereist dat het dier zich herinnert welke armen het over de vier opeenvolgende proeven is binnengegaan, waardoor de werkgeheugenvereiste toeneemt naarmate elk aanvullend platform wordt verwijderd. Werkgeheugen wordt beoordeeld door het onderzoeken van herhaalde ingangen in armen die eerder voor ontsnapping zijn gebruikt binnen dezelfde testdag of herhaalde ingangen in referentiegeheugen-armen. Bovendien gebruikt dit ontwerp extra-labyrintsignalen om de ontsnappingsplatforms te lokaliseren, wat reflecteert op hippocampaal afhankelijk ruimtelijk leren. Deze methode voor het beoordelen van fouten in werk- en referentiegeheugen werd oorspronkelijk gebruikt door Jarrard et al.18 en is sindsdien uitgebreid gebruikt om knaagdierenmodellen van veroudering gerelateerde neurologische stoornissen, leerstoornissen en na hormonale manipulaties te beoordelen5,6,7,19,20.
Het primaire doel van dit paradigma is om referentiegeheugen en werkgeheugen te beoordelen, dus het acht-armige radiale waterlabyrintontwerp zou niet beperkt moeten zijn voor het testen van tekorten als gevolg van ontwikkelingsgerelateerd hersenletsel. In plaats daarvan laten eerdere studies met behulp van dit paradigma zien dat een verscheidenheid aan knaagdierenmodellen kunnen worden geëvalueerd om de pathologie van leren en geheugen te beoordelen in veel experimentele contexten5,6,7,18,19,20.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
Alle procedures zijn goedgekeurd door de Rhode Island College Institutional Animal Care and Use Committee en voldoen aan de National Institutes of Health Guide for the Care and Use of Laboratory Animals.
1. Labyrintconfiguratie
- Plaats heldere, statische, opvallende extra-labyrint cues (geschilderde vormen, meubels of andere stationaire kamerfuncties) rond het labyrint.
Opmerking: Alle extra-labyrint cues moeten gedurende de duur van het experiment op dezelfde locatie blijven. - Plaats de hub en armen van het radiale armlabyrint in een plastic kuip (zie apparatuurtabel voor een voorbeeld).
Opmerking: Het labyrint dat in dit protocol wordt gebruikt, bestaat uit acht verwijderbare roestvrijstalen armen die zijn bevestigd aan acht centrale steunen bevestigd aan een ronde roestvrijstalen basis die zwart is geverfd (zie Figuur 1 voor diagram en bijbehorende afmetingen). De plastic kuip die in Figuur 1 wordt weergegeven, heeft een binnendiameter van 122 cm en een hoogte van 60 cm. - Vul de kuip met water opgewarmd tot kamertemperatuur (22-26 °C)7.
- Plaats platforms 1 cm onder het wateroppervlak aan de uiteinden van vier van de acht armen.
Opmerking 1: Voor elk onderwerp zijn de platformlocaties voor de duur van de test vastgesteld. Ongeacht de configuratie, moet ervoor worden gezorgd dat de platforms niet in meer dan twee aangrenzende armen worden geplaatst (niet meer dan twee platforms mogen zich in aangrenzende armen bevinden). Plaats geen platform in de startarm.
Opmerking 2: De verborgen platforms moeten dezelfde kleur hebben als de maze insert om te blenden met de maze achtergrond.
2. Overbrengen van proefpersonen voor testen
- Breng proefpersonen over van het vivarium naar de testkamer en houd de aangewezen testvolgorde aan.
Opmerking: Dieren moeten in een ondoorzichtige kooi worden geplaatst om anticiperende stress te verminderen en te voorkomen dat ze de testkamer cues kunnen zien. - Eenmaal in de testkamer, plaats alle ondoorzichtige kooien van groep 1 op een opstellingsbank of tafel en houd de testvolgorde aan.
Opmerking: Bij een groot onderzoek (bijv. 30 proefpersonen) is het misschien het beste om de proefpersonen in testgroepen te verdelen (bijv. 3 groepen van 10 proefpersonen elk). Dit zal afhangen van de grootte van uw testkamer en de haalbaarheid van het vervoer van proefpersonen.
3. Digitaal tabletprotocol voor het opnemen van maze arm entries
- Open een PDF-schrijfprogramma op de digitale tablet.
- Importeer alle vooraf opgeslagen gegevensopname templates voor proefpersonen in groep 1.
Opmerking: Elke opname template moet vooraf worden opgeslagen en worden gelabeld met specifieke onderwerp- en proefnummers (bijv. onderwerp 1_proef 1, onderwerp 1_proef 2, etc.) met een totaal van vier templates voor elk onderwerp (proeven 1-4). De template moet een lege weergave van het labyrint en platformlocaties hebben, evenals een plaats om het onderwerpnummer, proefnummer, testdag, gebruikte ontsnappingsplatform en proeflatentie op te nemen (zie Figuur 2). - Open de template voor de eerste proef van uw eerste onderwerp.
Opmerking: Dit systeem kan ook worden gebruikt met papieren templates voor onderzoekers zonder toegang tot tablets of tablet-gebaseerde notitieprogramma's.
4. Radiaal arm waterlabyrinttesten
- Als dieren in paar gehuisvest zijn, scheid de onderwerpen voorafgaand aan de testsessie. Breng het eerste testonderwerp over in een aparte ondoorzichtige opwarmkooi.
Opmerking: De kooi moet worden opgewarmd tot 37 °C met behulp van een verwarmingskussen om de lichaamstemperatuur tussen de testproeven te behouden. - Voor de eerste proef van elk onderwerp, bevestig dat het onderwerpidentificatienummer overeenkomt met het onderwerpnummer op het gegevensopnameblad en zorg ervoor dat de platforms correct zijn gepositioneerd in het waterlabyrint met acht armen.
- Plaats het onderwerp in de startarm met de gezichting naar de muur van het labyrint en start de timer.
Opmerking: Dit protocol is ontworpen voor twee experimenteerders, één om de gegevens op te nemen en één om de proefpersonen te behandelen. Tijdens deze samenwerking is communicatie tussen de experimenteerders van het grootste belang. Bevestiging van starttijden, onderwerpnummers en juiste platformplaatsing voorafgaand aan elke proef is essentieel. - Blijf tijdens elke proef in een aangewezen positie in de kamer stationair om de consistentie van de cues tijdens elke proef te handhaven.
Opmerking: Er moet voor worden gezorgd om opvallende cues te vermijden (bijv. parfums) tijdens de experimenten en de experimenteerders moeten elke dag dezelfde kledingstukken (labjassen) dragen om de consistentie van de cues te behouden. - Neem elke entry in een arm op door een markering te plaatsen op de overeenkomstige arm in de opnametemplate op de digitale tablet.
Opmerking: Een entry vindt plaats wanneer de schouders van een onderwerp het openingsvlak van de arm breken. - Geef een maximum van 120 sec om het onderwerp een van de vier platforms te laten lokaliseren. Zodra het dier het platform bereikt, stop de timer, de proef is voltooid.
Opmerking: Om consistentie te handhaven, wordt gezegd dat een onderwerp het doel heeft bereikt wanneer zijn voorpoten op het platform staan. - Als het onderwerp het platform binnen 120 sec niet kan lokaliseren, leid hen voorzichtig naar het dichtstbijzijnde platform en laat ze 10 sec op het platform blijven voordat ze worden verwijderd om ervoor te zorgen dat het dier zich bewust is van de doellocatie.
- Alleen op dag een, laat het onderwerp 1
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
Voorbeelden van gegevens uit ons laboratorium tonen significant meer onjuiste fouten in het werkgeheugen aan bij HI-dieren in vergelijking met sham-dieren op dag elf van de testen (t = 2.124, p<0.05, (zie Figuur 3A)). HI-dieren vertoonden op de elfde dag van de testen ook significant meer referentiegeheugenfouten in vergelijking met sham-proefpersonen (t = 2.303, p<0.05, (zie Figuur 3B)). Onjuiste fouten in het werkgeheugen en referentiefouten omvatten het totale aantal cumulatieve...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
Het achtarmige radiale waterlabyrintparadigma is met succes gebruikt in ons lab en door anderen om de werkgeheugen- en referentiegeheugenprestaties bij ratten met en zonder neonatale hersenbeschadiging te beoordelen5-7,18-20. In het huidige paradigma verhoogt het verwijderen van een ontsnappingsplatform na elke proef de werkgeheugenvereiste (de proefpersonen hebben minder ontsnappingsopties) in de volgende pogingen. Daarom blijft er op poging vier slechts één platform over en is de werkgeheugenvereiste het hoo...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs verklaren dat ze geen concurrerend financieel belang hebben.
Dankbetuigingen
De auteurs willen William Martin en de Rhode Island College Art afdeling bedanken voor hun hulp bij de fabricage van het doolhof. We willen ook de studenten van Rhode Island College, Katrina Feyerherm, Molly La Rue en Nick Lafond, bedanken voor hun werk bij het uitvoeren van proeven in het achtarmige waterdoolhof. Dit werk werd ondersteund door een subsidie van het Rhode Island Idea Network for Biomedical Research excellence (RIINBRE) en het NIH National Center for Research Resources (subsidie # P20 RR16457-12). Ondersteuning werd ook geboden door het Eunice Kennedy Shriver National Institute Of Child Health & Human Development van de National Institutes of Health onder Award Nummer R15HD077544.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Plastic Tub | Gototanks http://www.gototanks.com | ARM-19455 | Grootte kan variëren afhankelijk van de geteste soorten of individuele laboratoriumbehoeften. |
| iPad of andere digitale tablet | Apple Inc. | N/A | http://www.apple.com |
| Notability of andere notitie-applicatie | Gingerlabs | N/A | http://www.gingerlabs.com Digitaal pdf-schrijver of notitieprogramma |
| Digitale timer | Elk | N/A | |
| Deltaphase isotherme verwarmingspad | Braintree Scientific | ASS7D | http://www.braintreesci.com/ |
| Roestvrijstalen doolhof | In huis vervaardigd | N/A |
Referenties
- Bunge, S. A., Ochsner, K. N., Desmond, J. E., Clover, G. H., Gabrieli, J. D. Prefrontal regions involved in keeping information in and out of mind. Brain. 124 (Pt 10), 2074-2086 (2001).
- Olton, D., Collison, C., Werz, M. Spatial memory and radial-arm maze performance of rats. Learn Motiv. 8, 289-314 (1977).
- Olton, D., Becker, J., Handelmann, G. Hippocampus, space, and memory. Behav. Brain Sci. 2, 313-365 (1979).
- Morris, R. Developments of a water-maze procedure for studying spatial learning in the rat. J. Neurosci. Methods. 11 (1), 47-60 (1984).
- Hyde, L. A., Hoplight, B. J., Denenberg, V. H. Water version of the radial-arm maze: learning in three inbred strains of mice. Brain Res. 785 (2), 236-244 (1998).
- Hyde, L. A., Sherman, G. F., Hoplight, B. J., Denenberg, V. H. Working memory deficits in BXSB mice with neocortical ectopias. Physiol. Behav. 70 (1-2), 1-5 (2000).
- Hyde, H. A., Hoplight, L. A., Denenberg, B. J., H, V. In two species, females exhibit superior working memory and inferior reference memory on the water radial-arm maze. Physiol. Behav. 70 (3-4), 311-317 (2000).
- Fitch, R. H., Breslawski, H., Rosen, G. D., Chrobak, J. J. Persistent spatial working memory deficits in rats with bilateral cortical microgyria. Behav. Brain Funct. 4, 45(2008).
- Szalkowski, C. E., et al. Persistent spatial working memory deficits in rats following in utero RNAi of Dyx1c1. Genes Brain Behav. 10 (2), 244-252 (2011).
- Conklin, H. M., Salorio, C. F., Slomine, B. S. Working memory performance following pediatric traumatic brain injury. Brain Inj. 22 (11), 847-857 (2008).
- Luu, T. M., Ment, L., Allan, W., Schneider, K., Vohr, B. R. Executive and memory function in adolescents born very preterm. Pediatrics. 127, 639-648 (2011).
- McClure, M. M., Threlkeld, S. W., Fitch, R. H. Auditory processing and learning/memory following erythropoietin administration in neonatally hypoxic-ischemic injured rats. Brain Res. 1132 (1), 203-209 (2006).
- McClure, M. M., Thrlekeld, S. W., Fitch, R. H. The effects of erythropoietin on auditory processing following neonatal hypoxic-ischemic injury. Brain Res. 1132 (1), 203-209 (2007).
- LaPrairie, J. L., Murphy, A. Z. Long-term impact of neonatal injury in male and female rats: Sex differences, mechanisms and clinical implications. Front. Neuroendocrinol. 31 (2), 193-202 (2010).
- Volpe, J. J. Perinatal brain injury: from pathogenesis to neuroprotection. Ment. Retard. Dev. Disabil. Res. Rev. 7, 56-64 (2001).
- Vannucci, R. C., Vannucci, S. J. A model of perinatal hypoxic-ischemic brain damage. Ann. N. Y. Acad. Sci. 835, 234-249 (1997).
- McClure, M. M., Peiffer, A. M., Rosen, G. D., Fitch, R. H. Auditory processing deficits in rats with neonatal hypoxic-ischemic injury. Int. J. Dev. Neurosci. 23 (4), 351-362 (2005).
- Jarrard, L., Okaichi, H., Steward, O., Goldschmidt, R. On the role of hippocampal connections in the performance of place and cue tasks: comparisons with damage to the hippocampus. Behav. Neurosci. 98, 946-954 (1984).
- Bimonte-Nelson, H. A., et al. Testosterone, but not nonaromatizable dihydrotestosterone, improves working memory and alters nerve growth factor levels in aged male rats. Exp. Neurology. 181, 301-312 (2003).
- Acosta, J. I., Hiroi, R., Camp, B. W., Talboom, J. S., Bimonte-Nelson, H. A. An update on the cognitive impact of clinically-used hormone therapies in the female rat: Models, mazes and mechanisms. Brain Res. 13 (1514), 18-39 (2013).
- O'Keefe, J., Nadel, L. The hippocampus as a cognitive map. , Clarendon Press. Oxford, England. (1978).
- Whishaw, I. Q., Pasztor, T. J. Rats alternate on a dry-land but not swimming-pool (Morris task) place task: implications for spatial processing. Behav. Neurosci. 114 (2), 442-446 (2000).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
