Met behulp van farmacologische Manipulatie en hoge precisie-Radio Telemetrie op de Ruimtelijke Cognition in Free opgezette dieren Studie

Samenvatting

Dit document beschrijft een nieuw protocol dat de farmacologische manipulatie van het geheugen en radio telemetrie te documenteren en te kwantificeren de rol van cognitie in de navigatie combineert.

Samenvatting

het vermogen van het dier waar te nemen en te leren over zijn omgeving speelt een belangrijke rol in vele gedragsprocessen, zoals navigatie, migratie, dispersie en voederen. Echter, het begrip van de rol van cognitie in de ontwikkeling van navigatie-strategieën en de mechanismen die ten grondslag liggen aan deze strategieën beperkt door de methodologische problemen die betrokken zijn bij het toezicht, het manipuleren van de cognitie van, en het bijhouden van wilde dieren. Deze studie beschrijft een protocol voor de aanpak van de rol van cognitie in de navigatie dat farmacologische manipulatie van gedrag met hoge precisie radio telemetrie combineert. De aanpak maakt gebruik van scopolamine, een muscarine acetylcholine receptor antagonist, cognitieve ruimtelijke vaardigheden te manipuleren. Behandelde dieren worden vervolgens gecontroleerd met een hoge frequentie en hoge ruimtelijke resolutie via remote triangulatie. Dit protocol werd toegepast binnen een populatie van Oost sierschildpad (Chrysemys picta) die is bewoondseizoen kortstondige waterbronnen voor ~ 100 jaar, het verplaatsen tussen de verre bronnen met behulp van nauwkeurige (± 3,5 m), complex (dat wil zeggen, niet-lineair met een hoge tortuositeit die meerdere habitats doorkruisen) en voorspelbare routes geleerd vóór 4 jaar oud. Deze studie toonde aan dat de door deze schildpadden processen in overeenstemming zijn met de ruimtelijke vorming van het geheugen en de herinnering. Samen vormen deze resultaten zijn consistent met een rol ruimtelijke cognitie bij complexe navigatie en benadrukken de integratie van ecologische en farmacologische technieken in de studie van cognitie en navigatie.

Inleiding

Cognitie (hierin gedefinieerd als "alle bij het verkrijgen, opslaan en gebruiken van informatie uit de omgeving behandeling" ¹⁾ staat centraal in een reeks complexe navigatietaken ^2. Bijvoorbeeld, Sandhill kranen (Grus canadensis) laten een duidelijke verbetering in het vreemdelingenrecht precisie met ervaring ³ en zeeschildpad soorten opdruk op hun natal stranden hatchlings en terug te keren als volwassenen ^4-6. Ook succesvolle migratie, dispersie en foerageren scharnier op het vermogen van het dier om informatie over hun ruimtelijke omgeving ^7,8 verzamelen. Lijken sommige dieren om navigatie-routes in relatie tot de specifieke kenmerken van het landschap ⁹ leren en kunnen ruimtelijke cognitie gebruiken bij het verplaatsen tussen de nesten en foerageergebieden ^10. Recent werk op Oost-sierschildpad (Chrysemys picta) suggereert een kritieke periode in de navigatie, waar de succesvolle navigatie van hoogland leefgebied als volwassenen hangt af van juvenijl ervaring binnen een nauwe leeftijdsgroep (<4 jaar oud ^11-13). Hoewel samen deze studies tonen aan de vooruitgang die is geboekt in het begrijpen van de rol van het leren in de navigatie ^{4-6, 14-16,} de mechanismen die dergelijk gedrag ten grondslag liggen en de volledige rol van cognitie in de navigatie blijft raadselachtig, vooral in gewervelde dieren ^{8, 17 , 18.}

Veldonderzoek naar de rol van cognitie in de navigatie zijn zeldzaam ^{2, 8, 18,} grotendeels te wijten aan de methodologische problemen die betrokken zijn bij het toezicht, manipuleren, en het bijhouden van wilde dieren. Bijvoorbeeld, de grote ruimte- en tijdschalen die veel dieren Navigeer dikwijls uitsluiten onderzoeken zowel type informatie dat deze dieren mogelijk leren en hoe deze zijn verkregen. Onderzoekers vaak geconfronteerd met de logistieke problemen te detecteren en lokaliseren van dieren bij het bewaken van het gedrag over dergelijke grote gebieden en termijnen, waardoor de soort te beperkenvan gegevens die kunnen worden verzameld en de conclusies die kunnen worden getrokken. Hoewel het gebruik van dieren gemonteerde Global Positioning System (GPS) recorders kan de kans op detectie van zeer variërend dieren te verbeteren, ruimtelijke gegevens op deze wijze verzamelde algemeen zeer grove resolutie en missen een gedetailleerde gedragscomponent. Daarom zijn de gegevens die worden verzameld onder zulke omstandigheden van beperkte waarde voor de behandeling subtiele verschillen in gedrag tussen verschillende groepen of experimentele behandelingen. Ook de directe, gecontroleerde manipulatie doelgedragingen vaak verboden door de ruimtelijke en tijdschalen typisch navigatie gedragingen, alsook door inherente logistieke problemen van veldonderzoek. Het vinden van dieren in hun natuurlijke habitat, het vangen en ze te manipuleren, en dan het verzamelen van gedrags-gegevens zonder per ongeluk het produceren van valse gedrag zijn grote uitdagingen van het werken met dieren in het gebied. Het design proeven met free opgezette dieren wordt vaak beperkt en de mogelijkheid om strenge, gecontroleerde veldexperimenten te verrichten naar de rol van cognitie in de navigatie is beperkt.

Deze studie omzeilt veel van de voorgaande problemen van onderzoek naar de relatie tussen cognitie en navigatie in het veld door een nieuwe combinatie van farmacologische manipulatie en hoge-resolutie traceren van dieren vrijelijk navigeren onder veldomstandigheden. Scopolamine, een muscarinische acetylcholinereceptoren (mAChR) antagonisten, is aangetoond dat ruimtelijke geheugenvorming en oproepen blokkeren blokkeert cholinerge activiteit in de hersenen van een verscheidenheid van gewervelde taxa ^18-24. Scopolamine kan effectief worden gebruikt loslopende dieren onder veldomstandigheden ^{11, 18} en een felle maar tijdelijk effect (bijvoorbeeld 6-8 uur bij reptielen). Methylscopolamine een mAChR-antagonist die de bloed-hersen-barrière ^19-21 wordt overschreden, kan worden gebruikt om te controleren voorde mogelijke perifere effecten van scopolamine en niet-cognitieve aspecten van gedrag ^11. Farmacologie maakt de nauwkeurige manipulatie van cognitie rechtstreeks van invloed receptoren en hoge precisie radiotelemetrie maakt de waarneming van de effecten daarvan op het gedrag. Metingen op afstand aanvullend bij zowel hoge ruimtelijke (± 2,5 m) en tijd (15 min) resolutie mogelijk maken een nauwkeurige documentatie en kwantificering van diergedrag opzichte van de experimentele manipulatie van cognitie.

Deze studie ¹¹ werd uitgevoerd tussen mei en augustus 2013 en 2014 bij Chesapeake Farms, een 3.300 acre wildbeheer en landbouw onderzoeksgebied in Kent Co., MD, USA (39,194 ° N, 76,187 ° W). Het protocol omvat vijf stappen: (1) het vastleggen en het hanteren van dieren (2) het aanbrengen van radiozenders (3) de voorbereiding van de farmacologische middelen (4) het toezicht op en het manipuleren van de verplaatsingen van dieren, en (5) analyzing ruimtelijke gegevens. De hierin beschreven gericht op de Oost-studie geschilderde schildpad (picta Chrysemys). Schildpadden in het brandpunt bevolking betrekken bij de jaarlijkse overland bewegingen, waarin zij laten hun huis vijvers en navigeer naar alternatieve aquatische habitats met behulp van een van de vier zeer nauwkeurig (± 3,5 m), complexe en in hoge mate voorspelbaar routes ^{11, 12.} Farmacologische manipulatie van dieren in dit systeem gecombineerd met een hoge resolutie radio telemetrie werpt licht op de rol van cognitie in vrij navigeren door wilde dieren.

Protocol

Alle procedures waarbij proefdieren werden goedgekeurd door de Institutional Animal Care en gebruik Commissies van Franklin en Marshall en Washington Hogescholen en volgde alle lokale, provinciale en federale regelgeving.

1. Capture and Handling

1. Plaats hoepel vallen in het doel waterlichaam waarvan bekend is dat schildpadden bevatten. Identificeer waterdiepte ervoor te zorgen dat 4-5 inches van de val blijft boven water te laten gevangen schildpadden aan de oppervlakte en ademen. Wees er zeker uit te breiden en te beveiligen hoepel vallen om hun maximale lengte van de dwarsbalken te vangen instorting te voorkomen. Stake vallen in het bed van het lichaam van water om drift te voorkomen.
2. Aas vallen met een aantal dode vissen, kippenlevertjes, of kip nek, een blikje kattenvoer, en / of een blikje groente ^25.
3. Controleer vallen tweemaal daags en verwijder schildpadden. Bij het verwijderen van schildpadden uit vallen, houdt van dieren langs de kant en wees voorzichtig om verwonding door klauwen of snavel te voorkomen.
   1. Vrijgave bijvangst. Opnieuwset vallen bij voortzetting trapping gewenst is. Beoordelen van state of aas. Als het aas was verbruikt, voeg meer. Trek vallen om de wal als extra trapping niet gewenst is.
4. Bepaal het geslacht en de leeftijd van schildpadden desgewenst ^{26, 27.}
5. Plaats schildpad in een bedrijf zak en meet body mass met een veer schaal naar de dichtstbijzijnde g.
6. Transport schildpadden naar het lab in geconditioneerde transport dozen met een kleine hoeveelheid water. Huis dieren afzonderlijk in aquaria met onbehandelde vijverwater gehouden bij ongeveer 25 ° C en diep genoeg om de kop alleen bedekken.

2. Aanbrengen Radio Transmitter

1. Om de zender het leven en de output te maximaliseren, kies de grootste radiozender mogelijk dat niet hoger is dan 5% van het lichaam van het dier massa ^28.
2. Identificeer de locatie van de zender plaatsing op de schaal ongeveer halverwege tussen de middellijn en de zijrand van de schaal ongeveer 1/3 van de length uit de achterste rand van het kopborststuk.
3. Bereid gebied door het verwijderen van modder, puin, en algengroei met een droge doek. Wattenstaafje met 70% isopropanol.
4. Bevestig zender met een kleine hoeveelheid 5 min epoxy. Oriënteren de zender aan contact met het oppervlak van de schaal te maximaliseren. Plaats de antenne zodat deze paden achter het dier evenwijdig aan de lengteas van het lichaam.
5. Eenmaal geschikt gepositioneerd, bedek de hele zender en ongeveer 1 cm van de omringende schaal oppervlak met 5 min epoxy.
6. Zet de schildpad naar het aquarium en laat de epoxy om 's nachts te genezen.

3. Farmacologische Voorbereiding

Let op: scopolaminehydrobromide en scopolamine methylbromide zijn krachtige acetylcholine antagonisten. Bij het werken met deze geneesmiddelen, raadpleeg dan de Materials veiligheidsinformatieblad Gebruik de juiste persoonlijke beschermingsmiddelen (bv, handschoenen, zuurkast) en volg de veiligheid laboratorium protocollen acciden voorkomenTal contact.

1. Met behulp van steriel en antipyrogenic benodigdheden, samengestelde een voorraad oplossing van scopolaminehydrobromide. Weeg de gewenste hoeveelheid van het geneesmiddel op een analytische balans. Meng de scopolamine met zoutoplossing injectie in een conische buis om de concentratie van 1 mg / ml. Vortex oplossing totdat het is opgelost. Zorg ervoor dat de chemische zuiverheid van de basischemicaliën voldoet aan of overtreft United States Pharmacopeia (USP) formulering indien mogelijk ^11.
2. Herhaal stap 3.1 met scopolamine methylbromide.
3. Procesoplossing door een 0,22 um porie nylon of gemengde cellulose esters spuit filter in een steriel afgesloten flesje serum.
4. Bewaren bij kamertemperatuur. Gebruik binnen 24 uur.

4. Track Turtle Movements Met behulp van Radio Telemetrie ^{11, 12}

1. Ga naar de algemene locatie van het doel dier, blijft ten minste 25 meter van het dier. Met behulp van een directionele Yagi antenne en het instellen van de receiver versterking bij medium, scan de horizaan de ruwe ligging en de plaats van het dier te bepalen. Bij ontvangst van storing of een zwak signaal, vindt een nieuwe positie. Verhoog verhoging of houd Yagi omhoog wanneer dat mogelijk is om het signaal te versterken.
2. Zodra een geschikte locatie blijkt een invloed te nemen, neem uw positie met een GPS.
3. Volgens de methode null / peak ^28, bepalen de lagers van de linker en rechter nullen.
   1. Identificeer de richting van het sterkste signaal. Draai de winst zo ver mogelijk terwijl toch een detecteerbaar signaal ontvangt. Gebruik de demper schakelaar op de receiver indien aanwezig. Verplaats de antenne naar links en noteer de kompasrichting waarop het signaal verloren.
   2. Herhaal de vorige stap naar de juiste lager.
4. Herhaal stap 4,3 uit ten minste twee extra plaatsen voor hetzelfde dier.
   OPMERKING: Deze extra punten moeten worden op zodanige wijze dat het dier omringen.
   1. Wanneer een set van lagers is afkomstig uit een great afstand of met onvermijdelijke interferentie, nemen ten minste twee extra lagers om de nauwkeurigheid te verhogen. Verzamel sets lagers gebruikt om een ​​locatie zo snel mogelijk te schatten, vooral als het dier beweegt.
      OPMERKING: U kunt meerdere personeel te coördineren om meerdere onafhankelijke lagers gelijktijdig op hetzelfde dier.
5. Record locaties van de dieren digitaal of met de hand om de 10 - 15 min met behulp van bovenstaande stappen.
6. Manipulatie van cognitieve verwerking
   1. Zodra het pad van de gemanipuleerde dier is gedocumenteerd (een within-subjects control), zorgen voor een dosis van ofwel scopolamine of methylscopolamine. Met de verzamelde massa in stap 1,5, berekent de hoeveelheid geneesmiddel te geven aan het dier een reptiel specifieke uiteindelijke dosis van 6,4 mg / kg scopolamine of 6,8 mg / kg methylscopolamine ^{19, 20} bereiken.
   2. Lever het geneesmiddel rechtstreeks in het buikvlies via de staartvin peritoneale sinus met behulp van een 1,0 ml spuit met een 22 gauge naald. Zorg ervoor dat het totale volume geleverde niet meer dan 1 ml.
   3. Laat dier zo snel mogelijk op de plaats van vast te leggen.
   4. Blijven volgen de beweging van het dier om de 10 - 15 min tot aan de geplande bestemming bereikt.

5. Ruimtelijke Analyse

1. Bereken schattingen van dierlijke locatie.
   1. Voor elke set van null lagers, halveer de hoek (met de hand of via software) aan de resulterende zender lager te vinden. Herhaal voor alle lagers op een bepaald tijdstip.
   2. Via triangulatie software volgens het protocol van de fabrikant, schatten positie van het dier en verbonden met meerdere fouten zender lagers. Omzetten positie schattingen x / y-coördinaten als software biedt verschillende output.
2. Herhaal stap 5,1 voor reeksen lagers.
3. Bereken de ruimtelijke nauwkeurigheid van beweging.
   1. Bereken decumulatieve meetkundig gemiddelde (ie, gemiddelde pad) van niet-gemanipuleerde dieren (negatieve controle) als ze bewegen in de richting van hun doel ^12.
   2. Voor elk individu in de behandeling en positieve controlegroepen Bereken het totaal aantal punten die geleidelijk groter zwaden van de geometrische gemiddelde lijn 5 m intervallen overlappen tot 100% van alle punten zijn opgenomen ^{11, 12.}
   3. Bereken het gemiddelde en de standaardafwijking op elk zwad afstand voor alle personen in elke groep.
   4. Statistisch analyseren van de data, het vergelijken van de behandelingsgroepen hetzij voor het interval tot 100% van de punten of met betrekking tot overlapping plaats te bieden aan een gegeven interval, afhankelijk van de vraag.

Resultaten

Met behulp van de bovenstaande protocol, de rol van cognitie in de navigatie werd onderzocht in een populatie van Oost sierschildpad (Chrysemys picta) dat heeft ervaren seizoensgebonden kortstondige waterbronnen voor ~ 100 jaar. Deze populatie bewoont een mix van vluchtig (jaarlijks en snel afgevoerd - in verschillende HR) en permanente aquatische habitats (figuur 1). Vorige studies suggereren dat na hun vijvers leeg zijn, resident schildpadden navigeren naar al...

Discussie

Het protocol hier gepresenteerde laat de experimentator te documenteren en te kwantificeren de rol van cognitie in de navigatie. Manipuleren cognitie in het gebied is moeilijk gebleken, omdat de meeste benaderingen laten onderzoekers niet weten welke specifieke aspecten van het gedrag van elk dier worden gemanipuleerd. Echter, het protocol hier gepresenteerde laat de experimentator om nauwkeurig te manipuleren en een goede inschatting maken van de rol van cognitie in de navigatie. De techniek maakt het mogelijk verdere ...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Scopolamine bromide	Sigma	S0929	USP
Scopolamine methylbromide	Sigma	S8502, 1421009	USP en niet-USP versies
Saline	Hanna Pharmaceutical Supply Co., Inc.	409488850	USP, geformuleerd als een injecteerbaar
Spuitfilter	Fisher	09-720-004
Spuit	Fisher	14-823-30
Hypodermische naald	Fisher	14-823-13
Antenne	Wildlife Materials	3 Element Folding Yagi	Antennes met extra elementen zijn beschikbaar, maar kunnen lastig zijn in het veld.
Radioontvanger	Wildlife Materials	TRX-2000S	Waterbestendige modellen zijn ook beschikbaar.
Kompas	Brunton	Truarc 15
Radiozenders	Holohil Inc.	BD-2, PD-2, RI-2B	Zendermodellen variëren in levensduur en signaaluitvoer als functie van de batterijgrootte en pulssnelheidsinstellingen, die kunnen worden aangepast op basis van de studievraag en organisme.
GPS	Garmin	eTrex Venture
Coaxiale kabel	newegg.com	C2G 40026	BNC-verbindingen zijn noodzakelijk.
Hoepelnet	Memphis Net and Twine	TN325	De maasgrootte van het net moet worden gekozen op basis van de minimale grootte van het doelorganisme.