Het observationele angstparadigma beoordeelt victueuze bevriezing bij knaagdieren als een model voor affectieve empathie. Deze procedure omvat het blootstellen van waarnemende knaagdieren aan conspecifieke demonstranten die aversieve voetschokken ontvangen om empathische bevriezingsreacties op te roepen. Door observatieve angsttests te gebruiken, kunnen onderzoekers de neurale mechanismen die ten grondslag liggen aan affectieve empathie onderzoeken.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Observationele angst als een model van affectieve empathie bij muizen
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Empathie, gekenmerkt door het vermogen om de emoties van anderen te herkennen en te delen, speelt een fundamentele rol bij het vormgeven van sociale interacties. Het stelt individuen in staat om te reageren op de emotionele toestanden van anderen, waardoor prosociale gedragingen en sociale bindingen worden bevorderd. Observationele angst is een fundamenteel aspect van affectieve empathie, waarbij een waarnemer een demonstrator getuigt die aversieve ervaringen ondergaat en vervolgens angstgedrag vertoont. Deze sociaal geïnduceerde victieuze bevriezingsreactie bij waarnemers, bekend als emotionele besmetting of affectdeling, wordt beschouwd als een indicator van empathie-achtige eigenschappen bij knaagdieren. Hier presenteren we een protocol dat de beoordeling van victieuze bevriezingsreacties bij waarnemers beschrijft die zijn blootgesteld aan conspecifieke demonstranten die aversieve voetschokken ontvangen. Het gebruik van observationele angsttests bij knaagdieren is een wijdverbreide methode geworden voor het bestuderen van de neurale mechanismen die ten grondslag liggen aan affectieve empathie. Gezien de universaliteit van observationele angst bij zoogdieren, draagt deze methodologie verder bij aan het bevorderen van ons begrip van de neurale substraten van empathie bij mensen.
Inleiding
Empathie -- het vermogen om de gevoelens van anderen te herkennen en te delen -- is cruciaal voor onze emotionele en sociale interacties1. Dit protocol beoogt affectieve empathie bij knaagdieren te onderzoeken door middel van de observatieve angstconditioneringstest, ontworpen om indirecte angstreacties bij een waarnemende knaagdier te beoordelen. Empathisch vermogen heeft diepe neurobiologische grondslagen, met evolutionaire continuïteit van knaagdieren tot mensen2. Convergerende bewijslijnen tonen aan dat knaagdieren significante affectieve gevoeligheid vertonen voor de emotionele toestand van hun sociale soortgenoten3 en empathisch gedrag vertonen, inclusief observatieve angst, troostend-achtig allogrooming, emotionele besmetting van pijn en prosociale hulpgedragingen4,5,6,7,8,9. Deze continuïteit heeft belangrijke implicaties, omdat het het gebruik van diermodellen mogelijk maakt om diepere inzichten te verkrijgen in de neurobiologische mechanismen die ten grondslag liggen aan menselijke empathie10.
Observatieve angst dient in het bijzonder als een waardevol gedragsmodel voor het beoordelen van empathische angstreacties, aangezien knaagdieren plaatselijk angst kunnen ervaren door het waarnemen van soortgenoten die aversieve stimuli ontvangen4. Studies hebben aangetoond dat sterkere indirecte angstreacties positief geassocieerd zijn met trekmaatregelen van empathie bij mensen en primaten11,12, wat aangeeft dat observatieve angst inderdaad een fundamenteel kenmerk van emotionele empathie kan zijn2. In vergelijking met andere empathietests1,2,4,10, is observatieve angstconditionering voordelig omdat het de meting van emotionele besmetting mogelijk maakt zonder de waarnemer aan directe aversieve stimuli bloot te stellen. Dit biedt een minder invasieve maar betrouwbare maatstaf voor affectieve empathie, waardoor het geschikt is voor herhaalde metingen en diepgaande studies over empathische neurale circuits.
Bij observatieve angstconditionering wordt een muis (waarnemer) plaatselijk geconditioneerd voor context-afhankelijke angst door een andere muis (demonstrator) te observeren die herhaalde voetschokken ontvangt, zonder zelf directe aversieve stimuli te ervaren. De observatieve angstconditioneringstest gebruikt een dual-compartimente angstconditioneringsapparaat, dat wordt verdeeld door een transparante Plexiglas scheidingswand13. Deze opstelling stelt de waarnemer in één compartiment in staat om de demonstratiemuis in het tegenovergestelde compartiment duidelijk te zien. Bovendien kunnen geuren en geluiden tussen de compartimenten worden overgebracht via de staafvloer. In één compartiment wordt de demonstratiemuis gepositioneerd, die het aversieve stimulus van een voetschok zal ontvangen, terwijl in het andere compartiment de waarnemermuis is gesitueerd om de nood van de demonstratiemuis door de transparante middelste scheidingswand te zien. Dit paradigma bestaat uit twee sessies: een 5-minutige habituatie gevolgd door een 4-minutige conditioneringsperiode. Het vriesgedrag dat door de waarnemermuis wordt vertoond, treedt op wanneer de demonstratiemuis typische reacties vertoont op aversieve voetschokken, inclusief pijn-geïnduceerde piepjes, springen, rennen en bevriezen, tijdens de conditioneringsperiode. Deze sociaal opgewekte plaatselijke vriesreactie bij waarnemers wordt beschouwd als een maatstaf voor emotionele besmetting, een basisvorm van affectieve empathie bij knaagdieren. De ontwikkeling van de observatieve angsttest bij knaagdieren heeft onderzoekers in staat gesteld om de neurale circuits en genetische grondslagen die affectieve empathie mediëren te onderzoeken.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
Alle procedures met levende dieren die hier worden beschreven, zijn goedgekeurd door het Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) van het Institute for Basic Science (IBS). Mannelijke of vrouwelijke C57BL/6J-muizen (waarnemers en demonstranten), 10-12 weken oud, werden afzonderlijk gehuisvest. Muizen werden gehuisvest met 2-5 dieren per kooi en gehouden op een constante temperatuur van 23-25 °C met een 12-uurs licht/donkercyclus. De muizen kregen muizenvoer en water ad libitum. Er werd geen behandeling uitgevoerd voorafgaand aan het testen. Details van de reagentia en apparatuur die in dit onderzoek werden gebruikt, staan vermeld in de Tabel van Materialen.
1. Voorbereiding voor de observationele angstconditionering
- Huisvestingsomstandigheden: Broeders samen huisvesten (2-3 muizen/kooi) na het spenen. Niet-broeders in afzonderlijke kooien huisvesten13. Voor experimenten met paarvormingskooitjes, maak paarvormingskooitjes met één mannetje en twee vrouwtjes. Laat de mannetjes en vrouwtjes minimaal 10 weken samen wonen.
- Kamerhabituatie: Breng de dieren in hun eigen kooien naar de wachtruimte ten minste 30 minuten voordat het gedragsonderzoek begint om de muizen de tijd te geven zich aan te passen aan de testomgeving.
OPMERKING: Houd de lichtintensiteit in de experimentele ruimte op ongeveer 90 lux en in de wachtruimte voor habituatie op 35 lux. - Setup voor observationele angstconditionering
- Apparaatconfiguratie: Stel het apparaat voor observationele angstconditionering samen, met een hoogte van 32,7 cm, een breedte van 19,1 cm en een lengte van 37,8 cm (Figuur 1A).
- Bevat twee kamers gescheiden door een poreus (zes gaten met een straal van 3 mm), transparante Plexiglas-verdeler (18 cm breed × 32,2 cm lang) in het midden. Plaats een rooster bestaande uit meerdere stalen staven op de bodem van de kamer om elektrische voetschokken toe te dienen.
- Zorg ervoor dat het protocol voor observationele angstconditionering bestaat uit twee perioden: een 5 minuten durende habituatieperiode gevolgd door een 4 minuten durende conditioneringsperiode, waarbij een 2 seconden durende voetschok (1 mA) elke 10 seconden aan de demonstrantenuis wordt toegediend. Programmeer dit protocol met behulp van FreezeFrame-software.
OPMERKING: Zoals eerder beschreven14, zorg voor een voetschokintensiteit van 1 mA om betrouwbaar het volledige bereik van gedragsreacties bij de demonstrantenuizen te induceren, inclusief rennen, vocalisatie en springen. Vermijd het verminderen van deze intensiteit, aangezien dit kan leiden tot inconsistente reacties bij zowel demonstranten als waarnemers. Overweeg echter om een lagere schokintensiteit of minder schokstoepassingen te gebruiken als een volledig bereik van gedragsreacties van de demonstrantenuis kan worden geïnduceerd onder specifieke experimentele omstandigheden.
- Apparaatconfiguratie: Stel het apparaat voor observationele angstconditionering samen, met een hoogte van 32,7 cm, een breedte van 19,1 cm en een lengte van 37,8 cm (Figuur 1A).
- Video-opname: Zet de videocamera aan en zorg ervoor dat de testkamer volledig zichtbaar is binnen het frame voor latere analyse.
OPMERKING: Installeer de videocamera in de geluidsdempingskoker en plaats deze direct boven het dier om een duidelijke opname van het gedrag van het dier te garanderen.
2. Procedure voor observationele angstconditionering
- Habituatieperiode
- Wijz een dier aan als waarnemer en de ander als demonstrant, afhankelijk van welk dier onderhevig zal worden aan aversieve voetschokken.
- Plaats de demonstrantenuis in de kamer waar de voetschok als eerste zal worden toegediend en plaats vervolgens de waarnemersmuis in de tegenoverliggende kamer, gescheiden door een transparante Plexiglas-verdeler.
- Voer het geprogrammeerde protocol onmiddellijk na het sluiten van de kamerdeur uit met behulp van de software.
OPMERKING: Voer een volledig protocol in de FreezeFrame-software in dat zowel een habituatieperiode (zonder voetschokken) omvat, gevolgd door een conditioneringsfase die elke 10 seconden een 2 seconden durende voetschok geeft aan de demonstrantenuis, terwijl de camera gedurende de hele procedure opneemt. - Laat de waarnemersmuis en de demonstrantenuis gedurende 5 minuten vrij bewegen en onderzoeken in de kamer tijdens de habituatiesessie.
- Conditioneringsperiode
- Automatisch elektrische voetschokken afgeven aan de demonstrantenuis gedurende 4 minuten na de habituatieperiode.
- Zorg ervoor dat de waarnemersmuis de pijnreacties van de demonstrantenuis tijdens de conditioneringsperiode observeert.
OPMERKING: Analgetica werden onthouden om de pijnreacties van de demonstrantenuis op elektrische schok te behouden, essentiële sociale signalen voor het induceren van emotionele veranderingen bij waarnemersmuizen. - Na elke sessie plaatst u demonstranten en waarnemers in afzonderlijke kooien. Na voltooiing van de test, brengt u elk dier terug naar zijn eigen kooi.
- Reiniging van het apparaat en het rooster op de bodem met 70% ethanol en papieren tissues.
OPMERKING: Reinig het apparaat grondig met ontsmettingsmiddel tussen herhaalde experimenten om eventuele resterende reuksignalen van eerdere proefpersonen te elimineren en consistentie tussen proeven te behouden. Veeg bovendien af met 70% ethanol nadat alle experimenten zijn voltooid.
3. Analyse van vicaire bevriezingsreacties
- Analyseer het opgenomen gedrag van de waarnemer tijdens zowel de habituatie- als conditioneringsperiodes15.
- Gebruik de software om automatisch onbeweeglijke perioden van de waarnemersmuis te detecteren die langer dan 0,75 seconden duren, wat als bevriezing wordt beschouwd.
OPMERKING: Voer de analyse handmatig of automatisch uit voor het scoren van bevriezing
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
Zoals beschreven in het gedragsschema (Figuur 1A), begint de sessie met habituatie (5 min), gevolgd door een periode van observationele angstconditionering (4 min). In dit experiment werden de demonstratiemuizen in de groep voor observationele angst (OF) tijdens de conditioneringsperiode blootgesteld aan aversieve voetschokken, terwijl de muizen in de controlegroep (Con) geen voetschokken ontvingen. Alleen de observatiemuis in de OF-groep was getuige van de stressreacties van een demonstrati...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
De contextuele observationele angstconditionering (OFC) test, beschreven in dit gedragsprotocol, wordt gebruikt om affectieve empathie bij muizen te bestuderen4,16. Om dit paradigma succesvol uit te voeren, moet zorgvuldige aandacht worden besteed aan experimentele omstandigheden en praktische details, met name factoren die de emotionele reacties van de proefpersonen beïnvloeden, waaronder vertrouwdheid, sociale isolatie, sociale hiërarchie, eerdere ervaring met ...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs hebben niets te onthullen.
Dankbetuigingen
Dit werk werd ondersteund door het Institute for Basic Science (IBS), Center for Cognition and Sociality (IBS-R001-D2) en het Korea Brain Research Institute (KBRI) basisonderzoeksprogramma via KBRI, gefinancierd door het Ministerie van Wetenschap, ICT en Toekomstplanning (23-BR-03-04).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Precision animal shocker | Coulbourn Instruments | H13-15 | |
| Grid floor | Coulbourn Instruments | H13-15 | |
| Ribbon cable for grids | Coulbourn Instruments | H93-01-25 | |
| FreezeFrame | ACTIMETRICS | ACT-100A | |
| FreezeView software | ACTIMETRICS | ||
| Stimulator | ACTIMETRICS | ACT-712 | |
| Observational fear chamber | Coulbourn Instruments | hoogte 32,7 cm × breedte 19,1 cm × lengte 37,8 cm | |
| Video recording system | ACTIMETRICS | ||
| Sound attenuating cubicle | |||
| 70% ethanol | Op grote schaal verkrijgbaar. | ||
| Sanitizer | Op grote schaal verkrijgbaar. | ||
| papieren handdoek | Op grote schaal verkrijgbaar. | ||
| Plexiglas scheidingswand | Custom | N/A | breedte 18 cm × lengte 32,2 cm |
| GraphPad Prism 8 | GraphPad Software Inc. |
Referenties
- De Waal, F. B. M., Preston, S. D. Mammalian empathy: Behavioural manifestations and neural basis. Nat Rev Neurosci. 18 (8), 498-509 (2017).
- Panksepp, J., Panksepp, J. B. Toward a cross-species understanding of empathy. Trends Neurosci. 36 (8), 489-496 (2013).
- Decety, J. Dissecting the neural mechanisms mediating empathy. Emotion Rev. 3 (1), 92-108 (2011).
- Jeon, D., et al. Observational fear learning involves affective pain system and Cav1.2 Ca2+ channels in ACC. Nat Neurosci. 13 (4), 482-488 (2010).
- Langford, D. J., et al. Social modulation of pain as evidence for empathy in mice. Science. 312 (5782), 1967-1970 (2006).
- Burkett, J. P., et al. Oxytocin-dependent consolation behavior in rodents. Science. 351 (6271), 375-378 (2016).
- Zhang, M., Wu, Y. E., Jiang, M., Hong, W. Cortical regulation of helping behaviour towards others in pain. Nature. 626 (7997), 136-144 (2024).
- Wu, Y. E., et al. Neural control of affiliative touch in prosocial interaction. Nature. 599 (7884), 262-267 (2021).
- Bartal, I. B. A., Decety, J., Mason, P. Empathy and prosocial behavior in rats. Science. 334 (6061), 1427-1430 (2011).
- Haaker, J., Golkar, A., Selbing, I., Olsson, A. Assessment of social transmission of threats in humans using observational fear conditioning. Nat Protoc. 12 (7), 1378-1386 (2017).
- Olsson, A., Nearing, K. I., Phelps, E. A. Learning fears by observing others: The neural systems of social fear transmission. Soc Cogn and Affect Neurosci. 2 (1), 3-11 (2007).
- Kleberg, J. L., Selbing, I., Lundqvist, D., Hofvander, B., Olsson, A. Spontaneous eye movements and trait empathy predict vicarious learning of fear. Int J Psychophysiol. 98 (3), 577-583 (2015).
- Jeon, D., Shin, H. S. A mouse model for observational fear learning and the empathetic response. Curr Protoc in Neurosci. 57 (1), 8.27.1-8.27.9 (2011).
- Keum, S., et al. Variability in empathic fear response among 11 inbred strains of mice. Genes Brain Behav. 15 (2), 231-242 (2016).
- Keum, S., et al. A missense variant at the Nrxn3 locus enhances empathy fear in the mouse. Neuron. 98 (3), 588-601.e5 (2018).
- Keum, S., Shin, H. S. Neural basis of observational fear learning: A potential model of affective empathy. Neuron. 104 (1), 78-86 (2019).
- Gonzalez-Liencres, C., Juckel, G., Tas, C., Friebe, A., Brüne, M. Emotional contagion in mice: The role of familiarity. Behav Brain Res. 263, 16-21 (2014).
- Yusufishaq, S., Rosenkranz, J. A. Post-weaning social isolation impairs observational fear conditioning. Behav Brain Res. 242 (1), 142-149 (2013).
- Keum, S., Shin, H. S. Rodent models for studying empathy. Neurobiol Learn and Mem. 135, 22-26 (2016).
- Sakaguchi, T., Iwasaki, S., Okada, M., Okamoto, K., Ikegaya, Y. Ethanol facilitates socially evoked memory recall in mice by recruiting pain-sensitive anterior cingulate cortical neurons. Nature Commun. 9 (1), 1-10 (2018).
- Park, J., Ha, S., Shin, H. S., Jeong, J. Experience of a hierarchical relationship between a pair of mice specifically influences their affective empathy toward each other. Genes Brain Behav. 21 (5), e12810(2022).
- Panksepp, J. B., Lahvis, G. P. Differential influence of social versus isolate housing on vicarious fear learning in adolescent mice. Behav Neurosci. 130 (2), 206-211 (2016).
- Chen, Q. L., Panksepp, J. B., Lahvis, G. P. Empathy is moderated by genetic background in mice. PLOS One. 4 (2), e4387(2009).
- Keysers, C., Knapska, E., Moita, M. A., Gazzola, V. Emotional contagion and prosocial behavior in rodents. Trends Cogn Sci. 26 (8), 688-706 (2022).
- Carrillo, M., et al. Emotional mirror neurons in the rat's anterior cingulate cortex. Curr Biol. 29 (8), 1301-1312.e6 (2019).
- Silverstein, S. E., et al. A distinct cortical code for socially learned threat. Nature. 626 (8001), 1066-1072 (2024).
- Allsop, S. A., et al. Corticoamygdala transfer of socially derived information gates observational learning. Cell. 173 (6), 1329-1342.e18 (2018).
- Terranova, J. I., et al. Hippocampal-amygdala memory circuits govern experience-dependent observational fear. Neuron. 110 (8), 1416-1431.e13 (2022).
- Choi, J., et al. ARNT2 controls prefrontal somatostatin interneurons mediating affective empathy. Cell Rep. 43 (9), 114659(2024).
- Pisansky, M. T., Hanson, L. R., Gottesman, I. I., Gewirtz, J. C. Oxytocin enhances observational fear in mice. Nature Commun. 8 (1), 2102(2017).
- Panksepp, J. B., Lahvis, G. P. Sociability versus empathy in adolescent mice: Different or distinctive. Learn Motiv. 83, 101892(2023).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
