Demonstracja wideo zachowania zdolności do nawigacji za pomocą śledzenia zapachu przy jednoczesnym upośledzeniu nawigacji zliczeniowej po uszkodzeniu prążka i sklepienia u szczura

Podsumowanie

W pilotażowym zadaniu śledzenia zapachu, w którym badano zdolność szczurów do powrotu do schronienia z pożywieniem przy użyciu śladu wizualnego i zapachowego lub za pomocą nawigacji zliczeniowej (dead reckoning) w świetle podczerwonym — polegającej na zintegrowanym zapisie poprzednich ruchów — wykazano, że hipokamp jest niezbędny do nawigacji zliczeniowej.

Streszczenie

Strategie nawigacji oparte na pilotowaniu oraz zliczaniu drogi wykorzystują bardzo odmienne konstelacje wskazówek i procesy obliczeniowe (Darwin, 1873; Barlow, 1964; O’Keefe and Nadel, 1978; Mittelstaedt and Mittelstaedt, 1980; Landeau et al., 1984; Etienne, 1987; Gallistel, 1990; Maurer and Séguinot, 1995). Pilotowanie wymaga wykorzystania relacji między relatywnie stabilnymi zewnętrznymi wskazówkami (wzrokowymi, węchowymi, słuchowymi), podczas gdy zliczanie drogi wymaga integracji wskazówek generowanych przez ruch własny. Zwierzęta uzyskują informacje o ruchu własnym z receptorów przedsionkowych, a prawdopodobnie także z receptorów mięśniowych i stawowych oraz z kopii eferentnej poleceń generujących ruch. Zwierzę może również wykorzystywać przepływy bodźców wzrokowych, słuchowych i węchowych wywołanych jego ruchami. Stosując strategię pilotowania, zwierzę może wykorzystać obliczenia geometryczne do określenia kierunków i odległości do miejsc w swoim środowisku, natomiast stosując strategię zliczania drogi, może integrować wskazówki generowane przez poprzednie ruchy, aby powrócić do miejsca, które przed chwilą opuściło. Zliczanie drogi potocznie określa się mianem „poczucia kierunku” oraz „poczucia odległości”.

Choć istnieją istotne dowody na to, że hipokamp bierze udział w pilotażu (O’Keefe i Nadel, 1978; O’Keefe i Speakman, 1987), dostępne są również dowody z badań behawioralnych (Whishaw i in., 1997; Whishaw i Maaswinkel, 1998; Maaswinkel i Whishaw, 1999), modelowania (Samsonovich i McNaughton, 1997) oraz elektrofizjologicznych (O’Mare i in., 1994; Sharp i in., 1995; Taube i Burton, 1995; Blair i Sharp, 1996; McNaughton i in., 1996; Wiener, 1996; Golob i Taube, 1997), wskazujące na udział formacji hipokampalnej w nawigacji zliczeniowej. Relatywny wkład hipokampa w te dwie formy nawigacji pozostaje jednak niepewny. Zazwyczaj trudno jest jednoznacznie stwierdzić, czy zwierzę stosuje strategię pilotażu, czy nawigacji zliczeniowej, ponieważ zwierzęta są bardzo elastyczne w wykorzystywaniu strategii i wskazówek (Etienne i in., 1996; Dudchenko i in., 1997; Martin i in., 1997; Maaswinkel i Whishaw, 1999). Celem niniejszych demonstracji wideo było rozwiązanie problemu specyfikacji wskazówek w celu zbadania relatywnego wkładu hipokampa w stosowanie tych strategii. Szczury zostały przeszkolone w nowym zadaniu, w którym podążały za liniowymi lub wielobocznymi ścieżkami zapachowymi, aby dotrzeć do dużego pelletu pokarmowego ukrytego na otwartym polu. Ponieważ szczury mają tendencję do przenoszenia pokarmu z powrotem do schronienia, zmiennymi zależnymi były dokładność oraz wskazówki wykorzystane do powrotu do bazy domowej (Whishaw i Tomie, 1997). Aby zmusić zwierzę do zastosowania strategii nawigacji zliczeniowej w celu dotarcia do schronienia z pokarmem, szczury testowano z opaskami na oczach lub w świetle podczerwonym – długości fali widma, której nie widzą – a w niektórych eksperymentach ścieżkę zapachową dodatkowo usuwano po tym, jak zwierzę dotarło do pokarmu. Aby zbadać relatywny wkład hipokampa, zastosowano uszkodzenia prążka i sklepienia (FF), które zaburzają przepływ informacji w formacji hipokampalnej (Bland, 1986), upośledzają pamięć (Gaffan i Gaffan, 1991) i powodują deficyty przestrzenne (Whishaw i Jarrard, 1995).

Protokół

Zwierzęta

Dwanaście dorosłych samic szczurów szczepu Long–Evans (wiwarium University of Lethbridge) o masie 250-300 gm przetrzymywano grupowo w klatkach z drucianej siatki w laboratorium, w którym utrzymywano temperaturę pokojową 20–21°C oraz 12-godzinny cykl światła i ciemności (od 8:00 do 20:00). Sześć szczurów poddano operacjom pozorowanym, a sześć otrzymało uszkodzenia prążka i sklepienia (fimbria–fornix) przed rozpoczęciem badań.

Chirurgia

W celu przeprowadzenia sterylnego zabiegu chirurgicznego szczury poddano znieczuleniu za pomocą pentobarbitalu sodowego (40 mg/kg, i.p.) oraz azotanu metylu atropiny (5 mg/kg, i.p.). Aby wykonać uszkodzenia w obszarze fimbria–fornix, przepuszczono prąd katodowy o natężeniu 1,5 mA przez 40 s za pomocą stalowych szpilek entomologicznych, izolowanych epoksylitem z wyjątkiem powierzchni ich końcówek. Uszkodzenia wykonano w dwóch miejscach w każdej półkuli, korzystając z współrzędnych względem bregmy i powierzchni twardówki: 1,3 mm tylnie, 1,5 mm bocznie i 3,6 mm brzusznie oraz 1,5 mm tylnie, 0,5 mm bocznie i 3,3 mm brzusznie (Whishaw and Jarrard, 1996). Szczury z grupy kontrolnej otrzymały wyłącznie znieczulenie, a przez 48 h po operacji podawano im leki przeciwbólowe.

Wszystkie zabiegi z udziałem zwierząt były wykonywane zgodnie z protokołami zatwierdzonymi przez Komitet ds. Opieki i Wykorzystania Zwierząt Uniwersytetu w Lethbridge.

Karmienie

Karmienie ograniczono, aby utrzymać szczury na poziomie 90% ich przewidywanej masy ciała. W ramach nagrody podczas testów behawioralnych stosowano duże (750 mg) granulaty dla gryzoni (Bio-Serv, Frenchtown, NJ). Szczury niezawodnie przenoszą te granulaty do schronienia w celu ich zjedzenia (Whishaw et al., 1995a,b). Po codziennych testach szczurom podawano uzupełniające posiłki w postaci granulatu LabDiet Laboratory Rodent Pellets w ich klatkach domowych.

Aparatura

Pole otwarte składało się z okrągłego drewnianego stołu o średnicy 204 cm, podobnego do aparatury Barnesa do testów przestrzennych (Barnes, 1979), który został pomalowany na biało i podniesiony na wysokość 64 cm nad podłogą (Whishaw and Maaswinkel, 1998). W stole wycięto osiem otworów o średnicy 11,5 cm, rozmieszczonych w równych odstępach wokół jego obwodu, w odległości 13,5 cm od krawędzi stołu (Ryc. 1A). Pod otworem można było umieścić klatkę, podobną do domowej klatki dla szczura, która służyła jako schronienie. Aparatura znajdowała się w pomieszczeniu testowym, w którym obecnych było wiele wskazówek, takich jak okna zasłonięte żaluzjami, blaty, lodówka, szafki, biurko z komputerami itp. Nad środkiem stołu umieszczono kamerę, aby móc rejestrować zachowanie zwierząt za pomocą wideo (Whishaw and Tomie, 1997).

Struny i zapach

Szczury zostały przeszkolone w podążaniu za pachnącym sznurkiem do granulki pokarmu. Sznurek miał średnicę 2 mm, lecz poszczególne odcinki miały zmienną długość i były układane na stole w różnych wzorach (Rys. 1A,B). Sznurki nasączano ekstraktem z migdałów. Zapach utrzymywał się na sznurku przez 20 min po jego przetarciu nasączonym kawałkiem gazy bawełnianej. Eksperymenty wstępne wykazały, że szczury przeszkolone w podążaniu za pachnącym sznurkiem (Rys. 1C) nie podążały za śladem zapachowym pozostawionym przez właśnie usunięty odcinek sznurka.

Maski i opaski na oczy

Maski i opaski zasłaniające oczy, stosowane w celu kontrolowania wykorzystania wskazówek wizualnych przez szczury, wykonano z filcu i przymocowano za pomocą kołnierza z rzepem zapiętego wokół szyi szczura ( Ryc. 2 ). Zostały one przymocowane na pysku szczura za pomocą elastycznego paska podżyrazowego, który był połączony z kołnierzem na szyi. Elastyczny pasek był na tyle giętki, aby szczur mógł chwytać pyszczkiem pellety pokarmowe, żuć je i połykać. Maska umożliwiała szczurom widzenie, podczas gdy opaska zasłaniała wzrok. Skuteczność opasek sprawdzono na szczurach przeszkolonych w pływaniu do widocznej platformy znajdującej się w basenie. Dobrze wytrenowane szczury w maskach płynęły bezpośrednio do platformy z dowolnego punktu startowego na obwodzie basenu, natomiast szczury w opaskach pływały wzdłuż krawędzi basenu lub w sposób chaotyczny. Szczury przystosowano do masek i opasek, nakładając im te akcesoria na co najmniej 30 min/dobę przez 5 dni przed testami. Przed właściwymi badaniami maskę lub opaskę zakładano zwierzętom na 30 min przed testem.

Badania w podczerwieni Oprócz testowania szczurów w warunkach ograniczenia widoczności za pomocą opasek na oczy, niektóre eksperymenty przeprowadzono w świetle podczerwonym. Pomieszczenie testowe było zaciemnione, a oświetlenie wewnątrz wyłączone. W świetle podczerwonym ruchy zwierząt rejestrowano za pomocą kamery podczerwonej Sony. Eksperymentator używał urządzenia do obserwacji w podczerwieni, aby orientować się w pomieszczeniu testowym.

Szkolenie

Cały trening przeprowadzono z wykorzystaniem prostych ścieżek zapachowych. Kawałek sznurka o zmiennej długości, nasączony ekstraktem z migdałów, rozciągano od krawędzi otworu schronienia i prowadzono do pelletu z pokarmem (Rys. 1). Początkowo sznurek był dość krótki (10 cm) i prowadził w różnych kierunkach, jednak w miarę jak zwierzęta nabywały biegłości w podążaniu za sznurkiem, zwiększano jego długość do 150 cm. Trening trwał 14 dni, po których szczury potrafiły sprawnie podążać za sznurkiem w celu odzyskania pokarmu zarówno w warunkach maskowania, jak i z zawiązanymi oczami.

Analiza

Zachowanie szczurów podczas wszystkich testów było rejestrowane wideo. Na podstawie przeprowadzonych prób oraz nagrań wideo wykonano następujące pomiary behawioralne.

Prawidłowa próba. Za prawidłową uznano taką próbę, podczas której szczur znalazł pellet z pokarmem i wrócił bezpośrednio do otworu startowego, nie zatrzymując się przy żadnym innym potencjalnym otworze wyjściowym.

Odzyskiwanie. Za akt odzyskiwania uznano wyjście z klatki domowej i powrót z granulatem pokarmowym.

Błąd. Za próbę błędną uznawano taką, podczas której szczur odnalazł granulę pokarmu, lecz zatrzymał się przy jednym z innych potencjalnych wyjść przed powrotem do wyjścia, z którego rozpoczęła się jego eksploracja. Uznawano, że szczur zatrzymał się przy wyjściu, jeśli jego pysk znajdował się w odległości mniejszej niż 2 cm od otworu (błędy były zazwyczaj jednoznaczne, ponieważ szczury zatrzymywały się i wkładały głowy do otworów). W niektórych eksperymentach, jeśli szczur wracał do domu, podążając wzdłuż sznurka, zamiast wybrać bardziej bezpośrednią drogę, klasyfikowano to jako błąd.

Dystans podróży. Odległość w drodze do celu oraz powrotnej została przeanalizowana za pomocą urządzenia do śledzenia ruchu w celu obliczenia przebytej trasy.

Czas reakcji. Za pomocą stopera obserwator rejestrował oddzielnie czas potrzebny na znalezienie granulatu pokarmowego oraz czas powrotu do klatki domowej z pokarmem.

Kąty kierunkowe. Pomiarów kątów kierunkowych dokonywano po tym, jak szczur pobrał granulat paszy i rozpoczął powrót do schronienia. Gdy szczur przemieścił się z pokarmem na odległość równą długości swojego ciała, mierzono kąt, pod jakim był zwrócony, wyznaczony wzdłuż osi podłużnej ciała zwierzęcia względem najkrótszej linii prowadzącej do schronienia.

Analiza statystyczna

Porównania grup przeprowadzono za pomocą analizy ANOVA oraz testów t (Winer, 1962).

Histologia

Po zakończeniu eksperymentów szczury poddano głębokiej anestezji, a następnie przeprowadzono perfuzję solą fizjologiczną oraz roztworem soli fizjologicznej z formaliną; po czym wyjęto mózgi i przechowywano je w 30% roztworze sacharozy i formaliny. Mózgi pocięto na sekcje o grubości 40 µm przy użyciu kriotoma, a co drugą sekcję barwiono fioletem krezylowym oraz poddano barwieniu na acetylcholinesterazę.

Procedura

Testy rozpoczęto, gdy szczury niezawodnie podążały za sznurkiem, aby odnaleźć pokarm. Przeprowadzono następujące cztery testy. Dokładność powrotu na liniowym ścieżce zapachowej. Sznurek z zapachem o długości 125 cm oraz sznurek bez zapachu o tej samej długości rozciągnięto w linii prostej na stole. Położenie sznurków zmieniało się z próby na próbę, a próby przeprowadzano w kolejności pseudolosowej, wykonując jedną próbę każdego dnia. Każdy szczur przeszedł trzy próby w masce oraz trzy próby z opaską na oczach. Dokładność powrotu na liniowej ścieżce po usunięciu zapachu. Szczury testowano przy użyciu sznurków o długości 20, 30, 50, 100 i 150 cm. Sznurki układano na stole tak, aby jeden koniec znajdował się w odległości celu, a drugi prowadził do schronienia szczura, a następnie do eksperymentatora. Gdy szczur dotarł do granulki pokarmu, sznurek delikatnie usuwano ze stołu. Wszystkie szczury przeszły po trzy próby w maskach i po trzy próby z opaskami na oczach dla każdej z odległości. Kolejność prezentacji odległości zmieniała się z próby na próbę, podobnie jak kierunek sznurka. Dokładność powrotu z wielokątnej ścieżki zapachowej. Szczury przeszły cztery testy, w których ścieżka zapachowa była ułożona na stole w kształcie wielokąta (zakrzywionego lub kątowego). Długość, kierunek i wzór ułożenia sznurka były różne dla każdego testu, jednak w każdym przypadku odległość powrotna z miejsca z pokarmem do schronienia była znacznie krótsza niż długość sznurka. W trzech testach szczury wykonali próbę raz w maskach, a raz z opaskami na oczach. W czwartym teście szczury nie miały na głowach żadnego wyposażenia; jedną próbę przeprowadzono w normalnym oświetleniu, a drugą w świetle podczerwonym. Dystans pokonany na ośmiokątnej ścieżce zapachowej. Sznurek prowadził z klatki schronienia, a następnie tworzył ośmiokąt (średnica 75 cm) w centrum stołu. Nie podano granulki pokarmu. Każdy szczur przeszedł jedną próbę w świetle pokojowym pierwszego dnia oraz drugą próbę w świetle podczerwonym drugiego dnia. Gdy szczur dotarł do ośmiokąta, usuwano sznurek łączący schronienie z ośmiokątem. Próbę uznawano za zakończoną, jeśli szczur opuścił ośmiokąt i wszedł do schronienia. Jeśli szczur wykonał cztery pełne obroty wokół ośmiokąta, próbę przerywano poprzez usunięcie zwierzęcia. Test z nowej lokalizacji, z wizją i bez wizji. Każdy szczur wykonał dwie próby podążania za pachnącym sznurkiem z nowej lokalizacji. Podczas jednej próby szczury miały założone maski, a podczas drugiej opaski na oczach.

Ogólne obserwacje behawioralne

Po umieszczeniu szczura w klatce schronieniowej pod otworem, szczur zazwyczaj kilkakrotnie wystawiał głowę przez otwór, zanim go opuścił. Wyjście odbywało się poprzez podciągnięcie się przednimi łapami i odepchnięcie tylnymi. Po znalezieniu się na stole szczur zatrzymywał się i przeszukiwał powierzchnię stołu w poszukiwaniu pachnącego sznurka. Podczas podróży na zewnątrz podążał wzdłuż sznurka, który węszył, wykonując lateralne ruchy głową. Jeśli szczur zboczył ze sznurka, szybko krążył, aby go ponownie zlokalizować. Po znalezieniu kawałka pokarmu chwytał go w pysk i kierował się do schronienia. Po dotarciu do schronienia wkładał głowę do otworu i ustawiał łapy w taki sposób, aby móc spaść do klatki znajdującej się pod otworem. Ogólnie prędkość powrotu do schronienia była większa niż prędkość podróży na zewnątrz. W przypadku szczurów z założoną maską prędkość poruszania się była nieco mniejsza niż w warunkach widoczności, zarówno podczas śledzenia sznurka, jak i powrotu do schronienia. Prędkość poruszania się w świetle podczerwonym była zazwyczaj większa niż w warunkach z maską. We wszystkich eksperymentach główne różnice między grupami wynikały z bardzo słabych wyników szczurów po uszkodzeniu fimbria–fornix w sytuacjach, gdy nie mogły one korzystać ze wzroku lub węchu. Chociaż szczury z uszkodzeniem fimbria–fornix były w stanie szybko wrócić do schronienia w świetle oraz podążać za sznurkiem do schronienia przy braku widoczności, gubiły się i często zjadały pokarm bezpośrednio na stole w przypadku braku tych wskazówek.

Dokładność powrotu na liniowym torze zapachowym

Aby ocenić dokładność śledzenia, na stole umieszczono prosty sznurek zapachowy oraz prosty sznurek bezzapachowy. We wszystkich próbach, zarówno w warunkach maskowania, jak i zasłonięcia oczu, szczury kontrolne oraz szczury z uszkodzeniem fimbria–fornix podążały za sznurkiem zapachowym do pokarmu, ignorując sznurek bezzapachowy. Wróciły one również bezpośrednio do schronienia, poruszając się wzdłuż ścieżki wyznaczonej przez sznurek zapachowy. Rysunek 3 przedstawia ścieżki powrotne szczurów kontrolnych i szczurów fimbria–fornix w jednym zadaniu śledzenia. Mimo braku różnic między grupami, odnotowano istotne różnice w czasie reakcji. Szczury poruszały się szybciej w warunkach maskowania niż w warunkach zasłonięcia oczu (F(1,10) = 10.4; p <0.01) oraz szybciej wracały z pokarmem do klatki domowej, niż udawały się do pokarmu (F(1,10) = 2.7; p < 0.05).

Dokładność powrotu na liniowej ścieżce po usunięciu zapachu

Szczurom przedstawiono sznurki o różnej długości (Rys. 4A), a sznurki usuwano w momencie, gdy szczury chwytały pokarm, co wymagało od nich powrotu do domu bez ścieżki zapachowej, albo z pomocą wzroku, albo z zasłoniętymi oczami. Główne wyniki wykazały, że szczury kontrolne były równie dokładne w warunkach widzenia i z zasłoniętymi oczami. W warunkach widzenia szczury z uszkodzoną fimbrią i fornixem radziły sobie prawie tak dobrze jak szczury kontrolne; z zasłoniętymi oczami popełniały więcej błędów, miały dłuższy czas powrotu i bardziej odbiegające od normy kierunki orientacji niż w warunkach widzenia oraz niż szczury kontrolne. Błędy – miara błędów, czyli wizyty w niewłaściwych otworach podczas podróży powrotnej – wykazały istotne efekty grupy (F(1,10) = 26,1; p = 0,005), warunków wizualnych (F(1,10) = 23,8; p = 0,006) oraz interakcji warunków wizualnych i grupy (F(1,10) = 23,8; p = 0,006). Wszystkie te efekty przypisywano błędom popełnionym przez szczury z uszkodzoną fimbrią i fornixem (Rys. 4B). Odnotowano również istotne efekty dystansu przebytego w stronę celu w porównaniu do drogi powrotnej (F(4,40) = 3,81; p = 0,01) oraz interakcji dystansu i grupy (F(4,40) = 3,8; p = 0,01). Efekt interakcji wynikał głównie z znacznie gorszych wyników grupy z uszkodzoną fimbrią i fornixem w warunkach z zasłoniętymi oczami niż w warunkach widzenia. Szczury z uszkodzoną fimbrią i fornixem popełniały błędy przy świetle, jednak błędy te występowały głównie wtedy, gdy sznurki znajdowały się obok innych otworów, a nie gdy zajmowały środek planszy. Szczury z uszkodzoną fimbrią i fornixem widzące miały silną tendencję do zatrzymywania się przy niewłaściwych otworach, jeśli znajdowały się one w sąsiedztwie ich drogi powrotnej do domu.

Czas

Pomiar czasu powrotu do schronienia z pokarmem wykazał istotny wpływ grupy (F(1,10) = 15,171; p = 0,003), warunków wizualnych (F(1,10) = 15,5; p = 0,028) oraz oddziaływanie warunków wizualnych i grupy (F(1,10) = 15,1; p = 0,003). Wszystkie istotne efekty czasowe przypisywano powolnym powrotom szczurów z uszkodzeniem fimbria–fornix w warunkach z zawiązanymi oczami (Ryc. 4C). W wielu próbach zwierzęta te traciły orientację, zjadały pokarm i docierały do schronienia dopiero po chaotycznym krążeniu wokół stołu do żerowania. Choć szczury z uszkodzeniem fimbria–fornix wracały szybciej przy najkrótszym dystansie, efekt odległości nie osiągnął poziomu istotności statystycznej (F(4,40) = 2,49; p = 0,058).

Kąt nachylenia

Kąty kierunku, definiowane jako kierunek, w którym szczur zwrócił się po przebyciu odległości odpowiadającej jednej długości ciała z pokarmem względem linii prostej prowadzącej do pokarmu, przedstawiono w podziale na grupy, warunki i odległości na Ryc. 5. Odnotowano istotne efekty grupy (F(1,10) = 14.9; p = 0.003), warunków wizualnych (F(1,10) = 13.8; p = 0.004) oraz interakcji warunków wizualnych i grupy (F(1,10) = 13.1; p = 0.05). Efekty te wynikały z bardziej odchylonych kątów u szczurów z uszkodzeniami FF. Odnotowano również istotne efekty odległości przebytej w celu dotarcia do pokarmu (F(4,40) = 4.44; p = 0.04) oraz interakcji odległości i grupy (F(4,40) = 2.94; p = 0.03). Efekty te przypisano większym odchyleniom kątów kierunku u szczurów z uszkodzeniami fimbria–fornix z zasłoniętymi oczami na dłuższych dystansach. Analiza behawioralna. Podczas badania sposobu, w jaki szczury odzyskiwały pokarm i zwracały się w stronę domu, zaobserwowano różnice w ruchach obrotowych wykonywanych przez szczury kontrolne oraz szczury z uszkodzeniami fimbria–fornix (Ryc. 6). Szczury kontrolne zazwyczaj wyciągały się do przodu, aby pobrać pokarm, a następnie cofały się wzdłuż głównej osi ciała, tak aby zwrócić się w kierunku, z którego przybyły. Wyciąganie się do przodu było znacznie mniej wyraźne u szczurów z uszkodzeniami fimbria–fornix, które nie cofały się i nie obracały, lecz po prostu pivotowały podczas chodzenia. W warunkach z zasłoniętymi oczami pierwszą reakcją szczurów z uszkodzeniami fimbria–fornix po pobraniu pokarmu było często rozpoczęcie jedzenia przed próbą powrotu do domu. Zliczenia dotyczące tego, czy szczury cofały się wzdłuż ścieżki wyjścia, czy poruszały się w innym kierunku, wykazały istotny efekt grupy (F(1,10) = 39.2; p < 0.001).

Dokładność powrotu na podstawie wielokątnych ścieżek zapachowych

Szczury testowano na trzech wielokątach w warunkach z zasłoniętym polem widzenia oraz z zawiązanymi oczami (Ryc. 7A). Czas reakcji oraz odległości w obie strony uśredniono dla trzech zadań. Główne wnioski wskazały, że szczury kontrolne wybierały najbardziej bezpośrednią drogę powrotną zarówno w warunkach z zasłoniętym polem widzenia, jak i z zawiązanymi oczami, podczas gdy szczury z uszkodzeniem fimbria–fornix wybierały drogę bezpośrednią tylko wtedy, gdy widziały otoczenie. Analiza zachowania zwierząt wykazała, że zarówno szczury kontrolne, jak i z uszkodzeniem fimbria–fornix, podążały wzdłuż sznurka podczas drogi wyjściowej w obu warunkach (z zasłoniętym polem widzenia i z zawiązanymi oczami). Szczury kontrolne zawsze wracały bezpośrednio do otworu startowego najkrótszą drogą, zarówno w warunkach wizualnych, jak i z zawiązanymi oczami. Grupa fimbria–fornix wracała bezpośrednio do domu, gdy widziała otoczenie, ale z zawiązanymi oczami podążała powrotem wzdłuż śladu zapachowego. W związku z tym odległość wyjściowa dla obu grup szczurów w obu warunkach była bardzo zbliżona do długości sznurka. Odległość powrotna dla szczurów kontrolnych oraz widzących szczurów fimbria–fornix była bardzo bliska najkrótszej odległości powrotnej do otworu startowego. Dystans pokonany przez szczury fimbria–fornix z zawiązanymi oczami był znacznie większy niż odległość wzdłuż sznurka. Działo się tak dlatego, że wiele szczurów zbaczało z kursu i musiało odnaleźć drogę powrotną do sznurka lub krążyły, jakby szukały schronienia, zanim do niego dotarły.

Maski lub opaski na oczy

Czasy przebycia trasy Chociaż nie stwierdzono efektu grupy dla czasu (F(1,20) = 3.39; p = 0.09), efekty warunków wizualnych (F(1,10) = 40; p = 0.001) oraz kierunku przemieszczania się (F(1,20) = 5.0; p = 0.49) były istotne. Szczury z przerwaniem fimbria–fornix poruszały się szybciej podczas podróży w stronę celu niż szczury kontrolne, szczególnie w warunkach z maską, a w obrębie grup nie odnotowano efektów związanych z zaopatrzeniem w opaskę na oczach. Co być może ważniejsze, istotne były interakcje między grupą a warunkami wizualnymi (F(1,10) = 20.5; p = 0.001) oraz między grupą a kierunkiem przemieszczania się (F(1,10) = 10.8; p = 0.008). Interakcje te wynikały z wolniejszego powrotu zarówno u szczurów kontrolnych, jak i u szczurów z przerwaniem fimbria–fornix w warunkach z opaską na oczach, a także ze szczególnie długich czasów powrotu u szczurów z przerwaniem fimbria–fornix w warunkach z opaską na oczach (Rys. 7B).

Dystans przebytej drogi

Analiza przebytej odległości wykazała istotne efekty dla wszystkich głównych czynników: grup (F(1,20) = 13,8; p = 0,004), warunków wizualnych (F(1,10) = 24; p = 0,001) oraz kierunku (F(1,20) = 16,3; p < 0,002). Odległości przebyte w kierunku wyjścia w obu grupach i w obu warunkach wizualnych były podobne i zbliżone do odległości w linii prostej, jednak odnotowano różnice między grupami w odległości powrotnej, na co wskazywały istotne interakcje między grupą a warunkami wizualnymi (F(1,10) = 14,92; p = 0,003), grupą a kierunkiem (F(1,10) = 7,52; p = 0,001) oraz wzrokiem a kierunkiem (F(1,10) = 5,9; p = 0,03). Założenie opaski na oczy nie wpłynęło na powroty grupy kontrolnej, której droga powrotna była zbliżona do odległości najkrótszej trasy do domu, natomiast grupa z uszkodzeniem prążka i sklepienia wybierała długie trasy po założeniu opaski (Ryc. 7C).

Światło pokojowe lub podczerwone

Szczurom przedstawiono jeden problem wielokąta przy świetle pokojowym, a drugi pod światłem podczerwonym; ich drogi powrotne zilustrowano na Rysunku 8. Wszystkie sześć szczurów kontrolnych wróciło bezpośrednio do domu zarówno w warunkach oświetlenia, jak i ciemności, podczas gdy pięć szczurów z uszkodzeniem prążka i sklepienia wróciło bezpośrednio do domu w warunkach oświetlenia. Wszystkie szczury z uszkodzeniem prążka i sklepienia wróciły do domu wzdłuż ścieżki w ciemności (Rys. 8A). Podobnie jak w warunkach z zasłoniętymi oczami, opóźnienia powrotu dla szczurów z uszkodzeniem prążka i sklepienia w ciemności były znacznie wyższe niż opóźnienia dla szczurów z uszkodzeniem prążka i sklepienia przy świetle lub dla grupy kontrolnej zarówno przy świetle, jak i w ciemności ( p < 0,01) (Rys. 8B).

Dystans przebyty na torze ośmiokątnym

Szczury otrzymały dostęp do ośmiokątnej ścieżki za pomocą mostka z nici. Gdy znalazły się na ośmiokątnej ścieżce, mostek łączący ją z ich klatką domową został usunięty (Ryc. 9A). Szczury z grupy kontrolnej wykonały pojedyncze okrążenie ścieżki i po powrocie do miejsca startowego, nie odnajdując pokarmu, udały się do otworu schronienia i weszły do klatki schronieniowej. Szczury po uszkodzeniu prążka i sklepienia (fimbria–fornix) wykonały wiele okrążeń ośmiokąta (Ryc. 9B), a większość z nich usunięto po czwartym okrążeniu. W związku z tym szczury kontrolne wykonały mniej okrążeń ośmiokąta (średnia dla kontroli = 1 vs średnia dla FF = 3,83) i poświęciły znacznie mniej czasu na śledzenie nici (F(1,10) = 15,3; p = 0,003) niż szczury z grupy fimbria–fornix (Ryc. 9C).

Test z nowej lokalizacji, z widzeniem i bez widzenia

Trasy powrotne i wybory dokonane przez szczury z grupy kontrolnej oraz szczury z uszkodzeniem ciała i sklepienia (fimbria-fornix) w testach, w których klatka schronienia została przeniesiona w nowe miejsce, przedstawiono na Ryc. 10. Przy zasłoniętym polu widzenia wszystkie szczury, z wyjątkiem dwóch osobników z grupy kontrolnej, wróciły do znanej lokalizacji domowej (Ryc. 10A). Dwa szczury z grupy kontrolnej wróciły bezpośrednio do nowej lokalizacji domowej. W przypadku zaopatrzenia w opaski na oczy wszystkie szczury z grupy kontrolnej wróciły do nowej lokalizacji drogami dość bezpośrednimi. Szczury z uszkodzeniem ciała i sklepienia wykazały się niską dokładnością, trafiając do błędnych lokalizacji lub wracając do nowej lokalizacji poprzez podążanie wzdłuż sznurka (Ryc. 10B).

Ryciny:

Rycina 1. A, Stół żerowania pokazujący lokalizację otworu schronienia (F) oraz sznurek w jednej z konfiguracji z granulatem pokarmowym znajdującym się na jego końcu. B, Przykład sznurka, wzdłuż którego poruszały się szczury, oraz granulatów pokarmowych, które przeniosły z powrotem do schronienia. C, Przykład szczura poruszającego się wzdłuż sznurka w stronę granulatu pokarmowego.

Rysunek 2. Maski (A) i opaski na oczy (B). Oba rodzaje nakryć głowy są mocowane do głowy szczura za pomocą kołnierzy rzepowych. Elastyczny pasek podbródkowy przytrzymuje nakrycie głowy do pyska szczura, umożliwiając mu jednocześnie otwieranie pyszczka i żucie.

Rysunek 3. Ilustracje trajektorii powrotnych (linie ciągłe) szczurów z grupy kontrolnej (góra) oraz szczurów po usunięciu prążków i sklepienia (FF) wzdłuż pachnącego sznurka w warunkach z zasłoniętymi oczami. Linia przerywana oznacza sznurek bezzapachowy.

Ryc. 4. A, Szczury pokonywały jeden z pięciu dystansów liniowych, aby odnaleźć granulkę pokarmową. Sznur zapachowy był usuwany w momencie dotarcia zwierząt do pokarmu. B, Błędy w funkcji dystansu podczas powrotu (średnia i SE), polegające na odwiedzeniu niewłaściwej dziury. C, Latencje powrotu do domu w funkcji dystansu (średnia i SE). FFB, fimbria-fornix z zasłoniętymi oczami; FFV, fimbria-fornix z widzeniem; CV, kontrola z widzeniem; CB, kontrola z zasłoniętymi oczami.

Rysunek 5. Kąty obrotu szczurów po odzyskaniu pokarmu w funkcji odległości przebytej w celu dotarcia do pokarmu. Należy zauważyć, że szczury z uszkodzeniem prążka i forgingu (fimbria–fornix) wykazywały brak dokładności przy wszystkich odległościach w warunkach z zasłoniętymi oczami.

Rysunek 6. Strategie obrotu szczurów kontrolnych oraz szczurów z przerwanymi połączeniami prążkowanie-kupełka podczas odzyskiwania granulki pokarmu po usunięciu ścieżki zapachowej. Szczur kontrolny wyciąga się do przodu, aby pobrać pokarm, a następnie cofa się i obraca, aby skierować się w stronę schronienia. Szczur z przerwaniem połączeń prążkowanie-kupełka podchodzi do pokarmu, lecz nie potrafi obrócić się z powrotem na ścieżkę powrotną.

Rysunek 7. A, Trzy ścieżki w kształcie wielokątów, którymi musiały poruszać się szczury. B, czas (średnia i błędy standardowe dla trzech problemów) dotarcia do pożywienia (Poza) i powrót (Powrót) w grupie kontrolnej oraz w obrębie frunculi i fornix (FF) szczury w warunkach z maską i opaską na oczach. C, Dystans pokonany w celu dotarcia do pokarmu przez szczury z grupy kontrolnej oraz szczury po uszkodzeniu fimbria–fornix w warunkach maskowania i z zasłoniętymi oczami. górna część z szare słupki (Poza) reprezentuje odległość do pożywienia wzdłuż sznurka. dolna część z szare słupki (Powrót) przedstawia najkrótszą odległość od pokarmu do schronienia w domu. Należy zauważyć, że wyniki grup są dość zbliżone i przybliżają się do wartości odległości linii prostej do celu oraz najkrótszej drogi powrotnej, z wyjątkiem wyników powrotu szczurów z uszkodzeniem prążka i sklepienia w warunkach przesłonięcia oczu.

Rycina 8. A, Trajektorie powrotne szczurów z grupy kontrolnej oraz szczurów z uszkodzoną prążkowaniem i sklepieniem (FF) przy świetle pokojowym i świetle podczerwonym w zadaniu z jednym sznurem wielokątów. Powroty szczurów z grupy fimbria–fornix były niedokładne w ciemności, ponieważ w dużej mierze podążały one wzdłuż sznura zapachowego z powrotem do schronienia. Opóźnienia powrotu przedstawiono jako średnie i błędy standardowe (SE). Zwróć uwagę na znacznie dłuższe opóźnienia u szczurów z grupy fimbria–fornix przy świetle podczerwonym.

Rysunek 9. A, Sznurek prowadzący z otworu schronienia do ośmiokątnego obwodu, na którym nie znajdował się pokarm. Gdy szczur znalazł się na ośmiokącie, usunięto sznurek łączący go z klatką domową. B, Ścieżki przemieszczania się szczurów kontrolnych oraz szczurów po usunięciu fimbrii i forniksa. Należy zauważyć, że szczury kontrolne pokonywały średnio jedno okrążenie ośmiokąta przed powrotem do klatki domowej, podczas gdy szczury po usunięciu fimbrii i forniksa wykonywały wiele obrotów wokół ośmiokąta. C, Czas (średnia i SE) spędzony na przemieszczaniu się po ośmiokącie dla szczurów kontrolnych i szczurów po usunięciu fimbrii i forniksa.

Rysunek 10. Ścieżki i miejsca docelowe szczurów kontrolnych oraz szczurów z uszkodzeniem fimbria–fornix, gdy klatka domowa została przeniesiona w nowe miejsce (zacienione schronienie). Należy zauważyć, że w warunkach z maską, w których szczury mogły widzieć, większość szczurów kontrolnych i wszystkie szczury z uszkodzeniem fimbria–fornix przeniosły pokarm do starego miejsca przebywania. W warunkach z opaską na oczach, w których szczury nie mogły widzieć, wszystkie szczury kontrolne przeniosły pokarm do nowej lokalizacji klatki domowej bezpośrednią drogą, natomiast szczury z uszkodzeniem fimbria–fornix trafiły do innych pobliskich otworów lub podążały wzdłuż sznurka z powrotem do nowej lokalizacji klatki domowej.

Dyskusja

W przeprowadzonych eksperymentach badano udział hipokampa w nawigacji opartej na orientacji przestrzennej (piloting) w przeciwieństwie do nawigacji zliczeniowej (dead reckoning), wykorzystując nowatorskie zadanie, w którym szczury miały za zadanie powrócić do bazy po wyprawie wzdłuż pachnącej sznurka prowadzącej z ich schronienia do granulki pokarmowej znajdującej się na końcu sznurka. Szczury z grupy kontrolnej sprawnie nawigowały, wykorzystując zarówno strategie przestrzenne, jak i zliczeniowe. Szczury z uszkodzeniami ...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Pentobarbital sodu	Odczynnik	Sigma-Aldrich	p3761-25g
Metionian atropiny	Odczynnik	Sigma-Aldrich	a0382-5g
Karma granulowana dla gryzoni	Pożywka dla zwierząt	BIO-SERV