Uczenie się przestrzenne i pamięć u gryzoni laboratoryjnych zostało najpierw ocenione na szczurach pozbawionych jedzenia, które poruszały się po labiryncie alejek, aby znaleźć wzmacniacz żywności1. Kilkadziesiąt lat później zaproponowano system pamięci odniesień przestrzennych2. W przeciwieństwie do pamięci roboczej, która odnosi się do pamięci w sesji testowej lub próbie, pamięć referencyjna odnosi się do pamięci w sesjach testowych lub próbach i jest ściślej związana z pamięcią długotrwałą.
Kilka typów labiryntów zostało opracowanych jako nieinwazyjne oceny tego zależnego od hipokampa przestrzennego uczenia się i pamięci u małych i dużych gryzoni (np. labirynt wodny, wielokrotny labirynt T, labirynt promienistego ramienia i labirynty na suchym lądzie)3-6. Tutaj skupiamy się na okrągłej platformie lub labiryncie Barnesa, po raz pierwszy opisanym w 1979 roku przez dr Carol Barnes7. Ten labirynt został wykorzystany do testowania uczenia się i pamięci nawigacji przestrzennej w szerokiej gamie modeli gryzoni, w tym szczurów (Rattus norvegicus), myszy (Mus musculus), myszy jeleniowatych (Peromyscus maniculatus bairdii), myszy kalifornijskich (Peromyscus californicus) i gryzoni hystrikomorfów (np. koszatniczek [Octodon degus])8-13. Inne gatunki oceniane za pomocą labiryntu Barnesa to karaluchy amerykańskie (Periplaneta americana)14, węże zbożowe (Elaphe guttata guttata)15, łuskowate (np. jaszczurki z plamami bocznymi [Uta stansburiana])16 i naczelne inne niż ludzie (np. lemury myszy [Microcebus murinus])17. W naszych laboratoriach wydajność labiryntu Barnesa została wykorzystana jako wskaźnik neurotoksyczności po rozwojowej ekspozycji na bisfenol A (BPA) lub etynyloestradiol (EE2)9-1113. Jest również powszechnie stosowany do fenotypowania zachowania różnych szczepów myszy18-21, oceny skutków starzenia7,22-28 i deficytów związanych z chorobą Alzheimera w modelach zwierzęcych3,29-33, a także skutków ćwiczeń i zmian dietetycznych, środowiskowych i metabolicznych34-42.
Główną zaletą korzystania z labiryntu Barnesa jest to, że wywołuje on mniejszy stres u badanych w stosunku do labiryntów wodnych, takich jak labirynt wodnyMorrisa 43, chociaż oba mogą powodować ostry wzrost stężenia kortykosteronu w osoczu u myszy44. Jako labirynt na suchym lądzie, labirynt Barnesa może być bardziej etologicznie istotny dla gryzoni lądowych45. Chociaż wykazano, że działanie labiryntu wodnego jest bardziej wrażliwe na zmiany genetyczne u myszy3,46,47, działanie labiryntu Barnesa jest bardziej wrażliwe na niektóre inne zmiany48,49. W modelach gryzoni, w których korzystanie z labiryntu wodnego nie jest możliwe, labirynt Barnesa może zapewnić precyzyjnie dostrojoną ocenę zapamiętywania pamięci przestrzennej31. Łagodnie awersyjne bodźce zwykle używane w labiryncie Barnesa (tj. jasne światła) mogą jednak nie stanowić wystarczającej motywacji dla gryzonia do zlokalizowania klatki ewakuacyjnej45. Co więcej, gryzonie mogą się nauczyć, że żadna kara nie zostanie wymierzona, jeśli nie wejdą do klatki ewakuacyjnej. W ten sposób, zamiast aktywnie szukać klatki ewakuacyjnej, niektóre gryzonie aktywnie eksplorują labirynt przez długi czas każdej próby. Jak przeanalizowali Kennard i Woodruff-Pak24, ta zwiększona eksploracja wydłuży opóźnienie w zlokalizowaniu klatki ewakuacyjnej, długości ścieżki i zwiększy liczbę błędów. W związku z tym pomiar wielu parametrów, w tym opóźnienia, współczynnika błędów, czasu spędzonego w prawidłowych i nieprawidłowych kwadrantach, prędkości, czasu ruchu, czasu odpoczynku i strategii wyszukiwania, może łącznie zapewnić lepszy wskaźnik uczenia się nawigacji przestrzennej i zdolności zapamiętywania każdego badanego8-10. Ponadto wydajność można mierzyć jako opóźnienie do pierwszego zlokalizowania klatki ewakuacyjnej (miara podstawowa) lub opóźnienie wejścia do klatki ewakuacyjnej (miara całkowita). Niektórzy twierdzą, że podstawowe miary wydajności są dokładniejszym odzwierciedleniem uczenia się przestrzennego niż miary całkowite50. W większości badań, w tym w opisanych tutaj przykładach, wykorzystuje się opóźnienie do wejścia do klatki ucieczki w celu określenia współczynnika błędów i strategii wyszukiwania. Co więcej, niektóre systemy oprogramowania śledzącego mają trzypunktowy system wykrywania ciała, który może mierzyć częstotliwości wąchania prawidłowych i nieprawidłowych otworów. Na koniec labirynt musi zostać dokładnie oczyszczony etanolem między próbami, aby usunąć sygnały węchowe, które mogłyby dostarczyć wskazówek lub rozpraszać kolejne zwierzęta.
Projekty labiryntów Barnesa różnią się, ale zazwyczaj każdy z nich ma 12 lub 20 potencjalnych otworów ewakuacyjnych, z których tylko jeden prowadzi do domu lub klatki ewakuacyjnej. Klatka ewakuacyjna może być umieszczona bezpośrednio pod otworem ewakuacyjnym na szczycie labiryntu (w przypadku labiryntów bez ścian) lub wbudowana w otaczającą ścianę labiryntu. Wskazówki mogą mieć różny rozmiar, od około 16,5 cm wysokości lub szerokości (w labiryncie) do poziomej linii o szerokości 21,6 cm umieszczonej od podłogi do sufitu ściany pokoju na zewnątrz labiryntu. Rysunki 1-5 pokazują przykłady projektów labiryntów Barnesa dla gatunków Peromyscus (ryc. 1) i szczurów (ryc. 2-5). Zatyczki lub fałszywe dna muszą zakrywać otwory nieuciekające, aby zwierzę nie wypadło z labiryntu. Wielkość pomieszczenia testowego może się różnić (~20 m2), ale musi być wystarczająco duża, aby zapewnić wystarczająco dużo miejsca na labirynt, przyzwyczajenie zwierząt do pomieszczenia, umieszczenie komputera z zestawem wideo (jeśli jest używane) oraz miejsce dla eksperymentatora do siedzenia w odległości (co najmniej ~122 cm) od aparatury labiryntowej, tak aby ich obecność nie przeszkadzała w wykonywaniu pracy zwierzęcia. Przydział lokalizacji klatki ewakuacyjnej powinien być zrównoważony w zależności od grup leczonych i płci. Chociaż konkretne procedury opisane tutaj nie obejmują obracania labiryntu między próbami, aby zniechęcić do korzystania ze wskazówek zapachowych wewnątrz labiryntu, niektóre badania obejmują tę procedurę50. W naszych procedurach labirynt jest czyszczony etanolem między próbami, aby wyeliminować oznaki zapachu.
Podczas lokalizowania klatki ewakuacyjnej zdefiniowano trzy rodzaje strategii poszukiwań (pierwotnie nazwanych przez Barnesa7 "wzorcami"): 1) losowe, operacyjnie zdefiniowane jako zlokalizowane przeszukiwanie oddzielonych ścieżkami przecinającymi środek labiryntu, 2) szeregowe, zdefiniowane jako systematyczne przeszukiwanie kolejnych w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, oraz 3) bezpośrednie lub przestrzenne, zdefiniowany jako nawigacja bezpośrednio do właściwej ćwiartki bez przekraczania środka labiryntu więcej niż raz i z trzema lub mniej błędami. Ogólnie rzecz biorąc, przy wielokrotnych testach, gryzonie zazwyczaj przechodzą przez strategie wyszukiwania w podanej kolejności (losowo, seryjnie i bezpośrednio)51. Próba sondy bez klatki ewakuacyjnej może być również wykorzystana jako dalsza miara pamięci50.
Protokół i reprezentatywne wyniki tutaj zostały opracowane dla dwóch typów gryzoni (gatunki Peromyscus - inaczej nazywane małymi gryzoniami) i szczurów. Chociaż te ogólne procedury mogą również dotyczyć myszy wsobnych i/lub niekrewniaczych (Mus musculus), należy skonsultować się z innymi badaniami dotyczącymi potencjalnych różnic metodologicznych dla tych ostatnich gatunków18-21.