Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Szkolenie szczurów do dobrowolnego nurkowania pod wodą: badania reakcji ssaków na nurkowanie

12.7K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/52093

⸱

12 listopada 2014

1Department of Physiology, Midwestern University

W tym artykule

Podsumowanie

Szczegółowe instrukcje są podane jak trenować szczury do dobrowolnego nurkowania pod wodą przez labirynt z pleksiglasu o długości 5 m. Ponieważ mózgi szczurów zostały bardzo dobrze scharakteryzowane, dobrowolnie nurkujące szczury mogą pomóc w wyjaśnieniu centralnych ścieżek reakcji ssaków na nurkowanie.

Streszczenie

Podwodne zanurzenie powoduje zmiany autonomiczne, które obserwuje się praktycznie u wszystkich nurkujących zwierząt. Ta reakcja wywołana odruchem składa się z bezdechu, bradykardii wywołanej przez układ przywspółczulny i wywołanej współczulnie zmiany oporu naczyniowego, która utrzymuje przepływ krwi do serca, mózgu i ćwiczących mięśni. Podczas gdy wiele metabolicznych i krążeniowo-oddechowych aspektów reakcji nurkowej zostało zbadanych na zwierzętach morskich, badania nad centralnymi aspektami integracyjnymi tego odruchu pnia mózgu były stosunkowo nieobecne. Ponieważ fizjologia i neuroanatomia szczura są dobrze scharakteryzowane, szczur może być wykorzystany do ustalenia centralnych ścieżek reakcji ssaków na nurkowanie. Szczegółowe instrukcje znajdują się, jak szkolić szczury do pływania i dobrowolnie nurkować pod wodą przez labirynt z pleksiglasu o długości 5 m. Podano również rozważania dotyczące projektu zbiornika i wymagań dotyczących pomieszczenia zabiegowego. Trening behawioralny jest prowadzony w taki sposób, aby zmniejszyć stres, który w przeciwnym razie mógłby być związany z wymuszonym zanurzeniem pod wodą, minimalizując w ten sposób aktywację centralnych ścieżek stresu. Procedury szkoleniowe nie są trudne technicznie, ale mogą być czasochłonne. Ponieważ trening behawioralny zwierząt może jedynie dostarczyć modelu do wykorzystania z innymi technikami eksperymentalnymi, podano również przykłady tego, jak dobrowolnie nurkujące szczury zostały wykorzystane w połączeniu z innymi fizjologicznymi i neuroanatomicznymi technikami badawczymi oraz jak podstawowe procedury szkoleniowe mogą wymagać modyfikacji, aby dostosować się do tych technik. Eksperymenty te pokazują, że dobrowolnie nurkujące szczury wykazują te same zmiany krążeniowo-oddechowe, które zwykle obserwuje się u innych nurkujących zwierząt. Łatwość, z jaką szczury mogą być szkolone do dobrowolnego nurkowania pod wodą, oraz już dostępne dane od szczurów zebrane w innych badaniach neurofizjologicznych, sprawiają, że dobrowolnie nurkujące szczury są dobrym modelem behawioralnym do wykorzystania w badaniach badających kluczowe aspekty reakcji ssaków na nurkowanie.

Wprowadzenie

Reakcja nurkowania składa się z zestawu autonomicznych odruchów obserwowanych u zwierząt wszystkich klas kręgowców 1. W odpowiedzi na zanurzenie pod wodą, ta odruchowo wywołana reakcja składa się z bezdechu, bradykardii i zmiany przepływu krwi, która utrzymuje przepływ do serca, mózgu i ćwiczących mięśni, jednocześnie ograniczając przepływ do wnętrzności i mięśni niećwiczących 2. Wiele metabolicznych i krążeniowo-oddechowych aspektów reakcji ssaków na nurkowanie zostało dobrze zbadanych 2,3, w tym te u ludzi 4,5. Jednak to, czego do niedawna stosunkowo brakowało, to badanie głównych aspektów integracyjnych reakcji nurkowej. Co dzieje się w pniu mózgu i jaka jest ścieżka neuronalna krok po kroku, która łączy wejścia aferentne z wyjściami odprowadzającymi podczas tego odruchu autonomicznego? Odpowiedź na te pytania będzie wymagała odpowiedniego modelu zwierzęcego 6. Porzekadło w fizjologii porównawczej, zasada Krogha 7, mówi, że dla każdego pytania badawczego istnieje jakieś zwierzę z wyboru, na którym problem może być najwygodniej zbadany. Najbardziej odpowiednim zwierzęciem do badania centralnych aspektów reakcji nurkowej jest szczur 6,8. W dużej mierze wynika to z faktu, że mózgi szczurów zostały bardzo dobrze scharakteryzowane, zarówno anatomicznie, jak i funkcjonalnie, a dostępnych jest wiele atlasów mózgów szczurów 6. Ponadto szczur jest szczególnie przydatny w badaniach krążeniowo-oddechowych, ponieważ fizjologia szczura jest dobrze znana we wszystkich głównych układach narządów, a szczur jest dobrze uważany za model zwierzęcy w biologii systemów. Wreszcie szczur laboratoryjny jest udomowioną wersją dzikiego Rattus norvegicus, zwierzęcia, które rutynowo pływa i nurkuje pod wodą 6. Opierając się na tych rozważaniach, szczur jest dobrym wyborem do badań badających główne aspekty reakcji ssaków na nurkowanie. Dla porównania, wykorzystanie zwierząt morskich do zbadania głównych aspektów reakcji ssaków na nurkowanie byłoby znacznie trudniejsze. Wynika to w dużej mierze z faktu, że zwierzęta morskie mają stosunkowo duże i niejednorodnej wielkości mózgi, a także ze względu na względną trudność i wysokie koszty utrzymania tych zwierząt.

Szczury były wcześniej wykorzystywane do badania wielu aspektów reakcji ssaków na nurkowanie, głównie w sytuacjach związanych z przymusowym zanurzeniem pod wodą 9-12. Jednak wiele badań na zwierzętach morskich i wodnych wykazało, że może istnieć zróżnicowana reakcja na nurkowanie w zależności od tego, czy zanurzenie było wymuszone, czy dobrowolne 2,13. Zwierzęta nurkujące mogą wykazywać niezwykle intensywną bradykardię podczas nurkowania wymuszonego, ale znacznie mniej intensywną bradykardię podczas nurkowania dobrowolnego. "Stres" związany z wymuszonym zanurzeniem może znacząco zmienić reakcje sercowo-naczyniowe podczas nurkowania u wielu zwierząt14. Małe gryzonie, takie jak piżmaki, wykazują również bardziej intensywną reakcję nurkowania podczas wymuszonego zanurzenia niż podczas nurkowania dobrowolnego 15,16. Tak więc, jeśli szczury mają być wykorzystane do zbadania głównych aspektów reakcji ssaków na nurkowanie, badacze powinni być świadomi, że szczur przymusowo zanurzony pod wodą może wywołać reakcję inną niż szczur nurkujący dobrowolnie.

Celem tego artykułu jest dostarczenie szczegółowych instrukcji, jak trenować szczury do dobrowolnego nurkowania pod wodą. Procedury te nie są trudne technicznie, ale mogą być czasochłonne. Szkolenie prowadzone jest w taki sposób, aby zmniejszyć stres, który w przeciwnym razie mógłby być związany z przymusowym zanurzeniem pod wodą. Ta dobrowolna technika nurkowania powinna zminimalizować aktywację centralnych szlaków stresu, a tym samym umożliwić lepsze badanie centralnych aspektów reakcji nurkowej. Samo szkolenie szczurów do dobrowolnego nurkowania pod wodą nie generuje żadnych danych, które można by wykorzystać do zbadania głównych aspektów reakcji ssaków na nurkowanie. W związku z tym podano również przykłady wykorzystania szczurów nurkujących dobrowolnie w połączeniu z innymi fizjologicznymi i neuroanatomicznymi technikami badawczymi oraz tego, jak podstawowe szkolenie nurkowe może wymagać modyfikacji, aby dostosować je do innych technik.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

UWAGA: Opisane tutaj eksperymentalne protokoły przeprowadzone na Uniwersytecie Środkowo-Zachodnim zostały zatwierdzone przez IACUC Uniwersytetu Środkowo-Zachodniego.

1. Wymagania dotyczące pokoju

  1. Zabezpiecz pomieszczenie zabiegowe, w którym znajduje się bieżąca ciepła i zimna woda oraz sposób na usunięcie wody ze zbiornika, zwykle odpływ w podłodze.
  2. Użyj stołu do nauki, na którym umieścisz butlę do nurkowania. Ponieważ pomieszczenia z odpływami podłogowymi są zwykle wyprofilowane w celu drenażu, przytnij gumowe korki i umieść je pod nogami stołu, aby upewnić się, że blat, a tym samym powierzchnia wody w zbiorniku, jest wypoziomowana.

2. Zbiornik do nurkowania

  1. Budowa zbiorników do nurkowania
    1. Zbuduj prostokątny zbiornik (100 x 60 x 15 cm), używając 3/4 cala grubej pleksi na dnie i 1/2 cala pleksiglasu na ścianach bocznych (rysunek 1). Na stałe przymocuj zewnętrzne fragmenty zbiornika z pleksiglasu za pomocą cementu cyjanoakrylowego lub rozpuszczalników, takich jak trichlorometan.
    2. Podziel zbiornik na 5 kanałów, każdy o długości około 100 cm, za pomocą zdejmowanej pleksi o grubości 1/2 cala pociętej na kawałki o wymiarach 85 x 15 cm. Umieść na stałe rowki w dnie i krawędziach zbiornika, w których można umieścić te przegrody kanałów.
    3. Zawieś poziome kawałki pleksiglasu na przegrodach kanałów, aby stworzyć "dach" dla podwodnego "tunelu" nurkowego.
    4. W jednym rogu zbiornika umieść zdejmowaną podniesioną platformę, "obszar końcowy", aby szczury mogły wyciągnąć z wody i odpocząć między próbami pływania i nurkowania. Szczury zwykle pielęgnują się i usuwają wodę z sierści podczas pobytu w strefie mety. Umieść wysokie boki wokół krawędzi obszaru mety, aby upewnić się, że szczury pozostaną na platformie między próbami treningowymi.
    5. W przeciwległym rogu zbiornika od obszaru mety umieść komorę, która umożliwia dostęp do labiryntu tylko pod wodą. Ten zdejmowany "obszar startowy" jest używany tylko do prób nurkowych.
      UWAGA: Na początku próby nurkowej szczur jest opuszczany do wody, siedząc na platformie w komorze startowej; Stąd platforma ta nazywana jest "windą".
      UWAGA: Użyj konstrukcji modułowej, w której obszar początkowy, obszar końcowy i wszystkie przegrody kanałów można wyjąć ze zbiornika. Dzieje się tak z dwóch powodów: 1) aby ułatwić napełnianie i opróżnianie zbiornika wodą po usunięciu wszystkich przegród kanałowych oraz 2) jeśli szczur jest zdezorientowany, zwłaszcza pod wodą, części można szybko zdemontować, aby uratować szczura z wody.
  2. Napełnianie i opróżnianie zbiornika wodą
    1. Napełnianie zbiornika wodą
      1. Na początku każdej sesji treningowej napełnij zbiornik świeżą wodą z kranu o temperaturze 32 °C na głębokość około 12 cm. Wymieszaj wodę w zbiorniku, aby zminimalizować ciepłe lub chłodne kieszenie.
        UWAGA: Zazwyczaj wyszkolenie 12 szczurów zajmuje około 2 godzin. W tym czasie temperatura wody spada o około 4 °C. Pod koniec sesji treningowej woda schładza się do około 28 °C. Ponieważ woda o temperaturze 30 °C jest termoneutralna dla szczurów, używanie tej ciepłej wody, a nie wody o temperaturze pokojowej, zminimalizuje utratę ciepła podczas powtarzalnego treningu.
    2. Opróżnianie zbiornika wodą
      1. Pod koniec każdej sesji treningowej spuść wodę ze zbiornika za pomocą dużego węża, takiego jak 4-metrowy kawałek rurki o średnicy wewnętrznej 1 cala. Całkowicie zanurz rurkę w zbiorniku, upewniając się, że w przewodzie nie ma kieszeni powietrznych. Szybko umieść jeden koniec rurki w odpływie podłogowym. Powstały efekt syfonowania spowoduje spuszczenie wody ze zbiornika.
      2. Trzymając koniec rurki zbiornika pod powierzchnią wody, aby utrzymać syfonowanie, przechyl zbiornik na krawędź, aby ułatwić całkowity odpływ wody.
        UWAGA: Alternatywnie, zamiast syfonować, zainstaluj kran w pobliżu podstawy zbiornika i podłącz wąż od kranu zbiornika do odpływu podłogowego.

3. Rozważania na temat alergenów szczurów

  1. Noś jednorazowe rękawiczki podczas pracy ze szczurami i ich szkolenia. Rękawice ograniczą kontakt z wodą w zbiorniku, która niezmiennie będzie zawierać mocz szczura.
    UWAGA: Szczury zmokną podczas treningu, a pomieszczenie wypełni się zapachem "mokrego szczura". W związku z tym profilaktyczny reżim leków przeciwhistaminowych może zapobiegać lub ograniczać skutki alergii u szczurów. Trenerzy mogą również potrzebować nosić jednorazowe maski przeciwpyłowe lub maski N95, jeśli staną się wrażliwi na alergeny szczurów.

4. Trening pływacki

  1. Codzienny trening pływacki
    UWAGA: Osobiste doświadczenie wskazuje, że młodsze szczury uczą się labiryntu lepiej i szybciej, dlatego rozpoczęcie treningu od 35 g nowo odsadzonych szczurów jest lepsze niż użycie dorosłych szczurów.
    1. Napełnij zbiornik wodą. Patrz 2.2.1.
    2. Wstaw obszar końcowy i separatory kanałów, aby utworzyć 5 kanałów pływackich.
    3. Podczas pierwszej sesji treningowej delikatnie opuść szczury ręcznie do wody około 3-5 cm od miejsca mety.
      UWAGA: Po zapoznaniu się z wodą szczury będą wydawać się niestabilne, gdy po raz pierwszy napotkają wrażenie unoszenia się na wodzie. Szczury będą wiosłować w nieskoordynowany sposób, próbując znaleźć sposób na wyjście z wody, ostatecznie docierając do pobliskiego obszaru mety. Ze względu na ich wrodzoną zdolność do pływania, w kolejnych próbach szczury będą pływać w znacznie bardziej skoordynowany sposób w kierunku mety.
      UWAGA: Podeprzyj szczury od spodu, tak aby ich stopy znajdowały się na rękach badaczy. Delikatnie opuść szczury do wody i pozwól im odpłynąć od ręki, zamiast wrzucać je do wody.
    4. Pomiędzy próbami pozwól szczurom pozostać w strefie mety przez co najmniej 1 minutę. Ma to na celu umożliwienie szczurom oporządzania i eksploracji, tak aby traktowały obszar mety jako "bezpieczne" miejsce między próbami. Jest to przeciwieństwo chwytania szczura, który właśnie zakończył próbę i natychmiastowego umieszczania go z powrotem w wodzie, aby rozpocząć następną próbę.
      UWAGA: Nie używaj zewnętrznej nagrody (np. jedzenia) podczas treningu, aby zapobiec aktywacji obwodów nagrody w mózgu.
    5. Po okresie oczekiwania w obszarze końcowym delikatnie przytrzymaj szczury przez 1 minutę przed rozpoczęciem następnej próby. Delikatnie osusz szczury ręcznikiem podczas tego przedpróbnego trzymania, ponieważ powtarzające się wchodzenie do wody spowoduje, że szczury bardzo zmokną, a wysuszenie ich zapobiegnie hipotermii.
    6. Powtórzyć czynności od 4.1.3 do 4.1.5, aby wykonać od 3 do 5 prób dla każdego szczura, który ma być szkolony podczas codziennej sesji treningu pływackiego.
    7. Usuń wszystkie przegrody kanałów i obszar końcowy ze zbiornika.
    8. Opróżnij wodę ze zbiornika. Patrz 2.2.2.
  2. Tygodniowy harmonogram treningu pływackiego
    1. Przeprowadzaj codzienne sesje treningowe (patrz 4.1.) 5 dni w tygodniu, najlepiej o tej samej porze każdego dnia.
    2. Rozpocznij pierwszą próbę od udanie pokonanego dnia poprzedniego dnia na odległość. Rozpocznij drugą i trzecią próbę ze zwiększonej odległości.
    3. Z każdą kolejną codzienną sesją treningową zwiększaj odległość między miejscem, w którym szczury są umieszczone w wodzie, a obszarem mety. Przez kilka pierwszych sesji treningowych zwiększ ten dystans o 5-10 cm. Po tym, jak szczury poczują się bardziej komfortowo podczas pływania, zwiększ odległości o 30-50 cm.
    4. Użyj większych Zwiększ odległości pływania, podczas gdy szczury uczą się pływać w prostej części kanału pływackiego. Natomiast nauka pływania na ostrych zakrętach między kanałami może zająć 2-3 sesje treningowe.
      UWAGA: Często, czekając w strefie mety, szczury ponownie wchodzą do wody, aby pływać i/lub zanurzają głowę pod wodą, nadal siedząc na platformie obszaru mety.
    5. Powtarzaj ten codzienny protokół treningowy przez 3 tygodnie, aby zapewnić udane pływanie wszystkich 5 kanałów. Ten powtarzalny protokół treningowy zapewnia pomyślne ukończenie labiryntu, zwłaszcza, że labirynt zawiera naprzemienne skręty w lewo i w prawo.

5. Szkolenie nurkowe

UWAGA: Po tym, jak szczury nauczą się skutecznie radzić sobie z pływaniem w labiryncie, są gotowe do rozpoczęcia szkolenia nurkowego.

  1. Wstępne szkolenie nurkowe (pierwszy dzień)
    1. Włóż komorę startową. Napełnić zbiornik wodą (patrz 2.2.1.). Upewnij się, że poziom wody znajduje się 1 cm poniżej otworu do obszaru startowego.
    2. Wstaw obszar końcowy i separatory kanałów, aby utworzyć 5 kanałów pływackich.
    3. Podczas pierwszej sesji nurkowej trenuj szczury, aby zostały opuszczone na windzie do wody w komorze startowej. Dostęp do labiryntu znajduje się od dołu komory startowej. Podczas tej pierwszej sesji poziom wody jest na tyle niski, że szczur może łatwo przepłynąć z komory startowej do labiryntu. Pozwól szczurowi kontynuować pływanie przez labirynt do obszaru mety.
    4. Pomiędzy próbami pozwól szczurom pozostać w strefie mety przez co najmniej 1 minutę.
      UWAGA: Nie używaj zewnętrznej nagrody (np. jedzenia) podczas treningu, aby zapobiec aktywacji obwodów nagrody w mózgu.
    5. Po okresie oczekiwania w obszarze końcowym delikatnie przytrzymaj szczury przez 1 minutę przed rozpoczęciem następnej próby. Delikatnie osusz szczury ręcznikiem podczas tego zatrzymania przed próbą.
    6. Powtórzyć czynności od 5.1.3 do 5.1.5, aby wykonać 3 próby dla każdego szczura, który ma być wyszkolony podczas tej początkowej sesji treningu nurkowego.
    7. Usuń wszystkie przegrody kanałowe, komorę początkową i obszar końcowy ze zbiornika.
    8. Opróżnij wodę ze zbiornika. Patrz 2.2.2.
  2. Wstępne szkolenie nurkowe (drugi dzień)
    1. Włóż komorę startową. Napełnić zbiornik wodą (patrz 2.2.1.). Upewnij się, że poziom wody znajduje się nieco powyżej otworu do obszaru startowego.
    2. Wstaw obszar końcowy i separatory kanałów, aby utworzyć 5 kanałów pływackich.
    3. Podczas drugiej sesji treningu nurkowego poziom wody został podniesiony tak, że aby wyjść z komory startowej, szczur musi zanurzyć głowę pod krawędzią komory startowej, aby wejść do labiryntu. Potraktuj to jako pierwsze nurkowanie szczura. Pozwól szczurowi kontynuować pływanie przez labirynt do obszaru mety.
    4. Pozwól szczurom pozostać w strefie mety przez co najmniej 1 minutę między próbami.
      UWAGA: Nie używaj zewnętrznej nagrody (np. jedzenia) podczas treningu, aby zapobiec aktywacji obwodów nagrody w mózgu.
    5. Po okresie oczekiwania w obszarze końcowym delikatnie przytrzymaj szczury przez 1 minutę przed rozpoczęciem następnej próby. Delikatnie osusz szczury ręcznikiem podczas tego zatrzymania przed próbą.
    6. Powtórzyć czynności od 5.2.3 do 5.2.5, aby wykonać 3 próby dla każdego szczura, który ma być szkolony podczas tej sesji treningu nurkowego.
    7. Usuń wszystkie przegrody kanałowe, komorę początkową i obszar końcowy ze zbiornika.
    8. Opróżnij wodę ze zbiornika. Patrz 2.2.2.
  3. Wstępne szkolenie nurkowe (trzeci dzień)
    1. Włóż komorę startową. Napełnić zbiornik wodą (patrz ppkt 2.2.1), upewniając się, że poziom wody znajduje się powyżej otworu do obszaru startowego.
    2. Wstaw obszar końcowy i separatory kanałów, aby utworzyć 5 kanałów pływackich. Umieść poziomy kawałek pleksiglasu bezpośrednio poza obszarem startowym, aby stworzyć tunel do nurkowania o długości 5 cm.
    3. Podczas trzeciej sesji treningu nurkowego szczur musi zanurzyć głowę pod krawędzią komory startowej i przepłynąć 5 cm pod wodą, aby dotrzeć do otwartej wody kanału pływackiego. Pozwól szczurowi kontynuować pływanie przez labirynt do obszaru mety.
      UWAGA: Po umieszczeniu w obszarze startowym, szczury inicjują własne zanurzenie pod wodą, a zatem są one uważane za "dobrowolne" nurkowania.
    4. Pozwól szczurom pozostać w strefie mety przez co najmniej 1 minutę między próbami.
      UWAGA: Nie używaj zewnętrznej nagrody (np. jedzenia) podczas treningu, aby zapobiec aktywacji obwodów nagrody w mózgu.
    5. Po okresie oczekiwania w obszarze końcowym delikatnie przytrzymaj szczury przez 1 minutę przed rozpoczęciem następnej próby. Delikatnie osusz szczury ręcznikiem podczas tego zatrzymania przed próbą.
    6. Powtórzyć czynności od 5.3.3 do 5.3.5, aby wykonać od 3 do 5 prób dla każdego szczura, który ma być szkolony podczas tej sesji szkolenia nurkowego.
    7. Usuń wszystkie przegrody kanałowe, komorę początkową i obszar końcowy ze zbiornika.
    8. Opróżnij wodę ze zbiornika. Patrz 2.2.2.
  4. Tygodniowy harmonogram szkoleń nurkowych
    1. Przeprowadzaj codzienne sesje treningowe (patrz 5.3.) 5 dni w tygodniu, najlepiej o tej samej porze każdego dnia.
    2. Rozpocznij pierwszą próbę od udanie pokonanego dnia poprzedniego dnia na odległość. Rozpocznij drugą i trzecią próbę od zwiększenia odległości nurkowania.
    3. Z każdą kolejną codzienną sesją treningową zwiększaj długość tunelu nurkowego, dodając dodatkowe poziome przegrody, aby wydłużyć odległość, jaką szczury muszą przepłynąć pod wodą. Przez kilka pierwszych sesji treningowych zwiększ ten dystans o 5-10 cm. Po tym, jak szczury poczują się bardziej komfortowo podczas nurkowania, zwiększ odległości o 30-50 cm.
      UWAGA: Nie należy nadmiernie wydłużać dystansu nurkowania próbowanego podczas kolejnych prób. W razie potrzeby podnieś koniec poziomej osłony kanału, aby zapewnić krótsze odległości nurkowania. Jeśli podczas próby nurkowania szczur nie dotrze do końca tunelu nurkowego i zacznie obracać się pod wodą, szybko podnieś koniec pokrywy kanału i pozwól szczurowi wynurzyć się na powierzchnię i kontynuować pływanie. Umożliwi to szczurowi pomyślne pokonanie dłuższego dystansu nurkowania. To pozytywne wzmocnienie sprawi, że szczur będzie poruszał się naprzód przez podwodny tunel przy każdej próbie nurkowania.
    4. Używaj większych wzrostów odległości nurkowania, podczas gdy szczury uczą się nurkować w prostej części kanału pływackiego. Natomiast nauka nurkowania po ostrych zakrętach między kanałami może zająć 2-3 sesje treningowe.
      UWAGA: Często, czekając w strefie mety, szczury ponownie wchodzą do wody, aby pływać i/lub zanurzają głowę pod wodą, nadal siedząc na platformie obszaru mety.
    5. Powtarzaj ten codzienny protokół treningowy przez 3 tygodnie, aby zapewnić udane nurkowanie we wszystkich 5 kanałach. Ten powtarzalny protokół treningowy zapewnia pomyślne ukończenie labiryntu, zwłaszcza, że labirynt obejmuje naprzemienne zakręty w lewo i w prawo.
      UWAGA: Pełny 6-tygodniowy harmonogram szkolenia pływackiego i nurkowego zbiega się ze wzrostem 35 g nowo odsadzonych szczurów do masy ciała 300 g.
    6. Po zakończeniu codziennych sesji treningowych i powrocie szczurów do klatki domowej, upewnij się, że szczury szybko wysuszą sierść poprzez pielęgnację lub, jeśli to konieczne, umieść podkładkę grzewczą pod klatką, aby utrzymać szczury w cieple, aż ich futro wyschnie.

6. Wariacje eksperymentalne

UWAGA: Podstawowa konfiguracja eksperymentalna i szkolenie zwierząt zostały opisane powyżej. Jednak trening behawioralny zapewnia tylko model, który można wykorzystać z innymi technikami eksperymentalnymi w celu zebrania interesujących danych. Podstawowe protokoły są modyfikowane w celu zbadania konkretnych aspektów reakcji nurkowej. Przykłady tych modyfikacji oraz kilka uwag dotyczących zbierania danych przy użyciu tych technik fizjologicznych i neuroanatomicznych podano poniżej.

  1. Wszczepialne nadajniki telemetryczne
    1. Po ukończeniu szkolenia należy korzystać z dostępnych na rynku nadajników telemetrycznych do przesyłania pulsacyjnego ciśnienia tętniczego krwi od pływających i nurkujących szczurów. Uzyskanie lokalnej zgody IACUC na zabiegi związane z chirurgią i rekonwalescencją pooperacyjną. Postępuj zgodnie z procedurami implantacji sugerowanymi przez firmę dla ich nadajnika i zapewnij całkowity powrót do zdrowia po operacji przed powrotem szczura do wody.
    2. Upewnij się, że antena odbierająca sygnał radiowy znajduje się w pobliżu, gdy szczur znajduje się w wodzie.
      UWAGA: Woda tłumi sygnały radiowe, a więc odległość, jaką sygnał radiowy musi przebyć przez wodę, staje się czynnikiem ograniczającym wymiary zbiornika.
    3. Użyj ręcznej różdżki antenowej, a nie anteny wielkości klatki dla szczurów, aby podążać za szczurem, gdy przechodzi przez labirynt. Trzymaj antenę różdżki w odległości nie większej niż 30 cm od szczura, aby upewnić się, że sygnał radiowy nie zostanie utracony, gdy szczur znajduje się pod wodą.
  2. Kaniule wleczone
    1. Przeprojektuj przegrody kanałów i poziome elementy, tworząc dach tunelu nurkowego tak, aby kaniula ciągnęła się za szczurem podczas jego przejścia przez labirynt.
      UWAGA: Modułowa konstrukcja kanałów ma ogromne znaczenie i musi również umożliwiać szybkie wydobycie szczura z podwodnego labiryntu. Jeśli kaniula zaczepi się i zostanie odsunięta od szczura, szczur może wkrótce wykrwawić się pod wodą, jeśli kaniula nie zostanie szybko ponownie przymocowana.
    2. Użyj ciągnących się kaniul tętniczych, aby rejestrować ciśnienie tętnicze krwi i tętno u dobrowolnie nurkujących szczurów. Użyj 90-centymetrowego kawałka PE50 jako kaniuli wleczonej.
      UWAGA: Ta długość kaniuli jest wystarczająco długa, aby połączyć szczura z przetwornikiem ciśnienia, jednocześnie umożliwiając szczurowi przejście przez labirynt, ale jest wystarczająco krótka, aby zminimalizować martwą przestrzeń kaniuli i jest wystarczająco blisko przetwornika ciśnienia, aby zapewnić wystarczającą wierność sygnału ciśnienia tętniczego.
    3. Używaj wleczonych kaniul żylnych (lub tętniczych) do wstrzykiwania środków farmaceutycznych, takich jak agoniści i antagoniści przywspółczulni i współczulni, lub do wstrzykiwania znaczników lub barwników, które określają rozkład rzutu serca.
    4. Pobrać próbki krwi od szczurów za pomocą kaniul żylnych (lub tętniczych), gdy szczury są pod wodą, aby określić podwodny poziom katecholamin lub skład chemiczny krwi.
      UWAGA: Zminimalizuj długość kaniuli wleczonej i uwzględnij martwą przestrzeń kaniuli podczas pobierania krwi.
  3. Wykrywanie aktywowanych neuronów pnia mózgu
    1. Wykorzystaj immunologiczne wykrywanie białka Fos, aby zidentyfikować określone obszary pnia mózgu, które są częścią odpowiedzi nurkowej.
      UWAGA: Podczas powtarzającej się inicjacji odruchu krążeniowo-oddechowego, neurony pnia mózgu, które są częścią tego obwodu odruchowego, mogą zostać aktywowane i wytwarzać białko zwane Fos.
    2. Powtarzalnie nurkuj ze szczurami w labiryncie co 5 minut przez 2 godziny, co daje w sumie 24 nurkowania.
      UWAGA: Można również zastosować inne protokoły, które również indukują neuronalną produkcję Fos. Aby uniknąć aktywacji neuronów pnia mózgu zaangażowanych w reakcję na stres, powtarzające się zachowanie powinno być włączone do treningu behawioralnego.
  4. Poziom kortykosteronu we krwi podczas nurkowania
    1. Użyj kortykosteronu jako wskaźnika poziomu stresu, jakiego doświadczają szczury podczas pływania i nurkowania.
    2. Aby uzyskać krew do analizy kortykosteronu, należy pobrać 0,1 ml próbki krwi z żyły ogonowej szczurów 15 minut po 3 dobrowolnych pływaniach lub nurkowaniach.
      UWAGA: Wstępne eksperymenty wykazały, że 15 minut to wystarczający czas, aby umożliwić produkcję i uwolnienie kortykosteronu do krążenia i spowodować szczyt poziomu kortykosteronu w osoczu. Ponieważ poziom kortykosteronu ma rytm okołodobowy, zaplanuj wszystkie pobrania krwi o tej samej porze dnia i odpowiadały czasowi sesji treningowych.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Pomyślne ukończenie opisanych procedur treningu pływania i nurkowania może zmniejszyć stres u szczurów podczas nurkowania pod wodą. Poziomy kortykosteronu we krwi wskazują, że powtarzalny codzienny trening zmniejsza stres związany z dobrowolnym nurkowaniem, a dla wyszkolonych szczurów nurkowanie nie jest bardziej stresujące niż codzienna manipulacja przez człowieka (Rycina 2; 17). Z kolei szczury, które nie przeszły protokołu treningu nurkowania, uznają dobrowolne nurkowanie za stresujące (

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Szczury w swojej dzikiej formie mogą i wykorzystują środowiska półwodne i często nurkują pod wodą podczas poszukiwania pożywienia 6. Nic więc dziwnego, że szczury można bardzo łatwo wyszkolić do dobrowolnego nurkowania pod wodą. Opisane procedury treningowe mogą trwać do 6 tygodni, co pozwoli na osiągnięcie przez nowo odsadzone szczury wielkości ciała używanej w większości atlasów mózgu dorosłych szczurów (~300 g). W ten sposób mózgi tych wyszkolonych zwierząt będą łatwiej porównywalne ze strukturami anatomicz...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autor jest konsultantem firmy Stoelting Company i dostarczył im ogólny projekt i specyfikację labiryntu McCulloch Dive Tank Maze w celach komercyjnych.

Podziękowania

Badania wspierane przez fundusze z Biura Badań i Programów Sponsorowanych Uniwersytetu Środkowo-Zachodniego. Podziękowania należą się również Midwestern University Animal Facility i Erikowi Warrenowi.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
McCulloch Diving Tank MazeStoelting Company60139
Rurka o średnicy wewnętrznej 1 cal Fisher14-169-63Służy do napełniania lub opróżniania zbiornika
Urządzenie powstrzymujące gryzonie z pleksiglasu (ekonomiczny płaskodenny ogranicznik)BraintreeFB-M/L Do nurkowań wymuszonych
Nadajniki telemetryczne DSIModel PA-C40 (270-0040-008)Służy do przesyłania pulsacyjnego ciśnienia tętniczego krwi
Ręczna różdżka antenowaDSIModel RLA 3000 (272-5007)Służy do zapewnienia, że antena radiowa znajduje się w pobliżu nadajnika, gdy szczur pokonuje podwodny labirynt
Intramedic PE50, 0,023" IDFisher14-170-12BUżywany jako maska do kaniuli tętniczej
N95 - Moldex #2300N SeriesFisher19-003-246DStosowany w celu ograniczenia wdychania alergenów szczurów

Bibliografia

  1. Butler, P. J., Jones, D. R. Advances in Comparative Physiology and Biochemistry. Lowenstein, O. 8, Academic Press. 179-364 (1982).
  2. Butler, P. J., Jones, D. R. Physiology of diving birds and mammals). Physiol. Rev. 77, 837-899 (1997).
  3. Butler, P. J. Metabolic regulation in diving birds and mammals. Resp. Physiol. Neurobiol. 141, 297-315 (2004).
  4. Foster, G. E., Sheel, A. W. The human diving response, its function, and its control. Scand. J. Med. Sci. Sports. 15, 3-12 (2005).
  5. Lindholm, P., Lundgren, C. E. G. The physiology and pathophysiology of human breath-hold diving. J. Appl. Physiol. 106, 284-292 (2009).
  6. McCulloch, P. F. Animal models for investigating the central control of the mammalian diving response. Front. Physiol. 3, 1-16 (2012).
  7. Krogh, A. The progress of physiology. Am. J. Physiol. 90, 243-251 (1929).
  8. Panneton, W. M., Gan, Q., Juric, R. The rat: a laboratory model for studies of the diving response. J. Appl. Physiol. 108, 811-820 (2010).
  9. Lin, Y. C. Autonomic nervous control of cardiovascular responses during diving in the rat. Am. J. Physiol. 227, 601-605 (1974).
  10. Lin, Y. C., Baker, D. G. Cardiac output and its distribution during diving in the rat. Am. J. Physiol. 228, 733-737 (1975).
  11. Huang, T. F., Peng, Y. I. Role of the chemoreceptors in diving bradycardia in the rat. Jap. J. Physiol. 26, 395-401 (1976).
  12. Fahlman, A., Bostrom, B. L., Dillon, K. H., Jones, D. R. The genetic component of the forced diving bradycardia response in mammals. Front. Physiol. 2, 1-7 (2011).
  13. Blix, A. S., Folkow, B. Handbook of Physiology. Shepher, J. T., Abboud, F. M. , American Physiological Society. 917-944 (1984).
  14. Kooyman, G. L. Diverse Divers. 200, Springer-Verlag. (1989).
  15. MacArthur, R. A., Karpan, C. M. Heart rates of muskrats diving under simulated field conditions: persistence of the bradycardia response and factors modifying its expression. Can. J. Zool. 67, 1783-1792 (1989).
  16. McCulloch, P. F., Jones, D. R. Cortical influences on diving bradycardia in muskrats (Ondatra zibethicus). Physiol. Zool. 63, 1098-1117 (1990).
  17. McCulloch, P. F., Dinovo, K. M., Connolly, T. M. The cardiovascular and endocrine responses to voluntary and forced diving in trained and untrained rats. Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol. 298, 224-234 (2010).
  18. Panneton, W. M., Gan, Q., Dahms, T. E. Cardiorespiratory and neural consequences of rats brought past their aerobic dive limit. J. Appl. Physiol. 109, 1256-1269 (2010).
  19. Chotiyanonta, J. S., DiNovo, K. M., McCulloch, P. F. Bilateral sectioning of the anterior ethmoidal nerves does not eliminate the diving response in voluntarily diving rats. Physiol. Reports. 1, (2013).
  20. Panneton, W. M., Anch, A. M., Panneton, W. M., Gan, Q. Parasympathetic preganglionic cardiac motoneurons labeled after voluntary diving. Front. Physiol. 5, 1-10 (2014).
  21. McCulloch, P. F., Ollenberger, G. P., Bekar, L. K., West, N. H. Trigeminal and chemoreceptor contributions to bradycardia during voluntary dives in rats. Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol. 273, 814-822 (1997).
  22. Ollenberger, G. P., Matte, G., Wilkinson, A. A., West, N. H. Relative distribution of blood flow in rats during surface and submerged swimming. Comp. Biochem. Physiol. A. 119, 271-277 (1998).
  23. Ollenberger, G. P., West, N. H. Distribution of regional cerebral blood flow in voluntarily diving rats. J. Exp. Biol. 201, 549-558 (1998).
  24. McCulloch, P. F. Activation of the trigeminal medullary dorsal horn during voluntary diving in rats. Brain Res. 1051, 194-198 (2005).
  25. Panneton, W. M., et al. Activation of brainstem neurons by underwater diving in the rat. Front. Physiol. 3, 1-13 (2012).
  26. McCulloch, P. F., Panneton, W. M. Activation of brainstem catecholaminergic neurons during voluntary diving in rats. Brain Res. 984, 42-53 (2003).
  27. McCulloch, P. F. Globosa neurons: a distinct subgroup of noradrenergic neurons in the caudal pons of rats. Brain Res. 964, 164-167 (2003).
  28. Panneton, W. M. The mammalian diving response: an enigmatic reflex to preserve life. Physiology. 28, 284-297 (2013).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Przeglądaj więcej artykułów

Trenowanie szczurówdobrowolne nurkowaniepodwodny labiryntmonitorowanie ciśnienia krwiaktywacja pnia mózguautonomiczny układ nerwowyodpowiedź sercowo-naczyniowamodel behawioralnybadania neurofizjologiczne
Szkolenie szczurów do dobrowolnego nurkowania pod wodą: badania reakcji ssaków na nurkowanie
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.