Ten artykuł opisuje nowatorski protokół, który łączy farmakologiczne manipulacje pamięcią i telemetrią radiową w celu udokumentowania i ilościowego określenia roli poznania w nawigacji.
Artykuł metodologiczny
* These authors contributed equally
Ten artykuł opisuje nowatorski protokół, który łączy farmakologiczne manipulacje pamięcią i telemetrią radiową w celu udokumentowania i ilościowego określenia roli poznania w nawigacji.
Zdolność zwierzęcia do postrzegania i poznawania swojego otoczenia odgrywa kluczową rolę w wielu procesach behawioralnych, w tym w nawigacji, migracji, rozprzestrzenianiu się i poszukiwaniu pożywienia. Jednak zrozumienie roli poznania w rozwoju strategii nawigacyjnych i mechanizmów leżących u podstaw tych strategii jest ograniczone przez trudności metodologiczne związane z monitorowaniem, manipulowaniem poznaniem i śledzeniem dzikich zwierząt. Badanie to opisuje protokół dotyczący roli funkcji poznawczych w nawigacji, który łączy farmakologiczną manipulację zachowaniem z precyzyjną telemetrią radiową. Podejście to wykorzystuje skopolaminę, antagonistę receptora muskarynowego acetylocholiny, do manipulowania poznawczymi zdolnościami przestrzennymi. Leczone zwierzęta są następnie monitorowane z wysoką częstotliwością i wysoką rozdzielczością przestrzenną za pomocą zdalnej triangulacji. Protokół ten został zastosowany w populacji żółwi malowanych wschodnich (Chrysemys picta), które zamieszkiwały sezonowo efemeryczne źródła wody przez ~100 lat, przemieszczając się między odległymi źródłami za pomocą precyzyjnych (± 3,5 m), złożonych (tj. nieliniowych o dużej krętości, które przecinają wiele siedlisk) i przewidywalnych tras wyuczonych przed 4 rokiem życia. Badanie to wykazało, że procesy wykorzystywane przez te żółwie są zgodne z tworzeniem i przypominaniem pamięci przestrzennej. Łącznie wyniki te są zgodne z rolą poznania przestrzennego w złożonej nawigacji i podkreślają integrację technik ekologicznych i farmakologicznych w badaniach nad poznaniem i nawigacją.
Poznanie (tutaj zdefiniowane jako "wszystkie procesy związane z pozyskiwaniem, przechowywaniem i wykorzystywaniem informacji ze środowiska" 1) jest kluczowe dla szeregu złożonych zadań nawigacyjnych2. Na przykład żurawie piaskowe (Grus canadensis) wykazują wyraźną poprawę precyzji migracji wraz z doświadczeniem3, a gatunki żółwi morskich odciskają się na swoich plażach jako pisklęta i wracają jako dorosłeosobniki w wieku 4-6 lat. Podobnie, udana migracja, rozproszenie i poszukiwanie pożywienia zależą od zdolności zwierzęcia do gromadzenia informacji o swoim środowisku przestrzennym7,8. Wydaje się, że niektóre zwierzęta uczą się tras nawigacyjnych w odniesieniu do określonych cech krajobrazu9 i mogą korzystać z poznania przestrzennego podczas przemieszczania się między obszarami gniazdowania i żerowania10. Niedawne prace nad żółwiami malowanymi wschodnimi (Chrysemys picta) sugerują krytyczny okres w nawigacji, w którym udane poruszanie się w siedliskach górskich jako dorosłe osobniki zależy od doświadczenia młodocianego w wąskim przedziale wiekowym (< 4 lata11-13 lat). Chociaż razem badania te pokazują postęp, jaki dokonał się w zrozumieniu roli uczenia się w nawigacji4-6, 14-16, mechanizmy leżące u podstaw takich zachowań i pełna rola poznania w nawigacji pozostają enigmatyczne, zwłaszcza u kręgowców8, 17, 18.
Badania terenowe nad rolą poznania w nawigacji są rzadkie2, 8, 18, głównie ze względu na trudności metodologiczne związane z monitorowaniem, manipulowaniem i tropieniem dzikich zwierząt. Na przykład duże skale przestrzenne i czasowe, po których porusza się wiele zwierząt, często uniemożliwiają zbadanie zarówno rodzaju informacji, których te zwierzęta potencjalnie się uczą, jak i sposobu ich pozyskiwania. Eksperymentatorzy często napotykają trudności logistyczne związane z wykrywaniem i lokalizowaniem zwierząt podczas monitorowania zachowania na tak dużych obszarach i w tak dużych ramach czasowych, ograniczając w ten sposób rodzaj danych, które można zebrać, i wnioski, które można wyciągnąć. Chociaż zastosowanie rejestratorów globalnego systemu pozycjonowania (GPS) montowanych na zwierzętach może zwiększyć prawdopodobieństwo wykrycia zwierząt o dużym zasięgu, dane przestrzenne zebrane za pomocą tych środków mają na ogół bardzo niską rozdzielczość i brakuje im szczegółowego komponentu behawioralnego. W związku z tym dane, które można zebrać w takich okolicznościach, mają ograniczoną wartość dla badania subtelnych różnic w zachowaniu między różnymi grupami lub eksperymentalnych metod leczenia. Podobnie, bezpośrednia, kontrolowana manipulacja zachowaniami celów jest często zabroniona przez skale przestrzenne i czasowe typowe dla zachowań nawigacyjnych, a także przez nieodłączne ograniczenia logistyczne badań terenowych. Znajdowanie zwierząt w ich naturalnym środowisku, łapanie ich i manipulowanie nimi, a następnie zbieranie danych behawioralnych bez nieumyślnego wywoływania fałszywych zachowań to główne wyzwania związane z pracą ze zwierzętami w terenie. W związku z tym projektowanie eksperymentów na zwierzętach żyjących na wolności jest często ograniczone, a możliwość przeprowadzania rygorystycznych, kontrolowanych eksperymentów terenowych dotyczących roli poznania w nawigacji jest ograniczona.
Obecne badanie omija wiele wcześniejszych trudności związanych z badaniem związku między poznaniem a nawigacją w terenie, wykorzystując nowatorskie połączenie manipulacji farmakologicznej i śledzenia w wysokiej rozdzielczości swobodnie poruszających się zwierząt w warunkach polowych. Wykazano, że skopolamina, antagonista muskarynowego receptora acetylocholiny (mAChR), blokuje tworzenie i przywoływanie pamięci przestrzennej poprzez blokowanie aktywności cholinergicznej w mózgach różnych taksonów kręgowców18-24. Skopolamina może być skutecznie stosowana u zwierząt żyjących na wolnym wybiegu w warunkach polowych11, 18 i ma wyraźne, ale tymczasowe działanie (np. 6 - 8 godzin u). Metyloskopolamina, antagonista mAChR, który nie przekracza bariery krew-mózg19-21, może być stosowana do kontrolowania możliwych obwodowych skutków skopolaminy i niepoznawczych aspektów zachowania11. Farmakologia pozwala na precyzyjną manipulację funkcjami poznawczymi poprzez bezpośrednie oddziaływanie na receptory, a precyzyjna telemetria radiowa pozwala na obserwację wynikającego z tego wpływu na zachowanie. Pomiary wykonane za pomocą zdalnej triangulacji z wysoką rozdzielczością przestrzenną (± 2,5 m), jak i czasową (15 min) pozwalają na precyzyjne dokumentowanie i kwantyfikację zachowań zwierząt w odniesieniu do eksperymentalnej manipulacji poznaniem.
To badanie11 zostało przeprowadzone między majem a sierpniem 2013 i 2014 roku w Chesapeake Farms, 3,300 akrowym obszarze badawczym zarządzania dziką przyrodą i rolnictwem w Kent Co., MD, USA (39.194°N, 76.187°W). Protokół obejmuje pięć głównych etapów: (1) chwytanie i obchodzenie się ze zwierzętami, (2) umieszczanie nadajników radiowych, (3) przygotowanie środków farmakologicznych, (4) monitorowanie i manipulowanie ruchami zwierząt oraz (5) analiza danych przestrzennych. Opisane w artykule badania koncentrowały się na żółwiu wschodnim (Chrysemys picta). Żółwie w populacji ogniskowej angażują się w coroczne przemieszczanie się lądowe, w którym opuszczają swoje macierzyste stawy i nawigują do alternatywnych siedlisk wodnych, korzystając z jednej z czterech bardzo precyzyjnych (± 3,5 m), złożonych i wysoce przewidywalnych tras11, 12. Farmakologiczne manipulacje zwierzętami w tym systemie w połączeniu z telemetrią radiową o wysokiej rozdzielczości rzucają światło na rolę funkcji poznawczych w swobodnym poruszaniu się po dzikich zwierzętach.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wszystkie procedury dotyczące zwierząt zostały zatwierdzone przez Instytucjonalne Komitety ds. Opieki i Wykorzystania Zwierząt Franklin and Marshall oraz Washington Colleges i były zgodne ze wszystkimi lokalnymi, stanowymi i federalnymi przepisami.
1. Przechwytywanie i obsługa
2. Mocowanie nadajnika radiowego
3. Przygotowanie farmakologiczne
Uwaga: Bromowodorek skopolaminy i bromek metylu skopolaminy są silnymi antagonistami acetylocholiny. Podczas pracy z tymi lekami należy zapoznać się z kartą charakterystyki substancji niebezpiecznej, używać odpowiedniego sprzętu ochrony osobistej (np. rękawic, dygestoriów) i postępować zgodnie z laboratoryjnymi protokołami bezpieczeństwa, aby uniknąć przypadkowego kontaktu.
4. Śledzenie ruchów żółwi za pomocą telemetrii radiowej11, 12
5. Analiza przestrzenna
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Korzystając z powyższego protokołu, oceniono rolę poznania w nawigacji w populacji wschodnich żółwi malowanych (Chrysemys picta), która doświadczyła sezonowych efemerycznych źródeł wody przez ~100 lat. Populacja ta zamieszkuje mieszankę efemerycznych (osuszanych corocznie i szybko - w ciągu kilku godzin) i stałych siedlisk wodnych (ryc. 1). Wcześniejsze badania sugerują, że po osuszeniu stawów żółwie rezydentne nawigują do alternatywnych źródeł wody z dużą precyz...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedstawiony tu protokół pozwala eksperymentatorowi udokumentować i określić ilościowo rolę poznania w nawigacji. Manipulowanie funkcjami poznawczymi w terenie okazało się trudne, ponieważ większość podejść sprawia, że eksperymentatorzy nie są w stanie wiedzieć, które konkretne aspekty zachowania zwierzęcia są manipulowane. Przedstawiony tu protokół pozwala jednak eksperymentatorowi na dokładne manipulowanie, a tym samym ocenę roli poznania w nawigacji. Technika ta pozwala ponadto eksperymentatorom monitorować nawigację...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
To badanie zostało sfinansowane przez Biuro Rektora Washington College, Middendorf Fund, Hodson Trust oraz Franklin and Marshall's Hackman Fund and College of Grants. Dziękujemy E. Counihanowi, S. Giordano, F. Rauhowi i A. Rothowi za pomoc w terenie. Dziękujemy M. Connerowi, R. Fleegle'owi i D. Starttowi z Chesapeake Farms i Chino Farms za pozwolenie i dostęp. W przygotowaniu map pomógł program GIS Washington College.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Bromek skopolaminy | Sigma | S0929 | USP |
| Bromek metylu skopolaminy | Sigma | S8502, 1421009 | wersje USP i inne niż USP |
| Saline Hanna Pharmaceutical Supply Co., Inc. | 409488850 | USP, sformułowany jako iniekcyjny | |
| Filtr strzykawkowy | Fisher | 09-720-004 | |
| Strzykawka | Fisher | 14-823-30 | |
| Igła podskórna | Fisher | 14-823-13 | |
| Antena | Wildlife Materials | 3-elementowe składane | anteny Yagi z dodatkowymi elementami są dostępne, ale mogą być kłopotliwe w terenie. |
| Odbiornik radiowy | Wildlife Materials | TRX-2000S | Dostępne są również modele wodoodporne. |
| Kompas | Brunton | Truarc 15 | |
| Nadajniki radiowe | Holohil Inc. | BD-2, PD-2, RI-2B | różnią się żywotnością i wyjściem sygnału w zależności od rozmiaru baterii i ustawień częstotliwości impulsów, które można dostosować w zależności od pytania badawczego i organizmu. |
| Konieczny jest koncentryczny GPS | Garmin | eTrex Venture | |
| newegg.com | połączenia BNC | C2G 40026 | |
| Siatka do obręczy | Memphis Net i sznurek | TN325 | Rozmiar oczek sieci należy wybrać na podstawie minimalnego rozmiaru docelowego zwierzęcia. |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie