Ocena uczenia się przestrzennego i pamięci u małych łuskowatych

Podsumowanie

Ten artykuł opisuje modyfikację labiryntu Barnesa, standardowego paradygmatu gryzoni używanego do oceny pamięci przestrzennej i uczenia się, do stosowania u małych łuskonośnych.

Streszczenie

Badania kliniczne wykorzystują różne paradygmaty do oceny spadku funkcji poznawczych, zwykle koncentrując się na zdolnościach uczenia się przestrzennego i pamięci. Jednak zainteresowanie procesami poznawczymi gatunków niemodelowych, zazwyczaj w kontekście ekologicznym, stało się również nową dziedziną badań. W szczególności rośnie zainteresowanie procesami poznawczymi u, chociaż badania eksperymentalne nad poznaniem są nieliczne. Nieliczne badania nad, które eksperymentalnie testowały uczenie się przestrzenne i pamięć, wykorzystywały paradygmaty gryzoni zmodyfikowane do stosowania u. Jednak ważne ekologicznie aspekty fizjologii i zachowania tej grupy taksonomicznej muszą być brane pod uwagę podczas testowania poznania opartego na przestrzeni. W tym miejscu opisujemy modyfikacje labiryntu Barnesa na suchym lądzie i związany z nim protokół testowy, które mogą poprawić wydajność podczas sondowania zdolności uczenia się przestrzennego i zapamiętywania u małych łuskowatych. Opisany paradygmat i procedury zostały z powodzeniem zastosowane w przypadku samców jaszczurek z plamami bocznymi (Uta stansburiana), wykazując, że uczenie się przestrzenne i pamięć można ocenić w tej grupie taksonomicznej za pomocą ekologicznie odpowiedniego aparatu i protokołu.

Wprowadzenie

Wiele chorób neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Alzheimera, objawia się postępującym spadkiem zdolności poznawczych, zazwyczaj równocześnie z degradacją mózgu^1-4. Aby przetestować wpływ uszkodzenia i degradacji mózgu na procesy poznawcze, w badaniach klinicznych wykorzystano zalety modelowych gatunków gryzoni oraz standaryzację aparatury testowej i protokołu. W szczególności procesy uczenia się przestrzennego i pamięci zostały ocenione za pomocą kilku standardowych paradygmatów, takich jak labirynt wodny Morrisa, labirynt Barnesa i labirynt ramienia promieniowego (kompleksowy przegląd tych i innych paradygmatów znajduje się w ^5,6). Bogata historia tych paradygmatów uczenia się przestrzennego i pamięci okazała się całkiem udana, pozwalając naukowcom zrozumieć wiele aspektów i niuansów związku między ludzką pamięcią, funkcjonowaniem mózgu i chorobami.

Podczas gdy ocena procesów poznawczych jest badana w badaniach klinicznych od dłuższego czasu, badania ukierunkowane na zdolności poznawcze gatunków niemodelowych są stosunkowo nowe. Naukowcy badający procesy poznawcze u gatunków niemodelowych są zazwyczaj zainteresowani ekologicznym i ewolucyjnym znaczeniem procesów poznawczych, szczególnie w kontekście przetrwania i reprodukcji. Niektóre badania na sugerują, że zaawansowane zdolności poznawcze, w szczególności pamięć przestrzenna, mogą leżeć u podstaw niektórych zachowań, szczególnie tych dotyczących nawigacji i orientacji. Jednakże, podczas gdy wiele badań wykazało, że mogą zmienić orientację po przemieszczeniu^7,8, mechanizmy poznawcze leżące u podstaw zachowań reorientacjowych nie zostały jeszcze rozdzielone. Z tego powodu w niektórych badaniach podjęto próbę eksperymentalnej oceny znaczenia uczenia się przestrzennego i pamięci podczas nawigacji^9-17. Metodologia w tych badaniach jest głównie wzorowana na paradygmatach i protokołach gryzoni, czasami modyfikowanych do stosowania u, ale badania te odniosły zmienny sukces w ocenie pamięci przestrzennej. Niektóre badania wykazały uczenie się przestrzenne i pamięć u niektórych gatunków^{w wieku 11-17} lat, podczas gdy inne badania nie wykazały takich^9,10. W związku z tym rola lub istnienie uczenia się przestrzennego i pamięci podczas nawigacji u jest nadal niejasna.

Jedną z kwestii, która może być problematyczna podczas eksperymentalnej oceny przestrzennego uczenia się i pamięci u, jest ekologiczne znaczenie zadania. są specjalną grupą taksonomiczną znacznie różniącą się od gryzoni, wykazującą dużą zmienność w ekologii, zachowaniu i fizjologii. Różnice w zachowaniu między gatunkami mogą mieć wpływ na ocenę przestrzennych zdolności poznawczych, zwłaszcza jeśli zastosowany paradygmat nie wykorzystuje naturalnego zachowania. Na przykład u gatunku, który zazwyczaj szuka schronienia w małych szczelinach, zdolności przestrzenne można łatwo ocenić za pomocą labiryntu Barnesa, podczas gdy labirynt ten może nie być idealnym wyborem paradygmatu u gatunku, który zazwyczaj pozostaje nieruchomy. Podobnie, większość łuskokształtnych nie jest wodnia, a zatem labirynt wodny Morrisa może nie być odpowiednim wyborem do testowania uczenia się przestrzennego i pamięci (ale patrz¹⁵); Jednak ten labirynt może być idealnym wyborem do testowania zdolności przestrzennych w Turtles¹⁶. Wreszcie, należy wziąć pod uwagę fizjologię tej grupy, ponieważ są ektotermiczne i podczas procedury badawczej należy wziąć pod uwagę właściwe utrzymanie temperatury, w szczególności podłoża.

Przedstawiony tutaj protokół i paradygmat były używane do badania uczenia się przestrzennego i pamięci u dorosłych jaszczurek z plamami bocznymi (Uta stansburiana)¹³, małej jaszczurki, która zazwyczaj ucieka przed drapieżnikami do małych szczelin w skałach¹⁸. Znając ten aspekt historii naturalnej i zachowania gatunku, użyliśmy modyfikacji tradycyjnego labiryntu Barnesa, aby przetestować uczenie się przestrzenne i pamięć. Labirynt Barnesa jest labiryntem na suchym lądzie i jest zwykle używany do testowania poznania przestrzennego w modelach gryzoni. Zmodyfikowaliśmy nasz labirynt na kilka sposobów w stosunku do labiryntu gryzoni, zarówno pod względem projektu, jak i protokołu (opisanego poniżej). Nasz labirynt składał się z okrągłej platformy z 10 otworami w równej odległości od siebie na obwodzie platformy (rysunek 1). Opisany tutaj protokół obejmuje uczestnika biorącego udział w próbach treningowych, aby dowiedzieć się, gdzie znajduje się do bramki, a następnie, gdy podmiot pozna lokalizację dołka bramkowego, próba sondy jest używana do ustalenia użycia pamięci przestrzennej podczas nawigacji do celu.

Protokół

Wszystkie procedury zostały zatwierdzone przez Komitet ds. Opieki i Użytkowania Zwierząt Uniwersytetu Stanowego Penn (IACUC - ID protokołu: 43242) i przestrzegały wszystkich lokalnych, stanowych i federalnych przepisów.

1. Przygotowanie

1. Kup lub zbuduj labirynt Barnesa, upewniając się, że otwory na bramki mają odpowiedni rozmiar dla interesującego Cię gatunku. Do tego protokołu użyj siedmiu dorosłych jaszczurek z plamami bocznymi (Uta stansburiana). Określ odpowiednią wielkość próby do badań z wykorzystaniem innych gatunków.
   1. Jeśli budujesz labirynt Barnesa, kup dowolny standardowy, nieporowaty okrągły stół (106 cm średnicy), podniesiony 76,2 cm nad podłogą.
   2. Za pomocą taśmy mierniczej zaznacz 10 jednakowo odległych punktów oddalonych od siebie o 26 cm na obwodzie stołu i 6.35 cm od krawędzi stołu. Użyj 10 otworów, podczas gdy labirynty gryzoni zazwyczaj mają więcej otworów. Pozwala to na zmniejszenie liczby opcji ucieczki.
   3. Za pomocą otwornicy (o średnicy 2,54 cm) wywierć wszystkie 10 otworów na bramkę i przeszlifuj ostre krawędzie.
   4. Zamontuj cztery kołki podtrzymujące półki pod każdym otworem za pomocą, używając obudowy domowej jako prowadnicy wymiarów.
2. Umieść labirynt w cichym pomieszczeniu z jasnym oświetleniem górnym i dostępnymi wskazówkami przestrzennymi do nawigacji (drzwi, szafki itp.).
3. Zamontuj kamerę internetową z autofokusem i obiektywem szerokokątnym (11,3 cm x 3,99 cm) lub inną odpowiednią kamerę bezpośrednio nad labiryntem. Upewnij się, że pole widzenia z kanału wideo obejmuje cały labirynt.
4. Umieść komputer i fotel obserwatora w odległości co najmniej 1 m od labiryntu.
5. Zaznacz nogi labiryntu na podłodze trwałym markerem lub taśmą. Pozwala to na skorygowanie każdego najdrobniejszego ruchu labiryntu w trakcie trwania prób.
6. Losowo przypisz jeden z otworów jako "1" i ponumeruj pozostałe otwory kolejno przez "10". Za pomocą markera permanentnego napisz liczby wzdłuż boku zewnętrznej strony labiryntu, aby ułatwić odniesienie. Upewnij się, że numery nie są widoczne dla zwierzęcia w labiryncie.
7. Losowo przypisz w bramkach do obiektów za pomocą generatora liczb losowych.

2. Próby treningowe

UWAGA: mają preferowaną temperaturę ciała, którą można uzyskać z literatury. Jeśli zwierzęta staną się ospałe po wielu próbach treningowych, labirynt może być zbyt chłodny, co może wpłynąć na zachowanie. Mały grzejnik lub taśma grzewcza na spodzie labiryntu może odpowiednio zwiększyć temperaturę powierzchni labiryntu, najlepszy wskaźnik termiczny temperatury ciała, aby utrzymać optymalną temperaturę ciała i wydajność behawioralną.

1. Jeśli osoby badane są trzymane poza pomieszczeniem do przeprowadzania testów, należy wprowadzić zwierzęta z ich domowych wybiegów do pomieszczenia co najmniej 30 minut przed badaniem. Upewnij się, że zapewniłeś ciepło w obudowach domowych (np. lampach grzewczych, taśmie grzewczej), aby utrzymać temperaturę ciała przed badaniem.
   1. Otwórz oprogramowanie śledzące i aplikację kamery internetowej dla kanału wideo. Niestandardowe oprogramowanie do śledzenia zostało napisane dla Matlaba i zestawu narzędzi do przetwarzania obrazu; Inne oprogramowanie śledzące jest dostępne na rynku.
   2. Oceń pole widzenia z kanału wideo. Jeśli labirynt nie znajduje się w polu view, sprawdź, czy labirynt znajduje się w obrębie znaków na podłodze.
   3. Otwórz arkusz roboczy zawierający informacje o dacie, godzinie rozpoczęcia/zakończenia prób szkoleniowych, identyfikatorze podmiotu, przypisanym otworze celu, liczbie przeprowadzonych prób treningowych, notatkach i inicjałach obserwatora.
   4. Losowo wybierz kolejność, w jakiej badani będą testowani. Badaj obiekty w sposób systematyczny.
2. Usuń pierwszy obiekt z jego klatki domowej i delikatnie umieść go w środku labiryntu. Umieść plastikową wannę nad zwierzęciem; W ten sposób zapobiega się nieświadomym uprzedzeniom orientacyjnym badacza. Odczekaj 30 sekund, aby się zaaklimatyzować.
3. Zamontuj klatkę domową zwierzęcia pod labiryntem, bezpośrednio pod przypisanym otworem na bramkę, wsuwając górną część wybiegu w mocowania kołków. Upewnij się, że wygrzewająca się skała w klatce domowej znajduje się bezpośrednio pod otworem, który posłuży jako grzęda, gdy zwierzę zejdzie do. W tym momencie użycie wskazówek termicznych lub chemicznych obudowy domowej do użytku w nawigacji nie ma znaczenia.
   1. Labirynty gryzoni wykorzystują czysty wybieg jako ucieczkę dla obiektu. Zachęcaj jednak do wchodzenia do nory podczas prób treningowych, montując domowy wybieg zwierzęcia pod labiryntem.
4. Delikatnie zdejmij plastikową wannę z górnej części labiryntu.
5. Rozpocznij nagrywanie próby szkoleniowej za pomocą aplikacji kamery internetowej.
   1. Pozwól badanej osobie eksplorować labirynt przez 10 minut. Jeśli zdarzy się coś nietypowego, zanotuj to w arkuszu.
   2. Jeśli obiekt upadnie lub ucieknie ze stołu, delikatnie przywróć go na środek labiryntu. Kontynuuj mierzenie czasu i nagrywanie, jeśli zwierzę jest poza labiryntem przez 30 sekund lub krócej. Jeśli osoba badana znajduje się poza labiryntem przez więcej niż 30 sekund, przerwij próbę. Zapisz te informacje w sekcji notatek skoroszytu.
   3. Jeśli tester zejdzie do dołka bez pomocy, uznaj próbę za zakończoną w tym czasie.
   4. Jeśli tester nie zejdzie do dołka, uznaj próbę za zakończoną po upływie 10 minut.
6. Jeśli obiekt nie zejdzie do dołka po 10 minutach, ręcznie delikatnie poprowadź zwierzę, głową do przodu, do odpowiedniego dołka bramki.
7. Zatrzymaj wideo i oprogramowanie śledzące. Zapisz materiał wideo.
8. Pozwól testerowi odpocząć przez co najmniej 2 minuty w jego domowej obudowie, podczas gdy obudowa jest nadal zamontowana pod labiryntem.
9. Za pomocą butelki z rozpylaczem i ręczników papierowych wyczyść górną część labiryntu rozcieńczoną mieszanką mydła w proporcji 1:10 z wodą. Wyklucza to użycie wskazówek chemicznych podczas poruszania się po labiryncie. Niektóre gatunki, szczególnie te, które intensywnie wykorzystują informacje chemosensoryczne, wymagają dodatkowego spłukiwania labiryntu gorącą wodą, aby wyeliminować wszelkie sygnały zapachowe.
10. Usuń ogrodzenie spod labiryntu i powtórz próbę treningową z tą samą osobą lub nową osobą. Każdy uczestnik może być poddany maksymalnie 5 próbom treningowym dziennie, z 30-minutowym odstępem między próbami danej osoby.
11. Powtarzaj tę procedurę, aż tester zejdzie do dołka bez pomocy, w 3 różnych próbach treningowych, wskazując, że nastąpiło nauczenie się lokalizacji celu. Trzy próby szkoleniowe nie muszą następować po sobie. Jeśli badany spełnia to kryterium, przechodzi do próby sondy w celu oceny pamięci przestrzennej.

3. Próby sondy

UWAGA: Gdy podmiot osiągnie kryterium, nauczy się nawigować do celu. Jednak w tym momencie nadal nie jest jasne, czy obiekt nawiguje za pomocą strategii przestrzennej, czy jakiejś innej strategii nawigacyjnej. Próby sondy testują to i powinny być wykonane następnego dnia po tym, jak badany osiągnie kryterium w próbach treningowych.

1. Obróć labirynt o 180°, upewniając się, że nogi labiryntu znajdują się w śladach na podłodze. Rotacja labiryntu pozwala na to, aby lokalne wskazówki, które bezpośrednio identyfikują cel, były w bezpośrednim konflikcie z bardziej stabilnymi wskazówkami przestrzennymi.
2. Powtórz kroki 2.1 - 2.5.2, pomijając krok 2.3 dotyczący montażu obudowy domowej obiektu pod labiryntem. Wyklucza to użycie węchowych lub innych sygnałów emanujących z wybiegu domowego podczas eksploracji labiryntu.
3. Podczas prób sondowych badani mogą swobodnie eksplorować labirynt przez pełne 10 minut, aby ocenić zachowanie eksploracyjne. Po 10 minutach zatrzymaj wideo i oprogramowanie śledzące.
4. Usuń obiekt z labiryntu i umieść go z powrotem w klatce domowej.
5. Oczyść górną część labiryntu rozcieńczoną mieszanką mydła.

4. Miary behawioralne

UWAGA: Dla prób treningowych uwzględnij miary behawioralne, takie jak opóźnienie do dotarcia do dołka, liczba popełnionych błędów (badanie dołka bez bramki; pysk zwierzęcia musi znajdować się w odległości 1 cm od dołka) oraz proporcja czasu spędzonego w odpowiedniej ćwiartce labiryntu.

1. W przypadku prób szkoleniowych określ strategię wyszukiwania. Strategia bezpośrednia jest definiowana jako zejście do dołka bramkowego z mniej niż 3 błędami. Strategia seryjna polega na zbadaniu 3 lub więcej kolejnych w labiryncie wzdłuż obwodu labiryntu. Strategia losowa polega na nieseryjnym badaniu w labiryncie z 3 lub więcej błędami.
   UWAGA: W przypadku prób sondowych miary behawioralne obejmują opóźnienie w dotarciu do przestrzennie poprawnej, liczbę błędów popełnionych przed zbadaniem przestrzennie poprawnej oraz proporcję czasu spędzonego w przestrzennie poprawnym kwadrancie labiryntu.
2. Aby uzyskać bardziej rygorystyczną ocenę nielosowego wyboru przestrzennie poprawnego dołka bramkowego, przy obliczaniu współczynnika szansy należy zastosować próbkowanie bez wymiany.

Wyniki

Ten protokół pozwala na eksperymentalną ocenę nawigacji opartej na przestrzeni u małych jaszczurek. W poprzednim badaniu z powodzeniem wykorzystano ten protokół do zbadania nawigacji przestrzennej u samców jaszczurek z plamami bocznymi¹³. W tym konkretnym badaniu mężczyźni zostali przeszkoleni w nawigowaniu do dołka bramkowego, a po osiągnięciu kryterium przeszli do próby sondy, aby ocenić wskazówki priorytetowe podczas nawigacji do dołka bramkowego.

Dyskusja

Podczas eksperymentalnych testów uczenia się przestrzennego i pamięci, istnieje kilka ważnych problemów koncepcyjnych, które zostały poruszone w niektórych głównych krokach protokołu. Po pierwsze, badani muszą wykazać, że uczą się lokalizacji dołka do bramki w trakcie prób treningowych. Osiągnięcie ustalonego kryterium pokazuje, że poznanie lokalizacji dołka bramki miało miejsce. Jeśli badani nie poznają lokalizacji dołka bramkowego, nie ma wykonalnego sposobu, aby następnie określić strategię nawigacyjną. Jeśli zwierzęt...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Labirynt Barnes	TSE Systems	302050-BM/M	Dostępne u innych dostawców. Alternatywnie, labirynt Barnesa może być zbudowany ze standardowego, nieporowatego okrągłego stołu.
Taśma grzewcza	Big Apple Pet Supply		Może również korzystać z małego grzejnika umieszczonego na podłodze pod labiryntem.
Opiekun małych zwierząt	Petco	1230204	Obudowa obudowy, którą można zamontować pod labiryntem.
Niklowane kołki podtrzymujące półki	Newegg	241941	Kołki przymocowane do spodu labiryntu. Zabezpiecza obudowę do labiryntu podczas prób.
Kamera internetowa LifeCam Studio	Microsoft	Q2F-00013	Dostępne u innych dostawców. Można również używać kamer internetowych innych marek.
Oprogramowanie śledzące	Kod napisany specjalnie dla Matlab i oprogramowania do śledzenia wideo Image Toolbox		. Można użyć innego oprogramowania śledzącego, takiego jak VideoMot 2 firmy TSE Systems.