Usando manipulação farmacológica e de alta precisão Radio Telemetry para estudar a cognição espacial em animais livres de variando

Resumo

Este documento descreve um protocolo romance que combina a manipulação farmacológica da memória e rádio telemetria para documentar e quantificar o papel da cognição na navegação.

Resumo

a capacidade de um animal para perceber e aprender sobre seu ambiente desempenha um papel fundamental em muitos processos comportamentais, incluindo a navegação, a migração, a dispersão e forrageamento. No entanto, a compreensão do papel da cognição no desenvolvimento de estratégias de navegação e os mecanismos subjacentes a estas estratégias é limitado pelas dificuldades metodológicas envolvidas na monitorização, a manipulação de cognição, e rastrear os animais selvagens. Este estudo descreve um protocolo para abordar o papel da cognição na navegação que combina manipulação farmacológica do comportamento com telemetria de rádio de alta precisão. A abordagem utiliza a escopolamina, um antagonista do receptor de acetilcolina muscarínico, para manipular habilidades cognitivas espaciais. Os animais tratados são então monitorados com alta frequência e alta resolução espacial via triangulação remoto. Este protocolo foi aplicado dentro de uma população de Eastern pintado tartarugas (Chrysemys picta), que tem habitadosazonalmente fontes efêmeras de água para ~ 100 anos, movendo-se entre as fontes distantes usando preciso (± 3,5 m), complexo (ou seja, não-linear com alta tortuosidade que atravessar vários habitats) e rotas previsíveis aprendeu antes dos 4 anos de idade. Este estudo mostrou que os processos utilizados por estas tartarugas são consistentes com a formação da memória espacial e recall. Juntos, estes resultados são consistentes com um papel de cognição espacial na navegação complexa e realçar a integração de técnicas e ecológicas farmacológicos no estudo da cognição e de navegação.

Introdução

Cognition (aqui definida como "todos os processos envolvidos na aquisição, armazenamento e uso de informações provenientes do meio ambiente" ¹⁾ é central para uma variedade de tarefas de navegação complexos ^2. Por exemplo, guindastes de Sandhill (Grus canadensis) mostram uma acentuada melhoria na precisão migratória com a experiência ^3, e marca espécies de tartarugas marinhas em suas praias Natal como filhotes e retornar como adultos ^4-6. Da mesma forma, bem-sucedida migração, dispersão e forrageamento dobradiça sobre a capacidade de um animal para reunir informações sobre seu ambiente espacial ^7,8. Alguns animais parecem aprender as rotas de navegação em relação às características específicas da paisagem ⁹ e pode usar cognição espacial quando se deslocam entre nidificação e alimentação áreas ^10. Trabalhos recentes sobre tartarugas pintadas Oriental (Chrysemys picta) sugere um período crítico na navegação, onde a navegação bem sucedida do habitat de sequeiro como adultos depende de juveexperiência Nilo dentro de uma estreita faixa etária (<4 anos de idade ^11-13). Embora em conjunto, estes estudos demonstram o progresso que tem sido feito na compreensão do papel da aprendizagem na navegação ^{4-6, 14-16,} os mecanismos subjacentes a esses comportamentos e o papel cheio de cognição na navegação permanecerá enigmático, especialmente em vertebrados ^{8, 17 , 18.}

As investigações de campo sobre o papel da cognição na navegação são raros ^{2, 8, 18,} em grande parte devido às dificuldades metodológicas envolvidas na monitorização, manipular e rastreamento de animais selvagens. Por exemplo, os grandes escalas espaciais e temporais em que muitos animais navegar muitas vezes impede a investigar tanto o tipo de informação que esses animais potencialmente aprender e como essa informação é adquirida. Experimentadores muitas vezes enfrentam as dificuldades logísticas de detecção e localização de animais quando monitorando o comportamento sobre tais áreas grandes e prazos, limitando assim o tipode dados que podem ser recolhidos e as conclusões que podem ser extraídas. Embora o uso de sistema de posicionamento global montado animal (GPS) gravadores podem aumentar a probabilidade de detecção de animais que variam amplamente, os dados geográficos recolhidos por estes meios são geralmente muito de resolução grosseira e carecem de um componente comportamental detalhada. Consequentemente, os dados que podem ser recolhidos sob tais circunstâncias são de valor limitado para a análise sutil variação no comportamento entre os diferentes grupos ou tratamentos experimentais. Da mesma forma, a manipulação direta, controlado de comportamentos alvo é muitas vezes proibida pelas escalas espaciais e temporais típicos de comportamentos de navegação, bem como por restrições logísticas inerentes a estudos de campo. Encontrar animais em seu habitat natural, captar e manipulá-los, e, em seguida, a coleta de dados comportamentais sem produzir inadvertidamente comportamentos espúrios são grandes desafios de trabalhar com animais no campo. Por conseguinte, o desenho de experiências em FRee-variando animais é muitas vezes limitado ea capacidade de realizar rigorosos, experimentos de campo controlados sobre o papel da cognição na navegação é limitada.

O presente estudo contorna muitas das dificuldades anteriores de investigar a relação entre cognição e navegação no campo usando uma combinação nova de manipulação farmacológica e rastreamento de alta resolução de animais que navegam livremente em condições de campo. A escopolamina, um antagonista do receptor de acetilcolina muscarínicos (mAChR), foi mostrado para bloquear a formação de memória espacial e Sensibilidade por bloquear a actividade colinérgica nos cérebros de uma variedade de taxa vertebrado ^18-24. A escopolamina pode ser utilizada de forma eficaz em animais de vida livre sob condições de campo ^{11, 18} e tem um efeito marcado mas temporária (por exemplo, 6-8 horas em répteis). Metilescopolamina, um antagonista de mAChR que não atravessa a barreira sangue-cérebro-barreira ^19-21, pode ser usado para controlaros possíveis efeitos periféricos da escopolamina e para aspectos não cognitivos de comportamento ^11. Farmacologia permite a manipulação precisa de cognição por receptores que afectam directamente, e radio-telemetria alta precisão permite a observação dos efeitos que resultam em comportamento. As medições efectuadas por meio de triangulação remoto com tanto alta espacial (± 2,5 m) e de resolução temporal (15 minutos) para permitir que a documentação precisa e quantificação do comportamento animal em relação à manipulação experimental da cognição.

Este estudo ¹¹ foi realizado entre Maio e Agosto de 2013 e de 2014, Chesapeake Farms, uma área de pesquisa gestão da vida selvagem 3.300 acre e da agricultura em Kent Co., MD, EUA (39,194 ° N, 76,187 ° W). O protocolo envolve cinco etapas principais: (1) a captura e manipulação de animais (2) A aposição de transmissores de rádio (3) preparar os agentes farmacológicos (4) monitoramento e manipular os movimentos dos animais, e (5) analisando dados espaciais. O estudo aqui descrito focado no Oriente tartaruga pintada (picta do Chrysemys). Tartarugas na população focal envolver em movimentos terrestres anuais em que deixam suas lagoas inicial e navegue até habitats aquáticos alternativos usando um dos quatro muito precisas (± 3,5 m), complexas e altamente previsíveis rotas ^{11, 12.} Manipulação farmacológica de animais em este sistema emparelhado com radiotelemetria de alta resolução lança luz sobre o papel da cognição em navegar livremente animais selvagens.

Protocolo

Todos os procedimentos que envolvem indivíduos animais foram aprovados pelos Comitês Institucionais de Animais cuidado e uso de Franklin and Marshall e Washington Faculdades e seguiu todos os regulamentos locais, estaduais e federais.

1. Captura e manuseamento

1. Coloque armadilhas de argola no organismo alvo de água que é conhecido por conter tartarugas. Identificar a profundidade da água assegurando que 4 - 5 polegadas da armadilha permanece acima da água para permitir que as tartarugas presas à superfície e respirar. Certifique-se de expandir e garantir armadilhas de argola ao seu comprimento máximo com as vigas transversais para impedir o colapso armadilha. armadilhas estaca no leito do corpo de água para evitar deriva.
2. Armadilhas com iscas com vários peixes mortos, fígado de galinha, ou pescoços de frango, uma lata de comida de gato, e / ou uma lata de legumes ^25.
3. Verifique armadilhas duas vezes por dia e remover tartarugas. Ao remover as tartarugas das armadilhas, mantenha animais ao lado e tome cuidado para não se ferir com garras ou bico.
   1. Lançamento by-catch. Rémontar armadilhas se trapping continuou é desejada. Avaliar o estado de isca. Se o isco foi consumido, adicionar mais. Puxe armadilhas para escorar se trapping adicional não é desejado.
4. Determinar o sexo e idade das tartarugas se desejado ^{26, 27.}
5. Coloque tartaruga em um saco de exploração e medir a massa corporal com uma balança de mola ao g mais próximo.
6. tartarugas de transporte para o laboratório em caixas de transporte climatizados com uma pequena quantidade de água. Casa animais individualmente em aquários com água da lagoa não tratada realizada em aproximadamente 25 ° C e profundo o suficiente para cobrir apenas a cabeça.

2. Transmissor Rádio Aposição

1. Para maximizar a vida transmissor e saída, escolher o maior transmissor de rádio possível que não exceda 5% do animal de massa corporal ^28.
2. Identificar a localização da colocação do transmissor na carapaça aproximadamente a meio caminho entre a linha média e a borda lateral da carapaça aproximadamente 1/3 do Llength-se a partir da borda traseira da carapaça.
3. Prepare a área, removendo a lama, detritos e crescimento de algas com um pano seco. área de Swab com 70% de isopropanol.
4. Anexar transmissor com uma pequena quantidade de 5 min epoxi. Orientar o transmissor para maximizar o contacto com a superfície da carapaça. Posicionar a antena de modo a que está atrás do animal paralelo ao eixo longitudinal do corpo.
5. Uma vez posicionados adequadamente, cobrir todo o transmissor e aproximadamente 1 cm da superfície da carapaça dos arredores com 5 min de epóxi.
6. Voltar a tartaruga para o aquário e permitir que o epóxi para curar durante a noite.

3. Farmacológico Preparação

Cuidado: bromidrato de escopolamina e brometo de metilo escopolamina são antagonistas potentes de acetilcolina. Ao trabalhar com esses medicamentos, consulte a Ficha de Materiais de Segurança, use equipamento de protecção individual adequado (por exemplo, luvas, exaustor), e seguir os protocolos de segurança laboratorial para evitar accidencontato tal.

1. A utilização de suprimentos estéreis e antipyrogenic, compor uma solução de estoque de bromidrato de escopolamina. Pesar a quantidade desejada de droga sobre uma balança analítica. Misture a escopolamina com solução salina injectável num tubo cónico com a concentração de 1 mg / ml. solução de vórtice até à dissolução. Certifique-se de que a pureza química dos produtos químicos de base atende ou excede United States Pharmacopeia (USP) formulação, quando possível ^11.
2. Repita o passo 3.1 com brometo de metilo escopolamina.
3. Processo de solução através de um nylon de poros de 0,22 um ou ésteres mistos de celulose seringa de filtro para um frasco de soro estéril selado.
4. Armazenar em temperatura ambiente. Utilizar no prazo de 24 horas.

4. Movimentos Pista tartaruga Usando Radio Telemetry ^{11, 12}

1. Mover para a localização geral do animal-alvo, mantendo-se, pelo menos, 25 m do animal. Usando uma antena Yagi direcional e definir o ganho do receptor em média, digitalizar o horizpara determinar a direção áspera e localização do animal. Ao receber a interferência ou um sinal fraco, encontrar uma nova posição. Aumentar a elevação ou mantenha Yagi no ar quando possível para melhorar o sinal.
2. Uma vez que um local adequado é encontrado para ter um rolamento, gravar a sua posição com um GPS.
3. Utilizando o método nulo / pico ^28, determinar os rolamentos do nulos esquerdo e direito.
   1. Identificar a direcção do sinal mais forte. Ligue o ganho para baixo tanto quanto possível enquanto continua a receber um sinal detectável. Utilize o interruptor atenuador do receptor se assim equipado. Mover a antena para a esquerda e gravar o rumo no qual o sinal se perde.
   2. Repita o passo anterior para o rolamento direito.
4. Repetir o passo 4.3 a partir de pelo menos dois locais adicionais para o mesmo animal.
   NOTA: Estes pontos adicionais devem ser tomadas de modo a rodear o animal.
   1. Quando um conjunto de rolamentos é feita a partir de uma excelent distância ou com a interferência inevitável, tomar pelo menos dois rolamentos adicionais para aumentar a precisão. Recolhe conjuntos de rolamentos utilizados para estimar um único local tão rapidamente quanto possível, especialmente se o animal se move.
      NOTA: Como alternativa, várias pessoas podem coordenar a tomar vários rolamentos independentes no mesmo animal simultaneamente.
5. locais recordes de animais digitalmente ou por mão a cada 10 - 15 minutos utilizando os passos acima.
6. Manipulação de processamento cognitivo
   1. Uma vez caminho do animal unmanipulated está documentado (um controle intra-sujeitos), fornecer uma dose de qualquer escopolamina ou metilescopolamina. Utilizando a massa recolhida na etapa 1.5, calcular a quantidade de fármaco a ser dado ao animal para alcançar uma dose final específico do réptil de 6,4 mg / kg de escopolamina ou 6,8 mg / kg de metilescopolamina ^{19, 20.}
   2. Entregar a droga diretamente no peritônio através do seio peritoneal caudal usando um 1,0 ml seringa com uma agulha de calibre 22. Certifique-se de que o volume total entregue não ultrapasse 1 ml.
   3. Solte animais o mais rápido possível no seu local de captura.
   4. Continuar a acompanhar o movimento do animal a cada 10 - 15 minutos até que ele chegue ao seu destino previsto.

5. Análise Espacial

1. Calcule estimativas de localização de animais.
   1. Para cada conjunto de rolamentos nulos, bissetriz do ângulo (manualmente ou via software) para encontrar o rolamento transmissor resultante. Repita o procedimento para todos os rolamentos em um determinado ponto no tempo.
   2. Usando o software de triangulação de acordo com o protocolo do fabricante, estimar a posição do animal e erro associado com os vários rolamentos do transmissor. Converter as estimativas de posição para as coordenadas x / y se o software fornece uma saída diferente.
2. Repita os passos 5.1 para todos os conjuntos de rolamentos.
3. Calcule a precisão espacial do movimento.
   1. Calcula-se amédia geométrica cumulativa (ou seja, o caminho médio) de animais não manipuladas (controle negativo) como eles se movem em direção a sua meta ^12.
   2. Para cada indivíduo nos grupos de tratamento e de controlo positivo, calcular o número acumulado de pontos que se sobrepõem faixas sucessivamente maiores a partir da linha média geométrica em 5 m intervalos de até 100% de todos os pontos foram incluídos ^{11, 12.}
   3. Calcula-se a média e o erro padrão em cada distância de faixa para todos os indivíduos em cada grupo.
   4. Analisar estatisticamente os dados, comparando entre os grupos de tratamento, quer para o intervalo de acomodar 100% dos pontos ou os pontos de sobreposição num dado intervalo, dependendo da questão.

Resultados

Usando o protocolo acima, o papel da cognição na navegação foi avaliada em uma população de Eastern pintado tartarugas (Chrysemys picta), que tem experimentado fontes de água efémeros sazonais para ~ 100 anos. Esta população habita uma mistura de efémero (drenado anualmente e rapidamente - em vários hr) e habitats aquáticos permanentes (Figura 1). Estudos anteriores sugerem que, após suas lagoas são drenados, tartarugas residentes navegar para fontes alternativa...

Discussão

O protocolo aqui apresentado permite que o experimentador para documentar e quantificar o papel da cognição em navegação. Manipulando cognição no campo tem sido difícil, como a maioria das abordagens deixar experimentadores incapazes de saber quais aspectos específicos do comportamento do animal estão sendo manipulados. No entanto, o protocolo aqui apresentado permite que o experimentador para manipular com precisão e, assim, avaliar o papel da cognição em navegação. A técnica permite ainda experimentadores para monitor...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Brometo de escopolamina	Sigma	S0929	USP
Brometo de metilolamina	Sigma	S8502, 1421009	versões USP e não USP
Saline	Hanna Pharmaceutical Supply Co., Inc.	409488850	USP, formulado como um injetável
Filtro de seringa	Fisher	09-720-004
Seringa	Fisher	14-823-30
Agulha hipodérmica	Fisher	14-823-13
Antena	Wildlife Materials	Elementos Dobráveis Yagi	Antenas com elementos adicionais estão disponíveis, mas podem ser incômodas no campo.
Receptor de rádio	Wildlife Materials	TRX-2000S	Modelos resistentes à água também estão disponíveis.
Bússola	Brunton	Truarc 15
Transmissores de rádio	Holohil Inc.	BD-2, PD-2, RI-2B	variam em vida útil e saída de sinal em função do tamanho da bateria e das configurações de taxa de pulso, que podem ser personalizadas com base na questão do estudo e no organismo.
GPS	Garmin	eTrex Venture
Cabo coaxial	newegg.com	conexões C2G 40026	BNC são necessárias.
Rede de aro	Memphis Net e Twine	TN325	deve ser escolhido com base no tamanho mínimo do animal alvo.