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Behavior

Die Nutzung des Puzzlespiel-Kasten als Mittel zur Bewertung der Wirksamkeit von Umwelt Enrichment

Published: December 29, 2014 doi: 10.3791/52225
Automatic Translation
1, 1,2, 1, 1
1Discipline of Physiology, University of Sydney, 2Bosch Animal Behavioural Facility, University of Sydney

Introduction

Umweltanreicherung (EE) als Umgebung, die Tiere mit einer erhöhten Chance für die soziale Interaktion, Motorik und größere sensorische Stimulation als normalerweise in einem Standard-Labor environment.EE erlebt bieten hat gezeigt, dass durchgängig auf das Verhalten der Tiere, was zu definieren Veränderungen wie Reduktion von Stress und Angst im Zusammenhang mit Aktivitäten 8-10, verbesserte Leistung bei Lern- und Gedächtnisaufgaben 8,11, frühe Beginn der motorischen Koordination und explorative Aktivität 11, Änderungen der mütterlichen Fürsorge 8 sowie Beständigkeit gegenüber Suchtmitteln 12- 15. Ferner EE offenbart worden, um die Auswirkungen von neurodegenerativen Erkrankungen zu lindern, Verzögerung des Einsetzens und Verringern der Schwere der Symptome im Tiermodell der Huntington-1-4,16, Parkinson-17 und Alzheimer 18.

Diese Veränderungen corbetreffen den anatomischen und molekularen Veränderungen EE ist bekannt, im Gehirn zu induzieren. Tiere in angereicherten Umgebungen von frühen Stadien der Entwicklung erhöht zeigen eine Vielzahl von neuronalen Veränderungen, einschließlich der erhöhten Hirngewicht und Rindendicke, dendritischen Verzweigungs 9,2-22 und Synapsendichte 23. EE kann sowohl die Höhe und den Zeitpunkt der Wachstumsfaktor Ausdruck 9,24-30, die gezeigt wurde, um zu einer beschleunigten Entwicklung von sensorischen 25,26,28,29, mnemonic 30 sowie Motorschaltungen 31,32 beitragen verändern.

Frühere Arbeiten haben manchmal widersprüchliche Ergebnisse zeigten bei der Untersuchung der Auswirkungen von EE, ohne Rücksicht auf die verschiedenen Arten von Tieren und die Umwelt in den einzelnen Studien 9,24,27,30 benutzt. Zur Zeit gibt es keine einheitliche und einfache Verhaltens Aufgabe, die verwendet werden können, um die Wirksamkeit der verschiedenen EE Paradigmen in verschiedenen Stämmen und spec messener Jahren von Tieren.

Das Puzzle Box Aufgabe wurde als einfacher Test, um festzustellen Mutter Problem eines Tieres Lösungsfähigkeit 7 konzipiert. Tiere in den offenen Bereich platziert sind erforderlich, um zu entfernen behindern Vormaterialien in eine kleine Öffnung, um einen überdachten Bereich / Unterkünfte zugreifen entfernt. Jedes Thema wird von drei Studien mit der gleichen Behinderung, um die drei verschiedenen kognitiven Eigenschaften beurteilen gegeben. Die erste Studie liefert einen Ausgangswert Anzeige des inhärenten oder native Problemlösungsfähigkeit. Die zweite Studie, am selben Tag ausgeführt wird, gibt einen Hinweis auf die Fähigkeit des Tieres, auf zu verbessern und somit für eine verstärke Strategien zur Entfernung des spezifischen Behinderung. Der dritte Versuch, am folgenden Tag durchgeführt wurde, gibt einen Einblick in die Fähigkeit des Subjekts zu behalten und erinnern an die gelernt Lösung der Aufgabe.

Die Motivation für die Lösung dieser "Obstruktion Puzzles" der Tiere können variiert werden, potentiellerinnert an eine angeborene Wunsch, offene Felder zu vermeiden und suchen Schutz, sowie einen inhärenten Antrieb zu ihrer Umgebung 6,7 erkunden. Die Vielzahl möglicher Verhaltens Fahrer den Wunsch, das Puzzle zu lösen Box zugrunde legt nahe, dass verschiedene Bereiche des Gehirns sind bei der Vermittlung Aufgabenwahrnehmung beteiligt. Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass in murinen Modellen von Schizophrenie, der präfrontalen Hirnrinde und der Hippocampus werden in der Übernahme dieser Aufgabe 5 beteiligt. Eine Läsion Studie an Ratten wurde auch gezeigt, eine große Anzahl von Gehirnbereichen in Puzzle Box Leistung, einschließlich verschiedener Thalamus, Hypothalamus, Kleinhirn und limbischen Strukturen beteiligt. Zusammen zeigen diese Ergebnisse, dass die Durchführung dieser Problemlösung Aufgabe umfasst eine Vielzahl von Nervenstrukturen mit kognitiven Funktion assoziiert.

Das Puzzle Box wurde erfolgreich verwendet, um die Problemlösungsfähigkeit von Mäusen sowie kognitive Defizite durch m ausgestellt bewertenUrin-Modelle der Schizophrenie 5-7. Leistung auf der Aufgabe hat sich gezeigt, dass sehr konsistente und gut mit Ergebnissen von anderen kognitiven Verhaltenstests 6 korrelieren. Das Ziel dieser Arbeit war es daher, die Puzzlespiel-Kasten Aufgabe anzupassen, eine einfache und zuverlässige Mittel zur Bestimmung der Wirksamkeit der EE werden.

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Protocol

Ethics Statement: Alle Verfahren wurden von der Tierethikkommission der Universität von Sydney zugelassen und entsprach National Health und Medical Research Council of Australia Richtlinien. Die Verfahren wurden auf C57 / BL6J Mäusen, die an der Universität von Sydney Bosch Nagetier Einrichtung aufgezogen wurden durchgeführt. Alle Mäuse wurden in einem ausreichend belüfteten Raum bei 21 ° C Umgebungstemperatur auf einem 12 Stunden Licht-Dunkel-Zyklus wobei das Licht um 0600 h in einzeln belüfteten Käfigen mit freien Zugang zu Trockenfutter und Wasser untergebracht. Späte Schwangerschaft Frauen wurden randomisiert Standard- oder umwelt angereicherten Haltungsbedingungen zugeordnet.

1. Gehäuse (Enrichment Levels):

  1. Erhalten 4 späten Schwangerschaft erwachsenen weiblichen Mäusen. Zuordnet 2 auf die Standardbedingungen und legen Sie jeden von ihnen in ein sauberes Standardmaus Käfig (Abmessungen 391 x 199 x 160 mm), die eine rote Maus Iglu. Für die angereicherten Zustand, legen Sie die remaining 2-Mäuse in einem einzigen sauberen Ratte großen Käfig (Abmessungen 462 x 403 x 404 mm).
  2. In den Käfig Bereicherung, legen eine Vielzahl von Objekten entwickelt, um sensorische und motorische Stimulation zu erhöhen (zB Laufräder, visuelle Reize, Duft Watte, Klettbänder).
  3. Alle 2 bis 3 Tage verschieben diese Objekte über innerhalb des Käfigs; aktualisieren jede, die zerstört wurden.
  4. Nach dem Absetzen nach 21 Tagen nach der Geburt, Geschlecht Tiere und Ort in die Mann-Frau-getrennt Gehäuse mit den ökologischen Zustand sie erhoben wurden. Aus dem angereicherten Zustand sicherzustellen, dass es zwischen 3 und 10 Mäuse pro Käfig mit 2 und 5 Mäuse für Standard. Beginnen Verhaltenstests einmal Tiere Erwachsenenalter (12-14 Wochen alt) zu erreichen.

2. Aufbau des Puzzlespiel-Kasten

  1. Erhalten 6 Stücke aus weißem Acryl (oder anderen nicht porösen Material): ein 750 x 280 mm, zwei 280 x 250 mm, zwei 750 x 250 mm und einer 150 x 280 mm (siehe 1).
  2. Erhalten einem Stück schwarzem Acryl 280 x 250 mm, mit einer 40 x 40 mm Vierkantöffnung in einer Seite dieses Stück geschnitten (siehe Abbildung 1).
  3. Montieren Sie die Puzzle Box wie folgt: Verwenden Sie den 750 x 280 mm Stück wie der Boden der Box, benutzen 280 x 250 mm Stücke wie die Enden der Box, und die 750 x 250 mm Stücke wie die Seiten der Box.
  4. Messen Sie 150 mm in den Strafraum ein Ende, und legen Sie die schwarze Stück Acryl über den Kasten, so dass es spaltet sie in zwei Kammern (ein großer und ein kleiner) mit der Öffnung bündig mit der Unterseite der Box.
  5. Nehmen Sie die 150 x 280 mm Stück weißes Acryl und legen Sie es oben auf dem kleineren Fach der Box sicherstellen, dass es deckt diesen Bereich komplett und bietet einen dunklen "Ziel-box" Kammer. Bringen Sie dieses Stück Acryl auf den Körper des Hauptfeld durch Scharniere, oder lassen Sie frei, während Verhaltenstests vollständig entfernt werden.
  6. Nehmen Sie 3 Stücke aus Acryl (drei 4 x 120 mm) und kommen zu einem "u-shap machened "Kanal.

Figur 1
Abbildung 1: Schematische Darstellung des Puzzlespiel-Kasten Aufgabe. Das Puzzlespiel-Kasten ist ein Acryl-Box, bestehend aus einer offenen Feldbereich (600 x 280 mm) und einer geschützten Ziel-Feld-Bereich (150 x 280 mm), beträgt 750 x 280 mm in allen. Ein 40 x 40 mm Öffnung in der Trennwand (grau) die Trennung der beiden Bereiche erlaubt Tiere zur überdachten Ziel-Feld Bereich der offenen Feld zu gelangen. Diese Öffnung ist mit Hindernissen, die immer schwieriger zu entfernen, da Tests fort sind blockiert. Tiere werden einer Fünf-Tage-Protokoll, das aus vier Behinderung Bedingungen mit drei Studien für jede Bedingung.

3. Lauf des Puzzlespiel-Kasten Aufgabe

  1. Das Puzzle Box mit 70% Alkohol gründlich reinigen. Wiederholen Sie diesen Schritt zwischen jedem Tier getestet.
  2. Ein sauberes rote Maus Iglu in der Ziel-box area des Puzzlespiel-Kasten, und ersetzen Sie den Deckel auf den Ziel-Box.
  3. Wenn es ein Hindernis Zustand getestet werden, stellen Sie das Hindernis innerhalb der Tür des Ziel-Feld (siehe Abbildung 2).
  4. Platzieren Sie die Maus, die am Ende am weitesten vom Ziel-Feld in die Freiflächen-Abschnitt des Puzzlespiel-Kasten, auf das Ziel-Feld ausgerichtet getestet und.
  5. Notieren Sie sich die Zeit für alle vier Pfoten des Tieres getroffen werden, um das Ziel-Feld Teil des Puzzlespiel-Kasten geben.
  6. Wenn ein Tier nicht in das Ziel-Feld, beenden Sie den Versuch, wenn die eingestellte Zeitlimit erreicht ist (siehe Tabelle 1).
  7. Sobald eine Studie abgeschlossen ist, entfernen Sie das Tier aus der Puzzle-Box und legen Sie sie in einem separaten Haltekäfig, bis die nächste Verhandlung beginnt. Halten Sie eine 60 bis 180 sec Abstand zwischen Prüfungen für jedes Tier.
  8. Für jedes Tier, führen drei Versuche pro Tag an fünf aufeinanderfolgenden Testtagen mit vier Behinderung Bedingungen und drei Versuche jeder Bedingung. Die dritte trial einer bestimmten Behinderung Bedingung sollte immer auf einer späteren Tag verabreicht (siehe Tabelle 1).

Tabelle 1
Tabelle 1: Schema des Puzzlespiel-Kasten Aufgabe. Das Puzzle Box Aufgabe für fünf Tage laufen und besteht aus vier Behinderung Bedingungen. Es gibt drei Versuche auf jedem der ersten vier Tage, und man am fünften Tag. Jedes Hindernis Zustand hat drei Versuche; die ersten beiden an einem Tag, der dritte Tag unmittelbar nach. Der erste Versuch eines Hindernisses Zustand soll einheimische Problemlösungsfähigkeit zu testen, untersucht der zweite Prozess Aufgabe Erwerb und Verstärkung, und der dritte Versuch als Test zur Lösung Bindung und Rückruf verwendet.

Abbildung 2
Abbildung 2: BehindernIonen-Bedingungen innerhalb des Puzzlespiel-Kasten Aufgabe. Schematische Darstellungen des Puzzlespiel-Kasten-Arena und der Behinderung Bedingungen in dieser Studie verwendet. (A) Bedingung 0 (C0), mit in der Tür zwischen der offenen Feld und Ziel-box Bereiche ohne Behinderung vorhanden. (B) Bedingung 1 (C1 ), mit einem "u förmigen" vorhanden Kanal innerhalb der Tür zwischen der offenen Feld und Ziel-box Bereichen. (C) Bedingung 2 (C2), in dem der Kanal mit saubere Bettwäsche Material gefüllt ist. (D) Bedingung 3 (C3 ), mit einem "Gewebe-Plug" in der Tür zwischen der offenen Feld und Ziel-box Bereichen vorhanden. (E) Bedingung 4 (C4) mit einem "Schaum-Stecker" in der Tür zwischen der offenen Feld und Ziel-Feld vorhanden Bereichen. Abmessungen der Arena sind nach Methoden und in Abbildung 1 aufgeführt.

4. Auswertung der Daten

  1. Stellen Sie Daten entweder als Zeit genommen comrunden das Test (einschließlich Null-Studien, in denen Tiere nicht die Aufgabe, innerhalb der festgelegten Frist zu vervollständigen), oder als die Anzahl der Null-Studien.
  2. Verwenden Sie eine ANOVA mit wiederholten Messungen, um die Wirkung der Wohnanlage auf Leistung innerhalb des Puzzlespiel-Kasten zu bewerten, mit Behinderung Art / Zustand (C) und die Task-Nummer (T) Innersubjektfaktoren und Anreicherungsgrad (Standard gegenüber angereichertem) als Zwischensubjektfaktor .

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Representative Results

Die hier beschriebenen Ergebnisse sind eine repräsentative Stichprobe, mit Daten aus mehreren Jahrgängen aus verschiedenen Würfen übernommen. Alle Verhaltenstests wurde zwischen 0700 und 1100 Stunden durchgeführt, wobei randomisierte Prüfung, um von Tieren innerhalb einer Kohorte. Tiere in einer angereicherten Umwelt erhöht (n = 14, 7 weibliche und 7 männliche) nahmen deutlich weniger Zeit, um die Behinderung Aufgaben innerhalb des Puzzlespiel-Kasten als die innerhalb einer Standardumgebung erhöht lösen (n = 15, 7 und 8 weiblich männlich) (siehe Abbildung 3) (ANOVA mit wiederholten Messungen mit Umwelt als Zwischensubjektfaktor, F = 19,525, p <0,001). Dieser Effekt der EE auf die Leistung wurde in den einzelnen Studien während des Puzzlespiel-Kasten, in dem angereicherten Mäusen benötigt deutlich weniger Zeit, um jeden der einzelnen Hindernis Rätsel zu lösen beobachtet und wurde insbesondere in der ersten Studie von jeder Bedingung (Univariate Varianzanalyse mit Umwelt zwischen markiert -subjects Faktor: Zustand 1-Studie 1 (C1T1), F = 4,308, p = 0,048; C1T3, F = 4,317, p = 0,047; C2T1, F = 9,466, p = 0,005; C2T2, F = 5,164, p = 0,031; C2T3, F = 7,031, p = 0,013; C3T1, F = 19,979, p = 0,000; C3T2, F = 5,788, p = 0,023; C3T3, F = 4.711, p = 0,039; C4T1, F = 5,094, p = 0,032). Kein Einfluss des Geschlechts (ANOVA mit wiederholten Messungen mit Geschlecht als Zwischensubjektfaktor, F = 1,827, p = 0,188), noch eine signifikante Wechselwirkung zwischen Wohnumfeld und Geschlecht beobachtet (ANOVA mit wiederholten Messungen mit Umwelt und Gender als Zwischensubjektfaktoren, Umwelt * Erotik, F = 0,395, p = 0,535).

Figur 3
Abbildung 3: Umwelt angereicherten Mäusen lösen das Puzzle Box schneller als Standard untergebracht Tiere Puzzle Box Aufgabenleistung der erwachsenen Tiere von der Geburt entweder in angereicherter oder Standardumgebungen erhöht, wie von der Zeit für alle vier Pfoten genommen gemessen, um das Ziel-Feld Bereich eingeben. in Sekunden. Tiere raised in angereicherter Umgebung (rot) lösen die Behinderung Aufgaben innerhalb des Puzzlespiel-Kasten deutlich schneller als in einer Standardumgebung erhöht (blau) (ANOVA mit wiederholten Messungen mit Umwelt als Zwischensubjektfaktor, F = 19,525, p <0,001). Verbesserte Leistung innerhalb einzelner Hindernis Puzzleaufgaben wurde für angereichertes Kohorten (Univariate Varianzanalyse mit Umwelt als Zwischensubjektfaktor beobachtet: C1T1 F = 4,308, p = 0,048; C1T3, F = 4,317, p = 0,047; C2T1, F = 9,466, p = 0,005; C2T2, F = 5,164, p = 0,031; C2T3, F = 7,031, p = 0,013; C3T1, F = 19,979, p = 0,000; C3T2, F = 5,788, p = 0,023; c3T3, F = 4,711, p = 0,039; C4T1, F = 5,094, p = 0,032). C0: kein Hindernis; C1: U-förmigen Kanals; C2: Kanal mit Einstreu gefüllt; C3: Gewebe-Stecker; C4: Steckschaum. C1T1 bezieht sich auf die Bedingung 1, Versuch 1 usw. (siehe Text). Die Fehlerbalken: Standardfehler des Mittelwerts (SEM), angereichert n = 14 (7 weiblich, 7 männlich), Standard n = 15 (7 weiblich, 8 männlich). *: P <0,05, **: P &# 60; 0,01, ***: p <0,001.

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Discussion

Die vorgelegten Daten zeigen, dass das Puzzle Box kann effektiv verwendet werden, um die Auswirkungen von EE zu beurteilen. Mäuse in angereicherten Umgebungen erhöht konsequent nahmen deutlich weniger Zeit zum Hindernis Rätsel in diesem Verhaltenstest als getan Tiere in Standard-Laborbedingungen erhoben lösen. Darüber hinaus war dieser Unterschied am deutlichsten in der ersten Studie für drei der vier getesteten Bedingungen, was darauf hindeutet, EE hat einen größeren Einfluss auf die einheimische Problemlösungsfähigkeit eines Tieres, in Bezug auf ihre Fähigkeit zu stärken oder zu halten Lösungen für die Probleme von der Aufgabe vorgestellt .

Die wesentlichen Vorteile des Puzzlespiel-Kasten sind die kostengünstigen Material Kosten, Einfachheit in Bezug auf Konstruktion und Umsetzung, sowie der Mangel an Notwendigkeit einer vorherigen Ausbildung der Personen zu prüfen. Ferner kann das Verfahren angepasst ist, um eine Vielzahl von Hindernis Materialien und Bedingungen zu nutzen. Zum Beispiel kann die hier verwendete Protokoll angepasst wurdeaus früheren Studien, die das Puzzle Box verwendet werden, um die kognitiven Fähigkeiten in einer Vielzahl von murinen Krankheitszustand Modelle 5-7 zu beurteilen. Andere Studien haben bisher verwendeten Varianten des Puzzlespiel-Kasten, um die Auswirkungen von kognitiven steigernde Antipsychotika 33 und Beobachtungslernen in diesem Testfeld 34 zu bewerten. Das Puzzle Box bietet daher eine Verhaltensaufgabe für die Auswertung einer Vielzahl von Umwelt-, genetische und pharmakologische Manipulationen, während relativ zeit- und kosteneffektiv.

Diese inhärente Flexibilität jedoch unterstreicht die Notwendigkeit für mehrere wichtige Schritte, um die Aufgabe erfolgreich umzusetzen. Da das Verfahren beinhaltet die physische Beseitigung der Hindernisse von einer bestimmten Öffnung in der Testarena, um Vorversuche bestimmen, welche Behinderung Bedingungen geeignet und lösbar innerhalb festgelegter Fristen von den Tieren zu beurteilen sind, ist von entscheidender Bedeutung. Dies ist besonders relevant, wenn applying die Aufgabe, die Rolle, die die Anreicherung an Tiermodellen von neurodegenerativen Erkrankungen, deren motorische Fähigkeiten kann stark beeinträchtigt 1-4,16,17 werden, um festzustellen. Darüber hinaus sind mehrere Studien in verschiedenen Zeitintervallen erforderlich, um sorgfältig prüfen die kognitiven Fähigkeiten der Probanden der Testphase. Obwohl Aufgabe Gewinnung und Kundenbindung verbunden sind, können sie als separate Prozesse 35 bis 37 in Betracht gezogen werden. Da die Ergebnisse dieser Studie zeigen, können erhebliche Leistungsunterschiede mehr in einer der Faktoren bewertet werden.

Obwohl Latenz war Haupt Metrik verwendet, um die Tierleistung in dieser Studie zu überwachen, da das Protokoll umfasst Videoaufzeichnung aller Mäuse in der Aufgabe ausführt, ist es auch möglich, eine detailliertere Analyse des Verhaltens in der Testvorrichtung durchzuführen. Die Art, wie Themen aus angereichert und Standard angehoben Gruppen verhalten sich in der Arena, einschließlich der Art und Weise, in der sie auf ea nähern Hindernissech Phase der Aufgabe können weitere, subtilere Leistungsunterschiede zwischen den beiden Kohorten 38-43 offenbaren. In Kombination mit der Fähigkeit, Hindernisse zur Aufnahme der Tiere getestet anzupassen, hat das Puzzle Box das Potenzial, eine schnelle und unkomplizierte Möglichkeit, erstmals Einblick in den Einfluss von Umweltfaktoren auf eine Reihe von kognitiven Verhalten liefern.

Obwohl einfach und leistungsfähig ist das Puzzle Box kein Ersatz für eine gründliche Analyse der kognitiven Funktion. Stattdessen bietet es eine schnelle und zuverlässige First-Pass-Bewertung der Problemlösung, sowie die Aufgabe Akquisition und den Rückruf, die sollten dann gründlicher mit herkömmlichen Lernaufgaben untersucht werden. Die Bedeutung eines solchen Verfahrens kann nicht hoch genug eingeschätzt werden. Traditionelle Lernaufgaben kann eine beträchtliche Menge an Eingewöhnungs und Schulung der Patienten erfordern, bevor sie interpretierbaren Ergebnissen führen, die kann selbst Einfluss auf die Leistung 44,45. SomitEin effizientes und zuverlässiges Verfahren zum Erzielen einer vorläufigen Beurteilung der kognitiven Funktion, die leicht an die Bedürfnisse der einzelnen Versuche, wie das Puzzle Box modifiziert werden kann, ist sehr vorteilhaft.

Da die Methoden zur Linderung und umgekehrt die schädlichen Symptome durch transgene Modelle von Krankheitszuständen ausgestellt werden kontinuierlich entwickelt 46,47, eine schnelle und zuverlässige Mittel zur Bewertung der Wirksamkeit der Interventionen von einem Verhaltensperspektive kritisch ist. Die hier vorgestellten Daten zeigen, dass dies Puzzle Box ist ein nützliches Werkzeug, das solche Bewertungen ermöglichen.

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
Black Acrylic Board 280 x 250 mm with a 40 x 40 mm "door" cut into one side
White Acrylic Board 280 x 250 mm
White Acrylic Board 280 x 250 mm
White Acrylic Board 750 x 250 mm
White Acrylic Board 750 x 250 mm
White Acrylic Board 150 x 280 mm
White Acrylic Board
Underpass 3 pieces of 40 x 120 mm plexiglass or acrylic
Note: If unable to access acrylic board, plexiglass or similar non-porous material will suffice.
Webcam Logitech C210 Fix to roof with electrical tape. Alternatively, use a tripod.
VirtualDub v1.10.4 VirtualDub N/A  Software for recording behaviour videos. Input from webcam.
TopScan v 3.0 CleverSys Inc. N/A  Software for automated top-view tracking and analysis of mouse behaviour. Captured videos are analysed post-hoc.

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Die Nutzung des Puzzlespiel-Kasten als Mittel zur Bewertung der Wirksamkeit von Umwelt Enrichment
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O'Connor, A. M., Burton, T. J.,… More

O'Connor, A. M., Burton, T. J., Leamey, C. A., Sawatari, A. The Use of the Puzzle Box as a Means of Assessing the Efficacy of Environmental Enrichment. J. Vis. Exp. (94), e52225, doi:10.3791/52225 (2014).

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