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Behavior

L'utilisation de la boîte de Puzzle comme un moyen d'évaluer l'efficacité d'enrichissement du milieu

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

Enrichissement de l'environnement (EE) peut être défini comme un cadre qui fournissent des animaux avec des possibilités accrues d'interaction sociale, l'activité motrice, et une plus grande stimulation sensorielle que d'habitude connu dans un environment.EE standard de laboratoire a été démontré qu'elle affecte toujours le comportement des animaux, entraînant des changements tels que la réduction du stress et de l'activité liée à l'anxiété 8-10, l'amélioration des performances dans les tâches d'apprentissage et de mémoire 8,11, l'apparition précoce de la coordination motrice et activité exploratoire 11, les changements dans les soins maternels 8 ainsi que la résistance à 12 substances addictives 15. En outre, EE a été révélé pour améliorer les effets de troubles neurodégénératifs, de retarder l'apparition et la diminution de la sévérité des symptômes chez les modèles animaux de la maladie de Huntington 1-4,16, la maladie de Parkinson 17 et 18 la maladie d'Alzheimer.

Ces changements Correlier avec les modifications anatomiques et moléculaires EE est connue pour entraîner tout le cerveau. Les animaux élevés dans des environnements enrichis des premiers stades de développement montrent une myriade de changements neuronaux, y compris une augmentation du poids du cerveau et de l'épaisseur corticale, dendritique ramification 9,2-22 et la densité synaptique 23. EE peut modifier à la fois le niveau et le calendrier de l'expression du facteur de croissance 9,24-30, qui a été montré à contribuer au développement accéléré des sensorielle 25,26,28,29, mnémonique 30, ainsi que des circuits automobiles 31,32.

Des travaux antérieurs ont révélé à des conclusions parfois contradictoires lors d'enquêtes sur l'impact de l'EE, sans prendre en compte les différents types d'animaux et environnements utilisés dans les études individuelles 9,24,27,30. Actuellement, il n'y a pas tâche comportementale cohérente et simple qui peut être utilisé pour mesurer l'efficacité des différents paradigmes de l'EE dans différentes souches et specs d'animaux.

La tâche Puzzle Box a été conçu comme un test simple pour déterminer problème native d'un animal la capacité de résolution 7. Animaux placés dans l'espace ouvert sont nécessaires pour éliminer les matériaux situés dans une petite ouverture pour accéder à une région / abri couvert obstruction. Chaque sujet est donné trois essais avec le même obstruction afin d'évaluer trois attributs cognitifs différents. Le premier essai donne une indication de base de la capacité de résolution de problèmes inhérente ou natif. Le deuxième procès, exécutez le même jour, donne une indication de la capacité de l'animal à améliorer et donc renforcer les stratégies pour éliminer l'obstruction spécifique. Le troisième procès, menée le lendemain, donne un aperçu de la capacité du sujet à conserver et rappeler la solution appris à la tâche.

La motivation pour résoudre ces énigmes "obstruction" par les animaux peut être modifiée, ce qui pourraitévoquant un désir inné d'éviter les champs ouverts et chercher un abri, ainsi que d'un lecteur inhérent à explorer leur environnement 6,7. La multitude de pilotes comportementaux sous-jacents potentiels le désir de résoudre le casse-tête suggère que différentes zones du cerveau sont impliquées dans la médiation de l'exécution des tâches. Des travaux antérieurs ont montré que dans des modèles murins de la schizophrénie, le cortex préfrontal et l'hippocampe sont impliqués dans l'acquisition de cette tâche 5. Une étude de la lésion chez le rat a également révélé un grand nombre de régions du cerveau impliquées dans la performance Puzzle Box, y compris divers noyaux thalamiques, l'hypothalamus, le cervelet, et les structures limbiques. Ensemble, ces résultats indiquent que l'engagement dans cette tâche de résolution problème implique une multitude de structures neuronales associées à la fonction cognitive.

La boîte de Puzzle a été utilisé avec succès pour évaluer la capacité de résolution de problème de souris, ainsi que les déficits cognitifs présenté par mmodèles d'urine de la schizophrénie 5-7. Performance sur la tâche a été montré pour être très cohérente, et de corréler bien avec les résultats d'autres tests comportementaux cognitifs 6. Le but de ce travail était donc d'adapter la tâche Puzzle Box pour devenir un moyen simple et fiable de déterminer l'efficacité de l'EE.

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Protocol

Déclaration éthique: Toutes les procédures ont été approuvées par le Comité d'éthique animale de l'Université de Sydney et conforme à Conseil de recherches médicales de lignes directrices Australie Santé nationale et du. Procédures ont été effectuées sur des souris C57 / BL6J qui ont été élevés à l'Université de Sydney Facilité Bosch rongeurs. Toutes les souris ont été logés dans un seul local suffisamment ventilé à 21 ° C de température ambiante sur un cycle lumière-obscurité de 12 h avec des lumières sur au 0600 heures dans des cages à ventilation individuelle avec accès à volonté à la nourriture sèche et l'eau. Femelles en fin de grossesse ont été assignés au hasard à des conditions standard ou enrichis environnement logement.

1. Logement (taux d'enrichissement):

  1. Obtenir 4 fin de la grossesse chez les souris femelles adultes. Affecter aléatoirement 2 à l'état standard et placer chacun d'eux dans une cage de souris standard propre (dimensions 391 x 199 globaux x 160 mm) contenant un igloo de la souris rouge. Pour la condition enrichi, placez le REMAINING deux souris dans une seule cage de rat taille propre (encombrement 462 x 403 x 404 mm).
  2. Dans la cage d'enrichissement, placer une variété d'objets conçus pour augmenter la stimulation sensorielle et motrice (par exemple roues de course, des stimuli visuels, des boules de coton parfumées, des bandes Velcro).
  3. Tous les 2 à 3 jours environ déplacer ces objets à l'intérieur de la cage; actualiser celles qui ont été détruites.
  4. Après le sevrage à 21 jours après la naissance, les animaux de sexe et le lieu dans un logement distinct mâle-femelle compatible avec l'état de l'environnement, ils ont été soulevées. Pour la condition enrichi assurer qu'il ya entre 3 et 10 souris par cage avec deux et cinq souris pour la norme. Commencer les tests de comportement une fois les animaux atteignent l'âge adulte (12 à 14 semaines d'âge).

2. Construction de la boîte de Puzzle

  1. Obtenir six morceaux de acrylique blanc (ou autre matériau non poreux): une 750 x 280 mm, deux 280 x 250 mm, 750 x 250 deux mm et un 150 x 280 mm (voir la figure 1).
  2. Obtenir une pièce d'acrylique noir 280 x 250 mm, avec une ouverture carrée 40 x 40 mm coupé en un côté de cette pièce (voir Figure 1).
  3. Assemblez la boîte de puzzle comme suit: utiliser la pièce 750 mm x 280 que le fond de la boîte, utiliser 280 x 250 mm pièces que les extrémités de la boîte, et les 750 x 250 mm pièces que les côtés de la boîte.
  4. Mesurer 150 mm dans la boîte d'un bout, et placer la pièce noire de l'acrylique dans la boîte de sorte qu'il divise en deux compartiments (une grande, une petite) avec la chasse d'ouverture avec le fond de la boîte.
  5. Prenez le morceau de mm acrylique blanc 150 x 280 et le placer au sommet de la plus petite compartiment de la boîte en se assurant qu'il couvre cette zone complètement, fournissant un "objectif-box" chambre noire. Fixez ce morceau de acrylique pour le corps de la boîte principale par des charnières, ou à laisser libre d'être complètement enlevée lors de tests comportementaux.
  6. Prenez trois morceaux de acrylique (trois 4 x 120 mm) et rejoindre pour faire un "u-Shap«canal éd.

Figure 1
Figure 1: Schéma de la tâche Puzzle Box. La boîte de Puzzle est une boîte en acrylique comportant un espace plein champ (600 x 280 mm) et une zone abritée objectif-box (150 x 280 mm), mesurant 750 x 280 mm en tout. A 40 x 40 mm d'ouverture dans la partition (gris) séparant les deux zones permet aux animaux d'accéder à la zone de but boîte couverte de plein champ. Cette ouverture est bloqué avec des obstacles de plus en plus difficiles à éliminer que les tests progresse. Les animaux sont soumis à un protocole de cinq jours, composé de quatre conditions d'obstruction avec trois essais pour chaque condition.

3. Fonctionnement du Groupe Puzzle Box

  1. Nettoyer soigneusement la boîte de puzzle avec 70% d'alcool. Répétez cette étape entre chaque animal testé.
  2. Placez un igloo de la souris rouge propre au sein de l'objectif-box area de la boîte de Puzzle, et remplacer le couvercle sur la boîte de but.
  3. Se il est une condition de l'obstruction à l'essai, placer l'obstruction au sein de la porte de la boîte de but (voir Figure 2).
  4. Placez la souris testée dans la section en plein champ de la boîte de Puzzle, orientée vers la boîte de but, et à l'extrémité la plus éloignée de la boîte de but.
  5. Enregistrer le temps requis pour les quatre pattes de l'animal à entrer dans la section de la boîte de Puzzle but boîte.
  6. Si un animal ne entre pas dans la boîte de but, mettre fin à l'essai une fois que le délai fixé est atteint (voir le tableau 1).
  7. Une fois un procès est terminé, enlever l'animal de la boîte de Puzzle et le placer dans une cage de maintien séparée jusqu'à la prochaine procès commence. Gardez un écart de 60 à 180 sec entre les essais pour chaque animal.
  8. Pour chaque animal, effectuer trois essais par jour pendant cinq jours consécutifs de test, avec quatre conditions d'obstruction et trois essais de chaque état. Le troisième trial d'un état ​​d'obstruction donnée doit toujours administré le jour suivant (voir tableau 1).

Tableau 1
Tableau 1: Schéma de la tâche Puzzle Box. La tâche Puzzle Box est exécuté pendant cinq jours, et se compose de quatre conditions d'obstruction. Il existe trois essais sur chacun des quatre premiers jours, et une sur le cinquième jour. Chaque condition d'obstruction a trois essais; les deux premières sur une journée, et le troisième jour suivant immédiatement. Le premier procès d'un état d'obstruction vise à tester la capacité de résolution de problèmes d'origine, le second procès examine l'acquisition de la tâche et le renforcement et le troisième essai est utilisé comme un test pour la rétention de la solution et de rappel.

Figure 2
Figure 2: Entraverconditions d'ions au sein de la tâche Puzzle Box. Schémas de l'arène Puzzle Box et les conditions d'obstruction utilisées dans cette étude. (A) Condition 0 (C0), sans obstruction présent dans la porte entre le champ ouvert et zones objectif-Box. (B) Condition 1 (C1 ), avec un "u en forme de" canaux présents dans la porte entre le champ ouvert et zones objectif-box. (C) Condition 2 (C2), où le canal est rempli d'une litière propre. (D) Condition 3 (C3 ), avec une "prise de tissu" présent dans la porte entre le champ ouvert et zones objectif-box. (E) Condition 4 (C4) avec un "bouchon de mousse" présent dans la porte entre le champ ouvert et objectif-box zones. Dimensions de l'arène sont selon énumérés dans Méthodes et Figure 1.

4. Interprétation des données

  1. Représenter des données soit comme temps pris pour comcomplète le procès (y compris les essais nuls où les animaux ne ont pas terminé la tâche dans le délai prévu) ou que le nombre d'essais nuls.
  2. Utilisez un ANOVA à mesures répétées pour évaluer l'effet des conditions de logement sur la performance au sein de la boîte de puzzle, avec le type d'obstruction / condition (C) et le numéro de tâche (T) facteurs intra-sujets et le niveau d'enrichissement (standard par rapport enrichi) entre-sujets facteur .

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Representative Results

Les résultats décrits ici sont un échantillon représentatif, avec des données tirées de plusieurs cohortes constituées de différentes portées. Tous les tests de comportement a été menée entre 0700 et 1100 heures, avec l'ordre d'essai randomisé des animaux dans une cohorte. Les animaux élevés dans un environnement enrichi (n = 14, 7 femmes et 7 hommes) ont pris beaucoup moins de temps pour résoudre les tâches d'obstruction dans la boîte de puzzle que ceux élevés dans un environnement standard (n = 15, 7 femmes et 8 hommes) (voir Figure 3) (mesures répétées ANOVA avec l'environnement entre-sujets facteur, F = 19,525, p <0,001). Cet effet de l'EE sur les performances a été observée dans les essais individuels au cours de la boîte de puzzle, où les souris enrichis nécessaires beaucoup moins de temps pour résoudre chacune des énigmes d'obstruction individuels, et a été particulièrement marquée au cours du premier procès de chaque condition (univariée ANOVA avec l'environnement entre -subjects facteur: Condition 1-première instance 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). Aucun effet du sexe (mesures répétées ANOVA avec le sexe entre-sujets facteur, F = 1,827, p = 0,188), ni aucune interaction significative entre l'environnement du logement et de l'égalité a été observée (mesures répétées ANOVA avec l'environnement et l'égalité entre-sujets facteurs, environnement * sexe, F = 0,395, p = 0,535).

Figure 3
Figure 3: souris environnement enrichis résoudre le casse-tête plus vite que les animaux standard logé Puzzle Box exécution de la tâche d'animaux adultes élevé depuis la naissance, dans des environnements enrichis ou standards, tel que mesuré par le temps pris pour les quatre pattes pour entrer dans la zone de but boîte. en secondes. Animaux raised dans un environnement enrichi (rouge) résolu les tâches d'obstruction dans la boîte de Puzzle beaucoup plus rapidement que ceux élevés dans un environnement standard (bleu) (mesures répétées ANOVA avec l'environnement entre-sujets facteur, F = 19,525, p <0,001). Amélioration de la performance dans les tâches de puzzle d'obstruction individu a été observé pour les cohortes enrichis (univariée ANOVA avec l'environnement entre-sujets facteurs: 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: pas d'obstruction; C1: canal en forme de U; C2: canal rempli d'une litière; C3: bouchon de tissu; C4: bouchon de mousse. C1T1 se réfère à la condition 1, essai 1, etc. (voir texte). Les barres d'erreur: erreur standard de la moyenne (SEM), enrichis n = 14 (7 femmes, 7 hommes), la norme n = 15 (7 femmes, 8 hommes). *: P <0,05, **: P &# 60; 0,01, ***: P <0,001.

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Discussion

Les données présentées démontrent que la boîte de puzzle peut être utilisé efficacement pour évaluer l'impact de l'EE. Souris élevés dans des environnements enrichis régulièrement pris beaucoup moins de temps pour résoudre les énigmes d'obstruction dans ce test de comportement que ne animaux élevés dans des conditions de laboratoire standard. En outre, cette différence était plus importante dans le premier procès pour trois des quatre conditions testées, suggérant EE a une plus grande influence sur la capacité de résolution de problèmes native d'un animal, par rapport à leur capacité à renforcer ou de conserver des solutions aux problèmes posés par la tâche .

Les principaux avantages de la boîte de Puzzle sont son coût peu onéreux de matières, la simplicité en termes de construction et de mise en œuvre, ainsi que l'absence de nécessité d'une formation préalable des sujets à être testés. En outre, le procédé peut être adapté pour utiliser une variété de matériaux et de conditions obstruction. Par exemple, le protocole utilisé ici a été adaptéedes études précédentes qui employaient la boîte de Puzzle pour évaluer la capacité cognitive dans une variété de modèles d'état de la maladie murine 5-7. D'autres études ont déjà utilisé des variations de la boîte de Puzzle pour évaluer l'impact des antipsychotiques cognitives améliorant 33 et l'apprentissage par observation dans ce domaine 34 essais. Le casse-tête offre donc une tâche comportementale capables d'évaluer un grand nombre de manipulations de l'environnement, pharmacologiques et génétiques, tout en étant relativement temps et rentable.

Cette flexibilité inhérente, cependant, souligne la nécessité de plusieurs étapes clés à mettre en œuvre avec succès la tâche. Comme la méthode implique la suppression physique des obstacles d'une ouverture spécifique au sein de l'arène de test, les essais préliminaires pour déterminer quelle obstruction conditions sont approprié et résoluble dans les délais définis par les animaux à évaluer est extrêmement important. Cela est particulièrement pertinent quand applying la tâche de déterminer le rôle potentiel de l'enrichissement sur ​​des modèles animaux de maladies neurodégénératives dont les capacités moteur peut être gravement compromise 1-4,16,17. En outre, de multiples essais à travers différents intervalles de temps sont nécessaires pour bien évaluer les capacités cognitives des sujets testés. Bien que l'acquisition de la tâche et la rétention sont liés, ils peuvent être considérés comme des processus séparés 35-37. Comme les résultats de cette étude révèlent, différences significatives de performance peuvent être plus dans l'un des facteurs évalués.

Bien que le temps de latence a été métrique principal utilisé pour surveiller la performance des animaux dans cette étude, étant donné que le protocole comprend l'enregistrement vidéo de toutes les souris dans le groupe de l'activité, il est également possible d'effectuer une analyse plus détaillée du comportement à l'intérieur de l'appareil de test. La façon dont les sujets des groupes enrichis et la norme soulevées se comportent dans l'arène, y compris la manière dont ils abordent les obstacles au eala phase ch de la tâche peut révéler des différences plus loin, plus subtiles de performance entre les deux cohortes de 38 à 43. Combiné avec la capacité d'ajuster les obstacles à accueillir les animaux testés, la boîte de Puzzle a le potentiel de fournir un moyen simple et rapide de gagner un aperçu de l'influence des facteurs environnementaux sur une gamme de comportements cognitifs.

Bien que simple et puissant, la boîte de Puzzle ne est pas un substitut à une analyse plus approfondie de la fonction cognitive. Au lieu de cela, il fournit une évaluation rapide et fiable de premier passage de la résolution de problèmes, ainsi que l'acquisition de la tâche et le rappel qui devrait ensuite être examiné de manière plus approfondie à l'aide des tâches d'apprentissage classiques. L'importance d'une telle méthode ne peut pas être surestimée. Les tâches traditionnelles d'apprentissage peuvent nécessiter une quantité considérable de familiarisation et la formation des sujets avant qu'ils ne peuvent donner des résultats interprétables, qui peut lui-même impact sur ​​44,45 de performance. Ainsi,une méthode efficace et fiable pour obtenir une évaluation préliminaire de la fonction cognitive qui peut être facilement modifié pour les besoins des expériences individuelles, comme la boîte de puzzle, est très avantageux.

Étant donné que les méthodes pour réduire et inverser les symptômes présentés par délétères modèles transgéniques d'états pathologiques sont continuellement développés 46,47, un moyen rapide et fiable d'évaluer l'efficacité des interventions à partir d'un point de vue comportemental est essentiel. Les données présentées ici suggère que cette Puzzle Box est un outil utile qui permettra à ces évaluations.

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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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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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