Introduction
O enriquecimento ambiental (EE) pode ser definida como um ambiente que fornecem animais com maior oportunidade para a interação social, a atividade motora e maior estimulação sensorial do que geralmente experimentado em um environment.EE padrão de laboratório foi mostrado para afetar de forma consistente o comportamento dos animais, provocando mudanças, como a redução de estresse e atividade relacionada com ansiedade 10/08, o desempenho melhorou em tarefas de aprendizagem e memória 8,11, início precoce da coordenação motora e atividade exploratória 11, mudanças na assistência materno 8, bem como resistência a substâncias que causam dependência 12- 15. Além disso, o EE tem sido revelado para melhorar os efeitos de doenças neurodegenerativas, retardar o aparecimento e diminuindo a gravidade dos sintomas em modelos animais de doença de Huntington 1-4,16, 17 Parkinson e doença de Alzheimer 18.
Essas mudanças CRrelacionam com as alterações anatómicas e moleculares EE é conhecido por induzir a todo o cérebro. Animais criados em ambientes enriquecidos de estágios iniciais de desenvolvimento mostram uma miríade de mudanças neurais, incluindo o aumento de peso do cérebro e da espessura cortical, dendrítica ramificação 9,2-22 e densidade sináptica 23. EE pode alterar tanto o nível e momento de expressão do factor de crescimento 9,24-30, o que foi mostrado para contribuir para o desenvolvimento acelerado de sensorial 25,26,28,29, 30 de acelerador, bem como circuitos de motores 31,32.
Trabalhos anteriores revelaram a conclusões vezes contraditórios quando se investiga o impacto da EE, sem levar em conta os diferentes tipos de animais e ambientes utilizados dentro estudos individuais 9,24,27,30. Actualmente, não existe qualquer prova comportamental, consistente e simples que pode ser usado para medir a eficácia de vários paradigmas de EE em diferentes estirpes e especificaçãoies de animais.
A tarefa Puzzle Box foi concebido como um teste simples para determinar problema nativo de um animal habilidade de resolver 7. Animais colocados na área aberta são obrigados a remover obstruindo materiais situados dentro de uma pequena abertura para acessar uma região / abrigo coberto. Cada sujeito recebe três ensaios com a mesma obstrução a fim de avaliar a três atributos cognitivos diferentes. O primeiro ensaio produzir uma indicação da linha de base de capacidade de resolução de problemas inerentes ou nativa. O segundo ensaio, executado no mesmo dia, dá alguma indicação da capacidade do animal para melhorar e, assim, reforçar as estratégias para a remoção da obstrução específica. O terceiro julgamento, realizado no dia seguinte, fornece insights sobre a capacidade do sujeito para reter e recordar a solução aprenderam a tarefa.
A motivação para a resolução destes puzzles "obstrução" pelos animais pode ser variada, potencialmenteevocando um desejo inato de evitar campos abertos e procurar abrigo, bem como uma tendência inerente para explorar os arredores 6,7. A multidão de potenciais motoristas comportamentais subjacentes ao desejo de resolver o Puzzle Box sugere que várias áreas do cérebro estão envolvidas na mediação de desempenho da tarefa. Trabalhos anteriores mostraram que, em modelos murinos de esquizofrenia, o córtex pré-frontal, bem como o hipocampo estão envolvidos na aquisição desta tarefa 5. Um estudo de lesão em ratos revelou também um grande número de regiões do cérebro envolvidas no desempenho Puzzle Box, incluindo vários núcleos talâmicos, o hipotálamo, o cerebelo e estruturas límbicas. Juntos, estes resultados indicam que o envolvimento neste resolução de problemas tarefa envolve uma série de estruturas neurais associadas com a função cognitiva.
O puzzle caixa tem sido utilizado com sucesso para avaliar a capacidade de resolução de problemas de ratinhos, assim como os défices cognitivos exibido por mmodelos de urina de esquizofrenia 5-7. O desempenho da tarefa foi mostrado ser altamente consistente, e correlacionam-se bem com os resultados de outros testes comportamentais, cognitivas 6. O objetivo deste trabalho foi, portanto, de se adaptar a tarefa Puzzle Box para tornar-se um meio simples e confiável para se determinar a eficácia da EE.
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Protocol
Declaração de Ética: Todos os procedimentos foram aprovados pelo Comitê de Ética Animal da Universidade de Sydney e conformado com Nacional de Saúde e do Conselho, de orientações Austrália Investigação Médica. Os procedimentos foram realizados em ratinhos C57 / BL6J que foram criadas na Bosch Roedor Facility da Universidade de Sydney. Todos os ratos foram alojados em um único quarto adequadamente ventilado no 21 ° C de temperatura ambiente em um ciclo claro-escuro de 12 horas, com luzes acesas em 0600 hr em gaiolas ventiladas individualmente com acesso ad libitum a comida seca e água. Fêmeas final da gravidez foram aleatoriamente designados para as condições de habitação padrão ou ambientalmente enriquecidos.
1. Habitação (níveis de enriquecimento):
- Obter 4 final da gravidez camundongos fêmeas adultas. Aleatoriamente atribuir 2 à condição padrão e colocar cada um deles em uma gaiola mouse padrão limpo (dimensões globais 391 x 199 x 160 mm) contendo um igloo vermelho mouse. Para a condição enriquecido, coloque o remaining 2 ratos em uma única gaiola de tamanho rat-clean (dimensões 462 x 403 x 404 mm).
- Into the cage enriquecimento, coloque uma variedade de objetos destinados a aumentar a estimulação sensorial e motora (por exemplo, rodas de corrida, estímulos visuais, bolas de algodão perfumadas, tiras de velcro).
- A cada 2 a 3 dias mover sobre estes objectos no interior da gaiola; atualizar qualquer que foram destruídas.
- Após o desmame aos 21 dias pós-parto, os animais do sexo e local em habitação segregada macho-fêmea de acordo com as condições ambientais foram criados. Para a condição enriquecido garantir que existam entre 3 e 10 ratos por gaiola com 2 e 5 ratos por padrão. Começar o teste comportamental, os animais atingem a idade adulta (12-14 semanas de idade).
2. Construção do Puzzle Box
- Obter 6 partes de acrílico branco (ou outro material não-poroso): um 750 x 280 mm de diâmetro, dois 280 x 250 mm, dois 750 x 250 mm e um 150 x 280 mm (ver Figura 1).
- Obter um pedaço de acrílico preto 280 x 250 mm, com uma abertura quadrada 40 x 40 cortado em um dos lados dessa peça (ver Figura 1).
- Montar o puzzle caixa do seguinte modo: usar o pedaço de 750 mm x 280 como a parte inferior da caixa, utilizar 280 x 250 mm peças como as extremidades da caixa, e as peças de 750 x 250 mm, como as laterais da caixa.
- Medir 150 milímetros na caixa a partir de uma extremidade, e colocar a peça de acrílico preto através da caixa de modo que o divide em dois compartimentos (um grande, um pequeno) com a abertura alinhada com o fundo da caixa.
- Leve o mm pedaço de acrílico branco de 150 x 280 e colocá-lo no topo do menor compartimento da caixa certificando-se que abrange esta área completamente, proporcionando uma "meta-box" a câmara escura. Apor esta peça de acrílico para o corpo principal da caixa por meio de dobradiças, ou deixar-se livre para ser completamente removido durante o teste comportamental.
- Tome 3 peças de acrílico (três 4 x 120 mm) e juntar-se para fazer um "u-shaped "canal.
Figura 1: Diagrama esquemático da tarefa Puzzle Box. The Puzzle Box é uma caixa de acrílico que consiste em uma área de campo aberto (600 x 280 mm) e uma área abrigada meta-box (150 x 280 mm), medindo 750 x 280 mm de todos. A abertura de 40 x 40 mm para dentro da partição (cinza) que separa as duas áreas permite animais para aceder à área de meta-box coberto pelo campo aberto. Esta abertura é bloqueada com obstruções, que são cada vez mais difíceis de remover como teste progride. Os animais submetidos a um protocolo de cinco dias, consistindo de quatro condições de obstrução com três ensaios para cada condição.
3. Corrida da Task Puzzle Box
- Limpe bem a caixa do enigma com 70% de álcool. Repita este passo entre cada animal testado.
- Coloque um igloo limpo rato vermelho no ar meta-boxeA do Puzzle Box, e substituir a tampa na meta-box.
- Se houver uma condição de obstrução que está sendo testado, coloque a obstrução dentro da porta da meta-box (ver Figura 2).
- Posicione o mouse está sendo testado para a seção de campo aberto do Puzzle Box, orientada para a meta-box, e na extremidade mais afastada meta-box.
- Anote o tempo necessário para que todas as quatro patas do animal para entrar na seção de meta-box do Puzzle Box.
- Se um animal não entra meta-box, encerrar o julgamento uma vez que o limite de tempo definido é atingido (ver Tabela 1).
- Uma vez que um julgamento terminar, retire o animal da Puzzle Box e colocá-lo em uma gaiola exploração separada até o próximo julgamento começa. Mantenha uma 60-180 sec lacuna entre ensaios para cada animal.
- Para cada animal, realizar três ensaios por dia, durante cinco dias consecutivos de testes, com quatro condições de obstrução e três tentativas de cada estado. A terceira trial de uma determinada condição de obstrução deve sempre administrada num dia subsequente (ver Tabela 1).
Tabela 1: Esquema da tarefa Puzzle Box. A tarefa Puzzle Box é executado por cinco dias, e consiste em quatro condições de obstrução. Existem três ensaios em cada um dos primeiros quatro dias, e um no quinto dia. Cada condição obstrução tem três ensaios; os dois primeiros em um dia, e o terceiro no dia imediatamente seguinte. O primeiro ensaio de uma condição de obstrução visa testar a capacidade de resolução de problemas nativa, a segunda tentativa examina aquisição tarefa e reforço, e o terceiro ensaio é utilizado como um ensaio para a retenção de solução e recall.
Figura 2: Dificultarcondições de íons dentro da tarefa Puzzle Box. Diagramas esquemáticos da arena Puzzle Box e as condições de obstrução usadas neste estudo. (A) Condição 0 (C0), sem obstrução presente na porta entre o campo aberto e meta-box. (B) Condição 1 (C1 ), com um "u em forma de" canal presente dentro da porta entre o campo aberto e meta-box. (C) Condição 2 (C2), onde o canal é cheio com material de cama limpa. (D) Condição 3 (C3 ), com um "plug tecido" presente na porta entre o campo aberto e meta-box. (E) Condição 4 (C4) com um "plug espuma" presente na porta entre o campo aberto e meta-box áreas. Dimensões da arena são como por listados em Métodos e Figura 1.
4. Interpretação de Dados
- Representar dados como a hora tomadas para completar o julgamento (incluindo ensaios nulos onde os animais não completaram a tarefa dentro do prazo especificado) ou como o número de ensaios nulos.
- Use a medidas repetidas ANOVA para avaliar o efeito da condição de habitação sobre o desempenho dentro do Puzzle Box, com o tipo de obstrução / condição (C) e número de tarefas (T) intra-sujeitos fatores e nível de enriquecimento (standard contra enriquecido) como entre sujeitos de fator .
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Representative Results
Os resultados descritos aqui são uma amostra representativa, com os dados obtidos de várias coortes com várias ninhadas. Todos os testes comportamentais foi realizada entre 0700 e 1100 horas, com a ordem de teste randomizado de animais dentro de uma coorte. Animais criados em um ambiente enriquecido (n = 14, 7 do sexo feminino e 7 do sexo masculino) levou muito menos tempo para resolver as tarefas de obstrução dentro da caixa do enigma do que aqueles criados em um ambiente padrão (n = 15, 7 do sexo feminino e 8 do sexo masculino) (veja Figura 3) (ANOVA para medidas repetidas com meio ambiente como fator entre sujeitos, F = 19,525, p <0,001). Este efeito da EE sobre o desempenho foi observado no âmbito dos ensaios individuais durante o Box Quebra-cabeça, onde os ratos enriquecido necessário significativamente menos tempo para resolver cada um dos quebra-cabeças de obstrução individuais, e foi especialmente acentuado durante o primeiro julgamento de cada condição (ANOVA univariada com o ambiente como entre -subjects fator: Condição 1-Experimento 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). Não houve efeito do gênero (medidas repetidas ANOVA com o gênero como entre sujeitos fator, F = 1.827, p = 0,188), nem qualquer interação significativa entre o ambiente da habitação e de gênero foi observada (medidas repetidas ANOVA com o meio ambiente e gênero como entre sujeitos fatores, ambiente * sexo, F = 0,395, p = 0,535).
Figura 3: os ratos Environmentally enriquecidos resolver o Puzzle Box mais rápido do que os animais normais alojados Raciocínio desempenho da tarefa Box de animais adultos levantadas desde o nascimento tanto em ambientes enriquecidos ou padrão, medida pelo tempo necessário para que todas as quatro patas para entrar na área de gol-box. em segundos. Animais raised em um ambiente enriquecido (vermelho) resolveu as tarefas de obstrução dentro do Puzzle Box significativamente mais rápido do que aqueles criados em um ambiente padrão (azul) (medidas repetidas ANOVA com o meio ambiente como fator entre sujeitos, F = 19,525, p <0,001). Melhor desempenho dentro tarefas de quebra-cabeça de obstrução indivíduo foi observado para as coortes enriquecido (ANOVA univariada com o meio ambiente como entre sujeitos fator: 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: nenhuma obstrução; C1: canal em forma de U; C2: canal preenchido com material de cama; C3: ficha de tecido; C4: tampão de espuma. C1T1 refere-se a condição 1, ensaio 1 etc. (ver texto). As barras de erro: erro padrão da média (SEM), enriquecido n = 14 (7 mulheres, 7 homens), padrão n = 15 (7 do sexo feminino, 8 masculino). *: P <0,05, **: P &# 60; 0,01, ***: P <0,001.
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Discussion
Os dados apresentados demonstram que o quebra-Box pode ser utilizado eficazmente para avaliar o impacto de EE. Ratos criados em ambientes enriquecidos consistentemente levou muito menos tempo para resolver enigmas obstrução dentro deste ensaio comportamental do que os animais criados dentro de condições padrão de laboratório. Além disso, esta diferença foi mais proeminente no primeiro julgamento por três das quatro condições testadas, sugerindo EE tem uma maior influência sobre nativa habilidade de resolver problemas de um animal, em relação à sua capacidade de reforçar ou manter soluções para os problemas apresentados pela tarefa .
As principais vantagens do Puzzle Box são o seu custo barato material, simplicidade em termos de construção e implementação, bem como a falta de necessidade de treinamento prévio dos assuntos a ser testado. Além disso, o método pode ser adaptado para utilizar uma variedade de materiais e condições de obstrução. Por exemplo, o protocolo utilizado aqui foi adaptadaa partir de estudos anteriores que utilizaram o Puzzle Box para avaliar a capacidade cognitiva em uma variedade de modelos de estado de doença murino 5-7. Outros estudos já utilizou variações do Puzzle Box para avaliar o impacto dos antipsicóticos desenvolvem o sistema cognitivo 33 e aprendizagem por observação dentro desta arena de testes 34. Por isso, o Puzzle Box oferece uma tarefa comportamental capaz de avaliar uma grande variedade de manipulações ambientais, genéticos, farmacológicos, embora seja relativamente tempo e de custo eficaz.
Esta flexibilidade inerente, no entanto, destaca a necessidade de vários passos-chave para implementar com sucesso a tarefa. Como o método envolve a remoção física de obstáculos a partir de uma abertura específica dentro da arena de teste, testes preliminares para determinar quais as condições de obstrução são adequados e resolvidas dentro dos prazos definidos pelos animais deve ser avaliada é criticamente importante. Isto é particularmente relevante quando applying a tarefa de determinar o papel potencial de enriquecimento em modelos animais de desordens neurodegenerativas cujas capacidades do motor pode ser severamente comprometida 1-4,16,17. Além disso, vários ensaios em todo diferentes intervalos de tempo são necessários para avaliar completamente as capacidades cognitivas dos assuntos que estão sendo testados. Apesar de aquisição e retenção de tarefa estão relacionados, eles podem ser considerados como processos separados 35-37. À medida que os achados deste estudo revelam, diferenças significativas no desempenho pode ser maior dentro de um dos fatores avaliados.
Apesar de latência foi o principal parâmetro utilizado para controlar o desempenho dos animais neste estudo, uma vez que o protocolo inclui a gravação de vídeo de todos os ratinhos que se dedicam à tarefa, é também possível realizar uma análise mais detalhada do comportamento dentro do aparelho de ensaio. A forma como os indivíduos dos grupos enriquecidos e padrão levantadas se comportar dentro da arena, incluindo a maneira como eles abordam os obstáculos da EAch fase da tarefa pode revelar diferenças mais longe, mais sutis de desempenho entre as duas coortes 38-43. Combinado com a capacidade de ajustar os obstáculos para acomodar os animais que estão sendo testados, o Puzzle Box tem o potencial de fornecer um meio simples e rápida de se obter conhecimento sobre a influência de fatores ambientais sobre uma gama de comportamentos cognitivos.
Apesar de simples e poderoso, o Puzzle Box não é um substituto para uma análise mais aprofundada da função cognitiva. Em vez disso, ele fornece uma avaliação de primeira passagem rápida e confiável de resolução de problemas, bem como a aquisição de tarefas e lembre-se que deve então ser analisada mais cuidadosamente, com tarefas de aprendizagem convencionais. A importância de tal método não pode ser exagerada. Tarefas tradicionais de aprendizagem pode exigir uma quantidade considerável de familiarização e formação de indivíduos antes que eles possam produzir resultados interpretáveis, que se possam ter impacto sobre o desempenho 44,45. Assim,um método eficiente e confiável para a obtenção de uma avaliação preliminar da função cognitiva que podem ser facilmente modificados para as necessidades de experiências individuais, tais como o puzzle caixa, é altamente vantajosa.
Dado que os métodos para atenuar e reverter os sintomas prejudiciais exibidos pelos modelos transgénicos de estados de doença estão a ser desenvolvidos continuamente 46,47, um meio rápido e fiável de avaliar a eficácia das intervenções do ponto de vista comportamental é crítica. Os dados aqui apresentados sugerem que esse Puzzle Box é uma ferramenta útil que permitirá que tais avaliações.
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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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