Summary
本稿では、ナビゲーションにおける認知の役割を文書化し、定量化するために、メモリやラジオテレメトリの薬理学的操作を組み合わせた新たなプロトコルを記述します。
Abstract
知覚とその環境について学習する動物の能力は、ナビゲーション、移行、分散および採食を含む多くの行動プロセスにおいて重要な役割を果たしています。しかし、ナビゲーション戦略、これらの戦略の根底にあるメカニズムの発展における認知の役割の理解は、認知を操作し、野生動物を追跡し、監視に関わる方法論的困難さによって制限されます。本研究では、高精度の無線遠隔測定と行動の薬理学的操作を組み合わせたナビゲーションにおける認知の役割に対処するためのプロトコルについて説明します。アプローチは、認知空間の能力を操作するために、スコポラミン、ムスカリン性アセチルコリン受容体拮抗薬を使用しています。処理された動物は、リモート三角測量を介して高周波数と高空間分解能で監視されています。このプロトコルは、人が住んでいる東ニシキガメ( ニシキガメ )の集団内で適用されました正確な(±3.5メートル)を使用して、遠いソース間の移動〜100年間の季節はかない水源は、複合体( すなわち 、複数の生息地を横断高い屈曲度と非線形)、および予測可能なルートは4歳前に学びました。本研究では、これらのカメが使用するプロセスが空間記憶の形成とリコールと一致していることを示しました。一緒に、これらの結果は、複雑なナビゲーションにおける空間認知の役割と一致していると認知とナビゲーションの研究で生態学的および薬理学的技術の統合を強調表示します。
Introduction
認知(本明細書では「取得、保存、および環境からの情報の使用に関連するすべてのプロセス」と定義は、1)複雑なナビゲーションタスク2の配列の中心です。例えば、サンドヒルクレーン( つる座カナデンシス)が孵化としての出生のビーチでマークされた経験を3と渡り鳥の精度の向上、およびウミガメの種のインプリントを示し、大人4-6として返します。同様に、移行が成功し、分散、およびそれらの空間的環境7,8に関する情報を収集するために、動物の能力にヒンジを採餌。いくつかの動物は、特定の景観の特徴9に関連して、ナビゲーションのルートを学ぶために表示され、営巣や採餌エリア10間を移動するときの空間認知を使用してもよいです。東ニシキガメ( ニシキガメ )に関する最近の研究は、成人としての高地生息地の成功ナビゲーションはユーベにかかっナビゲーションにおける重要な期間を、示唆しています(11月13日 <4才)狭い年齢範囲内のナイルの経験。一緒にこれらの研究は、ナビゲーション4-6、14-16で学習の役割を理解してなされたもので進捗状況を実証するが、そのような行動の根底にあるメカニズムやナビゲーションにおける認知の完全な役割は17、特に脊椎動物8に、謎のまま、18。
ナビゲーションにおける認知の役割への現地調査は、主に、監視に関わる方法論的困難さに起因する2、8、18は 、操作、および野生動物を追跡稀です。例えば、多くの動物は、多くの場合、これらの動物は、潜在的に学び、どのようにその情報が取得されている情報の両方のタイプを調査妨げる大きな空間的・時間的スケールをナビゲートするに。実験者は、多くの場合、それによって種類を制限する、このような大規模なエリアや時間枠にわたって行動を監視する場合、動物を検出し、位置の物流困難に直面します収集可能なデータと引き出すことができる結論の。動物に取り付けられた全地球測位システム(GPS)レコーダーの使用は、広範囲の動物の検出確率を向上させることができるが、これらの手段によって収集された空間データは、一般的に非常に粗い分解能であり、詳細な行動の成分を欠いています。したがって、このような状況下で収集することができるデータは、異なるグループまたは実験的治療の間での動作の微妙な変化を調べるために限られた値です。同様に、ターゲットの行動を直接、制御された操作は、多くの場合、ナビゲーション行動の典型的なだけでなく、フィールド調査の固有の物流制約によって、空間的・時間的スケールで禁止されています。 、彼らの自然の生息地で動物を見つけるキャッチし、それらを操作してから、うっかりスプリアス挙動を生じることなく行動データを収集するフィールドに、動物での作業の大きな課題となっています。したがって、FR上の実験の設計EE-範囲の動物は、多くの場合、拘束されているとナビゲーションにおける認知の役割を厳格に制御フィールド実験を実施する能力が限られています。
本研究は、フィールド条件下での薬理学的操作と自由に移動する動物の高解像度の追跡の新規な組み合わせを使用してフィールドの認知とナビゲーションとの間の関係を調査した以前の困難の多くを回避します。スコポラミン、ムスカリン性アセチルコリン受容体(のmAChR)のアンタゴニストは、脊椎動物の分類群18〜24の種々の脳におけるコリン作動性活性を遮断することによって、空間記憶の形成およびリコールを遮断することが示されています。スコポラミンは、現場条件11、18下放し飼いの動物で効果的に使用し、マークされますが、一時的な効果があり得る( 例えば 、6 -爬虫類で8時間)。メチルスコポラミン、血液脳関門19-21と交差しないのmAChRアンタゴニストは、を制御するために使用することができスコポラミンのと行動11の非認知的な側面のための可能な末梢効果。薬理学を直接受容体に影響を与えることにより、認知の正確な操作を可能にし、高精度な無線遠隔測定は、行動上の結果として生じる効果の観察を可能にします。 (2.5メートル±)高い空間および時間(15分)の解像度の両方でリモート三角測量を介して得られる測定値は、認知の実験的操作に動物行動の相対的な正確な文書化および定量化を可能にします。
この研究11はチェサピーク農場、ケント株式会社は、MDで3300エーカーの野生動物管理と農業研究領域、USA(39.194°N、76.187°W)で月と2013年8月と2014年の間に実施されました。 (1)動物を捕獲および取り扱い(2)貼付無線送信機(3)の薬剤を準備する(4)動物の動きを監視し、操作、および(5)ANA:プロトコルは、主に5つのステップが含まれ空間データを溶菌。東に本明細書に記載され焦点を当てた研究はカメ( ニシキガメ)を描きました。焦点人口カメでは、彼らは彼らの家の池を離れ、4非常に、(3.5メートルを±)精密、複雑、かつ高度に予測可能なルート11、12のいずれかを使用して代替水生生息地に移動した年次陸上運動に従事。の動物の薬理学的操作高解像度の無線遠隔測定とペアになって、このシステムは自由に野生動物をナビゲートにおける認知の役割に光を当てます。
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Protocol
動物を対象とするすべての手順は、フランクリンマーシャル、ワシントン大学の施設内動物管理使用委員会によって承認され、すべての地域、州、および連邦規制を追跡しました。
1.キャプチャと取り扱い
- カメを含むことが知られている水のターゲット本体にフープトラップを配置します。トラップの5インチ捕獲されたカメが表面化し、呼吸できるようにするために水の上に残っている - 4は、ことを確実に水の深さを特定します。トラップ崩壊を防ぐために、クロスビームとの最大の長さにフープトラップを展開して確保するようにしてください。ステークドリフトを防ぐために水の体のベッドにトラップします。
- いくつかの死んだ魚、鶏の肝臓、または鶏の首、キャットフードの缶、および/または野菜25缶と餌トラップ。
- 一日二回トラップを確認し、カメを削除します。トラップからカメを取り外すときは、横に動物を保持し、爪やくちばしから怪我をしないように注意してください。
- 混獲リリース。リ継続的な捕獲が所望される場合にトラップを設定します。餌の状態を評価します。餌が消費された場合は、さらに追加。追加のトラップが望まれていない場合は岸にトラップを引き出します。
- 26、27を希望する場合はカメの性別と年齢を決定します。
- 保持袋にカメを置き、最寄りグラムに春のスケールで体重を測定します。
- 少量の水と気候制御の輸送ボックス内の研究室へ輸送カメ。未処理の池の水を約25℃に保持し、頭部のみをカバーするのに十分な深さと水槽で単独ハウス動物。
2.貼付無線送信機
- 送信機の寿命及び出力を最大にするために、動物の体重28の5%を超えない可能最大無線送信機を選択します。
- 約1/3リットルのほぼ中間甲の正中線と横方向の縁部との間の甲羅上の送信機の配置の位置を特定します甲の後縁から上方ength。
- 乾いた布で泥、破片、および藻類の成長を除去することにより、エリアを準備します。 70%のイソプロパノールで綿棒エリア。
- 5分エポキシ少量の送信機を取り付けます。甲の表面との接触を最大にする送信機を向けます。それは体の長軸に動物並列後ろトレイルようにアンテナを配置します。
- いったん適切に位置付け、5分エポキシで全体の送信機と、周囲の甲表面の約1cmをカバーしています。
- 水槽にカメを返し、エポキシは一晩硬化させます。
3.薬理準備
注意:スコポラミン臭化水素酸塩およびスコポラミン臭化メチルは、強力なアセチルコリンアンタゴニストです。これらの薬剤で作業している場合は、適切な個人用保護具( 例えば 、手袋、ヒュームフード)を使用し、材料安全データシートを参照してください、とaccidenを回避するために、実験室の安全なプロトコルに従ってくださいタルコンタクト。
- 滅菌とantipyrogenic消耗品を使用して、スコポラミン臭化水素酸の原液を配合。化学天秤で薬剤の所望量を量り分けます。 1mg / mlの濃度にコニカルチューブに注入食塩水スコポラミンを混合します。溶解するまでボルテックスソリューション。ベース化学物質の化学的純度は、米国薬局方(USP)処方可能な場合は11を満たしているか、超えていることを確認してください。
- スコポラミン臭化メチルと繰り返し手順3.1。
- 0.22μmの細孔ナイロンまたは混合セルロースエステルを介して処理液は、滅菌密封血清バイアルにフィルターをシリンジ。
- 室温で保管してください。 24時間以内に使用してください。
ラジオテレメトリ11、12を使用した 4トラックタートルの動き
- 動物から少なくとも25メートル残り、対象動物の一般的な場所に移動します。 HORIZをスキャンし、指向性八木アンテナを使用して、中に受信機のゲインを設定動物の大まかな方向及び位置を決定します。干渉や微弱な信号を受信すると、新しい位置を見つけます。標高を増やすか、可能な場合は、信号を強化するために空中八木を保持します。
- 適切な場所がベアリングを取るために検出されると、GPSで自分の位置を記録します。
- ヌル/ピーク法28を使用して、左右のヌルのベアリングを決定します。
- 最強の信号の方向を特定します。依然として検出信号を受信しながら、可能な限りゲインを下げてください。そう装備されている場合、受信機のアッテネータスイッチを使用します。左にアンテナを移動して、信号が失われるコンパス方位を記録。
- 右ベアリングのため、前の手順を繰り返します。
- 同じ動物のための少なくとも二つの追加の場所から、ステップ4.3を繰り返します。
注:動物を囲むように、これらの追加的な点は、このような方法で注意しなければなりません。- ベアリングのセットはのGreAから取得された場合T距離や不可避干渉が、精度を高めるために、少なくとも二つの追加のベアリングを取ります。動物が移動している場合は特に、可能な限り迅速に単一の場所を推定するために使用される軸受のセットを収集します。
注:別の方法として、複数の担当者が同時に同じ動物に複数の独立したベアリングを取るように調整することができます。
- ベアリングのセットはのGreAから取得された場合T距離や不可避干渉が、精度を高めるために、少なくとも二つの追加のベアリングを取ります。動物が移動している場合は特に、可能な限り迅速に単一の場所を推定するために使用される軸受のセットを収集します。
- 動物のレコードの位置をデジタルまたは手ですべての10 - 上記の手順を使用して15分。
- 認知処理の操作
- 操作されていない動物のパスが(被験者内制御)文書化された後、スコポラミンまたはメチルスコポラミンのいずれかの用量を提供。ステップ1.5で収集した質量を用いて、スコポラミンの6.4ミリグラム/ kgまたは6.8mgのメチルスコポラミン19の/キロ、20の爬虫類固有の最終用量を達成するために動物に与えられる薬物の量を計算します。
- 1.0メートルを使用して尾腹膜洞を経由して腹膜に直接薬物を送達22ゲージの針を持つリットルシリンジ。配信全量を1ミリリットルを超えないようにしてください。
- キャプチャのそのサイトで、できるだけ早く動物を放します。
- それは、その投影された宛先に到達するまで15分 - すべての10の動物の動きを監視し続けます。
5.空間分析
- 動物の位置の推定値を計算します。
- ヌルベアリングのセットごとに、結果の送信機のベアリングを見つけるために(手でまたはソフトウェアを介して )角度を二等分します。与えられた時点で、すべてのベアリングのために繰り返します。
- 製造業者のプロトコルに従って三角測量ソフトウェアを使用して、複数の送信機軸受と動物の位置と関連する誤差を推定します。ソフトウェアが異なる出力を提供する場合のx / y座標に位置推定値を変換します。
- 繰り返しはベアリングのすべてのセットのために5.1を繰り返します。
- 運動の空間精度を計算します。
- 計算累積幾何平均彼らは彼らの目標12に向かって移動するように操作されていない動物(陰性対照)の( すなわち 、平均パス)。
- 治療および陽性対照群内の個々について、すべてのポイントの100%が11、12が含まれているまで、5メートル間隔での幾何平均線から順に、より大きな帯状に重なる点の累積数を計算します。
- 各グループ内のすべての個人のための各スワスの距離で平均値と標準誤差を計算します。
- 統計的にどちらかの質問に応じて、指定した間隔でポイントまたは重複のポイントの100%に対応するために、間隔の治療群間で比較し、データを分析します。
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Representative Results
上記のプロトコルを使用して、ナビゲーション中の認知の役割は、東部の人口で評価した〜100年間の季節はかない水源を経験したカメ( ニシキガメ)を描きました。永久水生生息地( 図1) -この集団は、一時的な(数時間で毎年、急速に排水)のミックスに生息します。以前の研究は、その池が排出された後、常駐カメは、高精度(3.5メートル±)4歳11-13( 図1)の前に学んだ複雑な、予測可能なルートを使用する場合の代替水源にナビゲートすることを示唆しています。
この研究では、これらのカメで使用されるプロセスは、空間記憶の形成と一致しており、11をリコールすることを示しました。スコポラミンは、空間記憶の形成を含む動物の脳(コリン作動性作用を遮断し、19から21をリコール11にスコポラミンのない効果を示唆していない、スコポラミンによって影響を受けなかった( 図1および図 2)。また、どちらも大人も少年ナビゲーションはメチルスコポラミン制御の影響を受けました。大人の動物( すなわち、現場での経験を持つもの)はスコポラミンを注射ナビゲートするために、歴史的なパスとローカルキューを使用して少年を追跡する能力を失い、血液脳関門を通過しない薬剤を注入したもの大人がありました影響を受けません。そのため、本システムでは成人のナビゲーションは、本質的に認知のようです。一緒に、これらの結果は、カメは、彼らがパスを学び、コリン作動性に依存する認知システムを使用する必要があり、その間に重要な時期を持っているという考えと一致しています大人11-13のようにナビゲートするための(空間記憶)。
図1.ナビゲーションが大人カメでの認知処理に基づいている (a)は、経験豊富な大人と(b)はナイーブ少年の代表的な動き。 -一時(T)から(1〜3年)永久(P)池にスコポラミンかのいずれかで処理しながら、メチルスコポラミン。すべてのナイーブな少年が薬物で処理しながら、伝統的なルート(赤、P <0.001)から(200メートル以上)離れて劇的に漂流スコポラミン受け、すべての成人(9は、n =、黄色を、)(B、黄色、N = 7)まさに伝統的なルート(P> 0.999)内の動きを維持しました。すべてのコントロール大人(、白、N = 9)とナイーブ少年を制御する(bが、白はn = 6)は、従来の経路た(p> 0.999)を行いました。ポイントの各行は、1つの個体を表します。すべてのグループからすべてのカメsがた(p> 0.999)注射の前に、高精度を維持しました。ロスとクロフマル11からのデータ。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
ナビゲーションの精度2.図はアダルトカメの認知処理の機能である a)のすべてのカメは、治療前(スコポラミン)の注射または制御(メチルスコポラミンへの移動の高精度を実証した;。。P> 0.999)b)に注射した後、スコポラミン治療の成人は、彼らの伝統的なルートから(P <0.001)が有意にずれます。これとは対照的に、他のすべてのグループは、高精度(; P> 0.999±3.5メートル)で移動し続けました。 3.5メートル - インサートは、0.5から重複の詳細を示しています。ポー川int型は平均±SEMです。ロスとクロフマル11からのデータ。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
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Discussion
ここで紹介するプロトコルは、実験者は、ナビゲーションにおける認知の役割を文書化し、定量化することができます。ほとんどのアプローチは、動物の行動の特定の側面が操作されているかを知ることができない実験者を残すようにフィールドに認知を操作することは、困難であることが判明しました。しかし、ここで紹介するプロトコルは、実験者が正確に操作するため、ナビゲーションにおける認知の役割を評価することができます。技術はさらに、それによって力を与える研究者が野生動物における認知の実験的操作の行動の影響を明確に文書化するために、実験者は、非常に高い空間分解能と時間分解能でリアルタイムに動物のナビゲーションを監視することができます。
このような状況の中で、無線遠隔測定は、高品質の空間と行動データの両方を得、正確に偉大な距離で動物の動きを監視する機能を提供します。テレメトリーのこの適用はされるものではないが28新しい、大多数の研究は、生態や行動( 例えば 、生息地の使用、自宅範囲サイズなど )で粗質問に対処するためにこの手法を使用しています。動物の場所の頻繁なモニタリング(4 - 時間あたり5回)は、細かいスケールの空間分析と組み合わせ、ここで説明した空間での動物の場所に、より詳細な行動のコンポーネントを提供します。最適トラッキング距離は、送信機の強度や機器の感度の関数であることに注意してください。一般的には、動物がオープン植生に位置している場合、このような障害を回避するために必要な距離が大きくなるかもしれないが、それを乱さないために、少なくとも25メートル離れて動物から残ることがベストプラクティスです。
現在のアプリケーションでは、高精度の無線遠隔測定は、動物搭載型GPSレコーダーの使用以上のユニークな利点を提供しています。送信機は小さくすることができ、安価であり、GPSユニット28より長いバッテリー寿命を有します。また、トン無線遠隔測定を介して遠隔三角測量のemporal解像度は動物装着型GPSよりはるかに優れています。時間的に、動物に取り付けられたGPSユニットは( すなわち 、測定値の有限数は、それによってその周波数を制約、撮影することができ)、バッテリ寿命によって制限されます。 GPSを用いた高精度なトラッキングが長期間にわたって高い周波数位置を得るために大きなバッテリが必要となります。これらの電池の実質的な質量が小さな動物搭載型GPSユニット28で使用することを禁じます。さらに、高精度の無線遠隔測定は高価なデータ検索コストによって制約、またはオンボードメモリストレージに限定されるものではありません。しかし、無線遠隔測定は、深層水や穴を掘る種、または急な山地の生息地のもので、特に大きな動きの範囲( 例えば 、長距離移行中)、で動物を追跡するための最適ではありません。また、高精度の無線追跡は非常に時間がかかることができ、特に、F、比較的大きなフィールドの乗組員を必要としまたは動きの速い種;したがって、このアプローチは、すべての質問には適していない場合があります。
スコポラミン及びメチルスコポラミンとの薬理学的操作は、自然環境における認知の研究のための具体的な進歩を提供しています。行動は、それによって潜在的な照会の範囲を限定するもので、特に現場条件の下で、解釈するのは難しいことができます。スコポラミンは、具体的に認知の操作に関する質問をする研究者を可能にする、認知プロセスに影響を与える特定の受容体の操作を可能にします。スコポラミンは、容易に血液脳関門を通過し、メチルスコポラミンがないのでさらに、研究者は、それによって解離スコポラミンの末梢効果を制御することができ、認知系非認知行動から。薬理学的操作のこれらの利点は、生成と明確な行動予測のその後のテストを可能にし、フィールド条件の下で複雑な実験デザインの使用を与えます。しかし、皮下opolamineは、他の、行動の感覚、および認知システム21-24に意図しない影響を持つことができ、非常に一般的なアセチルコリンアンタゴニストです。したがって、スコポラミンの使用は、複雑な行動の解釈を妨害することができる効果を奏することが可能である( 例えば 、瞳孔拡張、熱感受性21-24、29、30)。そのような交絡効果は、このまたは以前の研究11-13、19、20で検出されていません。
ラジオ追跡中に発生した一般的な問題は、弱い信号、信号の損失、および干渉が含まれます。弱い信号に対処するために、(アニマを乱さないように注意しながら)近い動物に移動し、ゲイン、変化のアンテナの向きを増加させ、およびアンテナ28を上昇させます。信号が完全に失われた場合、検索28制限外側に螺旋状の領域におけるゲインとできるだけ高いアンテナを検索します。干渉attenuatoを使用して、ゲインを減少させることにより防除することができますRまたはノイズ(そう搭載する場合)のフィルタを解除すると、アンテナの向きを変えます。干渉はこれらの手段によって克服することができない場合は、調査地での今後の課題は、干渉の影響を受けません帯域幅に焦点を当てるべきです。
全体的に、高精度のテレメトリと一緒に薬理学的操作は、認知が起源とナビゲーションの現れで果たす役割にユニークな洞察を提供しています。このユニークな方法の新規性は、研究者がより良いナビゲーションにおける認知を引き起こす根本的な神経学的メカニズムを理解することができます。また、これらの技術は、空間的に明示的な行動( 例えば 、ナビゲーション、遊走、採餌、および分散)11〜13、33への特定の適用を有する野生の認知のさらなる研究のために使用することができる、認知1,7、及び保全の進化( 例えば 、転座、再導入)31、32。この技術は広い鳴ったのに便利です生息地の広い範囲で分類群のeとは、認知に系統学的パターンを理解するために不可欠となります。
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Materials
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Scopolamine bromide | Sigma | S0929 | USP |
Scopolamine methylbromide | Sigma | S8502, 1421009 | USP and non USP versions |
Saline | Hanna Pharmaceutical Supply Co., Inc. | 409488850 | USP, formulated as an injectable |
Syringe filter | Fisher | 09-720-004 | |
Syringe | Fisher | 14-823-30 | |
Hypodermic needle | Fisher | 14-823-13 | |
Antenna | Wildlife Materials | 3 Element Folding Yagi | Antennae with additional elements are available, but can be cumbersome in the field. |
Radio Receiver | Wildlife Materials | TRX-2000S | Water resistant models are also available. |
Compass | Brunton | Truarc 15 | |
Radio transmitters | Holohil Inc. | BD-2, PD-2, RI-2B | Transmitter models vary in lifespan and signal output as a function of battery size and pulse rate settings, which can be customized based on the study question and organism. |
GPS | Garmin | eTrex Venture | |
Coaxial cable | newegg.com | C2G 40026 | BNC connections are necessary. |
Hoop net | Memphis Net and Twine | TN325 | Net mesh size should be chosen based on the minimum size of the target animal. |
References
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