Double-H labyrint: En Robust Behavioral Test for Læring og Hukommelse i Gnavere
Summary
The goal of this protocol is to investigate spatial cognition in rodents. The double-H water maze is a novel test, which is particularly useful to elucidate the different components of learning, consolidation and memory, as well as the interplay of memory systems.
Abstract
Rumlige kognition forskning i gnavere beskæftiger typisk anvendelse af labyrinten opgaver, hvis attributter varierer fra labyrint til den næste. Disse opgaver varierer fra deres adfærdsmæssige fleksibilitet og krævede hukommelse varighed, antallet af mål og veje, og også den overordnede opgave kompleksitet. En confounding træk i mange af disse opgaver er manglen på kontrol over den strategi, ansat af gnavere for at nå målet, f.eks allocentric (deklarative-lignende) eller egocentriske (proceduremæssige) baseret strategier. Den dobbelt-H labyrint er et nyt vand-escape hukommelse opgave, der omhandler dette emne, ved at lade forsøgslederen at lede type strategi lært under uddannelsen periode. Den dobbelt-H labyrint er en transparent enhed, som består af en central baggyden med tre arme fremspringende på begge sider, sammen med et escape platform neddykket i Enden af en af disse arme.
Rotter kan trænes ved hjælp af en allocentric strategi ved at skifte stkunst position i labyrinten på uforudsigelig måde (se protokol 1, §4.7), hvilket således kræver dem til at lære placeringen af platform baseret på de tilgængelige allothetic signaler. Alternativt kan et egocentrisk strategi læring (protokol 2; §4.8) kan anvendes ved at frigøre rotterne fra samme position under hvert forsøg, indtil de lærer det processuelle mønster kræves for at nå målet. Denne opgave har vist sig at give mulighed for dannelsen af stabile hukommelse spor.
Hukommelse kan probes efter praktikperioden i en misvisende sonde retssag, hvor startpositionen for rotter suppleanter. Efter en egocentrisk læringsbegreb rotter typisk ty til en allocentric-baseret strategi, men kun når deres oprindelige syn på ekstra labyrint signaler adskiller sig markant fra deres oprindelige position. Denne opgave er ideel til at udforske virkningerne af narkotika / forstyrrelser på allocentric / egocentrisk hukommelse ydeevne, samt samspillet mellem these to memory-systemer.
Introduction
Hos dyr er læring hovedsageligt medieret af de hippocampal- og striatale-baserede hukommelse systemer 1,2, som spiller centrale roller vedrørende sted- og proceduremæssige-hukommelse, hhv. Forholdet mellem disse to systemer er komplekse, og de er kendt for at interagere med hinanden i kooperative eller konkurrerende manerer 1,3. Desuden har undersøgelser vist, at indflydelsen af en af disse hukommelsessystemer på dyrs adfærd kan stige som følge af fravær eller beskadigelse af det andet system 4-7. Begge disse systemer er forbundet til den præfrontale cortex via thalamus.
Talrige neurologiske lidelser og neurodegenerative sygdomme kan påvirke rumlig kognition hos mennesker, der er afhængige af samspillet mellem proceduremæssige og deklarative hukommelse systemer. Eksempler indbefatter Parkinsons sygdom (PD), Huntingtons sygdom (HD) 8-10, Alzheimers sygdom (AD) 11-14, samtamyotrofisk lateral sklerose (ALS) 15. Dyremodeller, der er relevante for disse sygdomme kan induceres gennem forskellige medicinske behandlingsmetoder, der blokerer visse receptorer 16, samt gennem målrettede læsioner. Når sådanne dyr anvendes med rumlig hukommelse opgaver, kan en værdifuld indsigt opnås i de underliggende mekanismer relateret til disse lidelser, såvel som til forskellige behandlingsmuligheder.
Der er mange forskellige typer af rumlig hukommelse opgaver i gnavere, der tilsammen har til formål at vurdere specifikke aspekter af indlæring og hukommelse, såvel som virkningerne af potentielle behandlinger af forskellige lidelser 17,18. Disse opgaver kan skelnes med antallet af mål og veje, graden af adfærdsmæssige fleksibilitet i løsningen af opgaven, hukommelsen varighed eller forsinkelse, samt valg af strategi, der anvendes til at løse opgaven. En god præstation kan erhverves på grundlag af eksterne signaler eller landmærker, som anvendes til at orienteredyret mod mål (et allocentric eller sted strategi). Alternativt kan en gnaver udvikle en strategi, der bygger på kropslig retning og tidskoder med hensyn til den retning, at bevæge sig i (en egocentrisk eller proceduremæssige strategi), f.eks hvis en rotte ved, at målet er en venstresving efterfulgt af et højresving , er der stort behov for en allocentric eller sted strategi. Maze opgaver ofte variere baseret på graden af fleksibilitet til gnaver i at løse dem. For eksempel i Morris Water Maze, en tør version af sidstnævnte (fx 19) eller Barnes labyrint (f.eks, 20), der er potentielt uendelige ruter rotten kan tage for at nå målet. I Morris Water Maze, for eksempel placeringen af målet kan læres baseres på eksterne vartegn eller stikord (allocentric strategi), eller ved simpelthen at svømme i cirkler mod midten, indtil platformen er fundet (egocentric strategi) 21. Visse opgaver har flere målog en høj grad af fleksibilitet, såsom kegle-field opgave 22 eller Olton radiale labyrint 23. I den anden ende af skalaen er opgaver, som tilbyder begrænset fleksibilitet i at nå målet, f.eks Stone labyrint, eller den alternerende version af T-labyrinten. Disse opgaver giver kun én rigtig måde at nå målet, og fremme udviklingen af kognitive rutiner, som hovedsageligt er omfattet af striatale-baserede proceduremæssige hukommelse system.
Den dobbelt-H labyrint er en roman rumlig hukommelse test-enhed, der er designet til at tillade forsøgslederen at lede type strategi, der er lært af gnavere i at løse opgaven 24. Som består af tre parallelle run arme gennemskåret af en vinkelret central gyde, dobbelt-H labyrint er en vand-escape opgave, som gnavere lærer at nå en flugt platform, der er nedsænket i et af labyrinten lokationer. Under træningen kan en processuel strategi skal udvikles ved at opretholde than samme start og mål steder i hele. Alternativt kan en allocentric strategi udvikles ved skiftevis start placering i en tilfældig rækkefølge, således kræver rotten til at lære placeringen af skjulte platform baseret på miljømæssige signaler, som det har at gøre i en vand labyrint. Dette overvinder en forhindring til stede i mange forskellige labyrint opgaver, hvor forsøgslederen ellers har lidt kontrol over den type strategi, gnavere udnytte. Dette er vigtigt, når man overvejer, at virkningerne af visse kognition-styrke lægemiddelkandidater afhængige af hippocampus-baserede sted-memory-system, således at der opstår kognitive rutiner eller procedurer kan forvirre fortolkning af de adfærdsmæssige observationer, når dyr, for eksempel skifte fra allocentric til proceduremæssige hukommelse i løbet af uddannelsen. Tilsvarende kan det være ønskeligt at vurdere virkningerne af lægemidler og behandlinger på proceduremæssige hukommelse, uden indflydelse af allocentric sted-baseret hukommelse. Endelig er denne enhedkan udnyttes til at undersøge de kooperative eller konkurrencedygtige interaktioner mellem disse memory systemer, og de betingelser, hvorunder gnavere kan skifte fra et system til et andet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kommentarer til Undersøgelse Design og analyse
Siden sin udformning, er den dobbelt-H labyrint blevet anvendt i en række adfærdsmæssige forsøg i rotter, der tilsammen var designet til at studere egocentriske og / eller allocentric responser hos rotter ved normalt 24,25 og ændrede 26-29 hjernetilstande. De sidstnævnte undersøgelser omfatter striatale deep-brain stimulation (DBS) 26, dyremodeller for neurologiske lidelser 27,28, samt bilaterale …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af universitetet i Strasbourg og Neurex-Neuroscience Øvre Rhin Network (post-doc stipendium til RP) og ved BrainLinks-BrainTools Cluster of Excellence finansieret af den tyske Research Foundation (DFG indrømme nummer EXC 1086). Vi takker Nadja Martini for ekspert teknisk bistand.
Materials
| Rats or Mice | Charles River | ||
| Towels for drying | University Hospital | 1 / animal | |
| Water | ~200 L / day | ||
| Skim milk powder | Grocery store | 250 g / 200 L water | |
| Garden Hose | Hardware store | ||
| Drying rack for towels | Hardware store | ||
| Kinect camera | Kinect | ||
| PC computer | any | ||
| [header] | |||
| Double H Maze, (plexiglass) (Custom-Built) | |||
| External lateral walls, 1600 × 350 × 6 mm | 2 | ||
| Internal lateral walls, 706 × 350 × 6 mm | 8 | ||
| Central corridor panels, 500 × 350 × 6 mm | 4 | ||
| Arm extremities, 188 × 350 × 6 mm | 6 | ||
| Guillotine doors, 187 × 350 × 6 mm | 3 | ||
| Extremity covers, 200 × 250 mm | 6 | ||
| Crossbars, 200 × 40 mm | 6 | ||
| [header] | |||
| Double-H Maze Platform (to be ballasted) | Double-H Maze Platform (to be ballasted) (Custom-Built) | ||
| Metal platform, 100 mm diameter × 150 mm | 2 | ||
| Platform cover, 100 mm diameter × 6mm | 2 |
References
- Izquierdo, I., et al. The connection between the hippocampal and the striatal memory systems of the brain: a review of recent findings. Neurotoxicity Research. 10 (2), 113-121 (2006).
- Albouy, G., et al. Both the hippocampus and striatum are involved in consolidation of motor sequence memory. Neuron. 58 (2), 261-272 (2008).
- Albouy, G., et al. Interaction between Hippocampal and Striatal Systems Predicts Subsequent Consolidation of Motor Sequence Memory. Plos One. 8 (3), (2013).
- Chang, Q., Gold, P. E. Intra-hippocampal lidocaine injections impair acquisition of a place task and facilitate acquisition of a response task in rats. Behav Brain Res. 144 (1-2), 19-24 (2003).
- McDonald, R. J., Hong, N. S., Devan, B. D. The challenges of understanding mammalian cognition and memory-based behaviours: an interactive learning and memory systems approach. Neurosci Biobehav Rev. 28 (7), 719-745 (2004).
- Packard, M. G. Anxiety cognition, and habit: a multiple memory systems perspective. Brain Res. 1293, 121-128 (2009).
- Packard, M. G., McGaugh, J. L. Inactivation of hippocampus or caudate nucleus with lidocaine differentially affects expression of place and response learning. Neurobiol Learn Mem. 65 (1), 65-72 (1996).
- Lawrence, A. D., et al. Executive and mnemonic functions in early Huntington’s disease. Brain. 119 (Pt 5), 1633-1645 (1996).
- Lawrence, A. D., Watkins, L. H., Sahakian, B. J., Hodges, J. R., Robbins, T. W. Visual object and visuospatial cognition in Huntington’s disease: implications for information processing in corticostriatal circuits. Brain. 123 (Pt 7), 1349-1364 (2000).
- Walker, F. O. Huntington’s disease. Lancet. 369 (9557), 218-228 (2007).
- Cushman, L. A., Stein, K., Duffy, C. J. Detecting navigational deficits in cognitive aging and Alzheimer disease using virtual reality). Neurology. 71 (12), 888-895 (2008).
- Liu, L., Gauthier, L., Gauthier, S. Spatial disorientation in persons with early senile dementia of the Alzheimer type. A`m J Occup Ther. 45 (1), 67-74 (1991).
- Mapstone, M., Steffenella, T. M., Duffy, C. J. A visuospatial variant of mild cognitive impairment: getting lost between aging and AD. Neurology. 60 (5), 802-808 (2003).
- Vliet, E. C., et al. The neuropsychological profiles of mild Alzheimer’s disease and questionable dementia as compared to age-related cognitive decline. J Int Neuropsychol Soc. 9 (5), 720-732 (2003).
- Hanagasi, H. A., et al. Cognitive impairment in amyotrophic lateral sclerosis: evidence from neuropsychological investigation and event-related potentials. Brain Res Cogn Brain Res. 14 (2), 234-244 (2002).
- Robbins, T. W., Murphy, E. R. Behavioural pharmacology: 40+ years of progress, with a focus on glutamate receptors and cognition. Trends Pharmacol Sci. 27 (3), 141-148 (2006).
- Paul, C. M., Magda, G., Abel, S. Spatial memory: Theoretical basis and comparative review on experimental methods in rodents. Behav Brain Res. 203 (2), 151-164 (2009).
- Hodges, H. Maze procedures: the radial-arm and water maze compared. Brain Res Cogn Brain Res. 3 (3-4), 167-181 (1996).
- Kesner, R. P., Farnsworth, G., Kametani, H. Role of parietal cortex and hippocampus in representing spatial information. Cereb Cortex. 1 (5), 367-373 (1991).
- Barnes, C. A. Memory deficits associated with senescence: a neurophysiological and behavioral study in the rat. J Comp Physiol Psychol. 93 (1), 74-104 (1979).
- Whishaw, I. Q., Cassel, J. C., Jarrad, L. E. Rats with fimbria-fornix lesions display a place response in a swimming pool: a dissociation between getting there and knowing where. J Neurosci. 15 (8), 5779-5788 (1995).
- Staay, F. J., Raaijmakers, W. G., Lammers, A. J., Tonnaer, J. A. Selective fimbria lesions impair acquisition of working and reference memory of rats in a complex spatial discrimination task. Behav Brain Res. 32 (2), 151-161 (1989).
- Olton, R. S., Samuelson, R. J. Remembrance of places past: Spatial memory in rats. J Exp Psych. 2 (2), 97-116 (1976).
- Pol-Bodetto, S., et al. The double-H maze test, a novel, simple, water-escape memory task: acquisition, recall of recent and remote memory, and effects of systemic muscarinic or NMDA receptor blockade during training. Behav Brain Res. 218 (1), 138-151 (2011).
- Cassel, R., Kelche, C., Lecourtier, L., Cassel, J. -. C. The match/mismatch of visuo-spatial cues between acquisition and retrieval contexts influences the expression of response vs. place memory in rats. Behavioural Brain Research. 230 (2), 333-342 (2012).
- Schumacher, A., de Vasconcelos, A. P., Lecourtier, L., Moser, A., Cassel, J. C. Electrical high frequency stimulation in the dorsal striatum: Effects on response learning and on GABA levels in rats. Behavioural Brain Research. 222 (2), 368-374 (2011).
- Lecourtier, L., et al. Intact neurobehavioral development and dramatic impairments of procedural-like memory following neonatal ventral hippocampal lesion in rats. Neurosciences. 207, 110-123 (2012).
- Kirch, R. D., et al. Early deficits in declarative and procedural memory dependent behavioral function in a transgenic rat model of Huntington’s disease. Behav Brain Res. 239, 15-26 (2013).
- Cholvin, T., et al. The ventral midline thalamus contributes to strategy shifting in a memory task requiring both prefrontal cortical and hippocampal functions. J Neurosci. 33 (20), 8772-8783 (2013).
- Hooge, R., De Deyn, P. P. Applications of the Morris water maze in the study of learning and memory. Brain Res Brain Res Rev. 36 (1), 60-90 (2001).
