Använda Farmakologisk manipulation och med hög precision Radio Telemetry att studera Spatial Cognition i frigående djur

Summary

Detta dokument beskriver en ny protokoll som kombinerar den farmakologiska manipulation av minne och radio telemetri för att dokumentera och kvantifiera roll kognition i navigering.

Abstract

Ett djurs förmåga att uppfatta och lära sig om sin omgivning spelar en nyckelroll i många beteende processer, inklusive navigering, migration, spridning och födosök. Emellertid är förståelsen av den roll som kognition i utvecklingen av navigations strategier och mekanismerna bakom dessa strategier begränsas av de metodologiska svårigheter som övervakning, manipulera kognition av och spåra vilda djur. Denna studie beskriver ett protokoll för att hantera rollen som kognition i navigering som kombinerar farmakologisk manipulation av beteende med hög precision radio telemetri. Tillvägagångssättet använder skopolamin, en muskarin acetylkolinreceptorantagonist, för att manipulera kognitiva spatiala förmågor. Behandlade djur sedan övervakas med hög frekvens och hög rumslig upplösning via fjärr triangulering. Detta protokoll tillämpas inom en population av östra målade sköldpaddor (Chrysemys picta) som har bebottsäsongs efemära vattenkällor för ~ 100 år, som flyttar mellan fjärran källor använder exakt (± 3,5 m), komplex (det vill säga icke-linjär med hög slingrighet som korsar flera livsmiljöer) och förutsägbara vägar lärt före 4 års ålder. Denna studie visade att de processer som används av dessa sköldpaddor är förenliga med rumslig minnesbildning och minns. Sammantaget visar dessa resultat är förenliga med en roll av rumslig kognition i komplex navigering och belysa integrationen av ekologiska och farmakologiska tekniker i studiet av kognition och navigering.

Introduction

Kognition (definieras här som "alla som är involverade i att förvärva, lagra och använda information från omgivningen processer" ¹⁾ är av central betydelse för en rad komplexa navigationsuppgifter ^2. Till exempel, Sandhill kranar (Gruscanadensis) visar en markant förbättring i migrations precision med erfarenhet ^3, och havssköldpadda arter avtryck på deras natal stränder som ungarna och tillbaka som vuxna ^4-6. På samma sätt framgångsrik migrering, spridning och födosök gångjärn på ett djurs förmåga att samla information om deras rumsliga miljö ^7,8. Vissa djur tycks lära navigations linjer i förhållande till vissa landskapselement ⁹ och kan använda spatial kognition vid förflyttning mellan häcknings och födosök områden ^10. Senaste arbete på östra Målade sköldpaddor (Chrysemys picta) föreslår en kritisk period i navigation, där framgångsrik navigering av bergs livsmiljö som vuxna hänger på Juvenile erfarenhet inom ett snävt åldersgrupp (<4 år ^11-13). Även tillsammans dessa studier visar de framsteg som har gjorts för att förstå betydelsen av lärande i navigation ^{4-6, 14-16,} de mekanismer som ligger bakom sådana beteenden och hela roll kognition i navigation förblir gåtfull, särskilt i ryggradsdjur ^{8, 17 18.}

Fältundersökningar in i rollen av kognition i navigation är sällsynta ^{2, 8, 18,} beror till stor del de metodologiska svårigheterna med övervakning, manipulera och spårning vilda djur. Till exempel de stora rumsliga och tidsskalor som många djur navigera ofta hindra att undersöka både typ av information som dessa djur potentiellt lära sig och hur denna information förvärvas. Praktiker möter ofta de logistiska svårigheter att detektera och lokalisera djur vid övervakning beteende över så stora områden och tidsramar, vilket begränsar den typav data som kan samlas in och de slutsatser som kan dras. Även om användningen av djur monterade Global Positioning System (GPS) brännare kan öka sannolikheten för detektering av allmänt sträcker sig djur, rumsliga data som samlas in på detta sätt är i allmänhet mycket grov upplösning och saknar en detaljerad beteende komponent. Följaktligen data som kan samlas under sådana omständigheter är av begränsat värde för att undersöka subtila variationer i beteende mellan olika grupper eller experimentella behandlingar. På samma sätt är det direkt, styrd manipulation av målbeteenden ofta förbjudet enligt de rumsliga och tidsskalor som är typiska för navigations beteenden, liksom av inneboende logistiska begränsningar av fältstudier. Att hitta djur i deras naturliga miljö, fånga och manipulera dem, och sedan samla beteendedata utan att oavsiktligt producera falska beteenden stora utmaningarna med att arbeta med djur i området. Därför, utformningen av experiment på free omfattande djur ofta begränsad och möjligheten att genomföra rigorösa, kontrollerade fältförsök på sig rollen av kognition i navigation är begränsad.

Den aktuella studien kringgår många av de tidigare svårigheterna med att undersöka sambandet mellan kognition och navigering i området med hjälp av en ny kombination av farmakologisk manipulation och hög upplösning spårning av fritt navigera djur under fältmässiga förhållanden. Skopolamin, ett muskarinacetylkolinreceptorn (mAChR) -antagonist, har visats blockera spatial minnesbildning och återkallande genom att blockera kolinergisk aktivitet i hjärnan hos en mängd olika ryggradsdjur taxa ^18-24. Skopolamin kan användas effektivt på frigående djur under fältförhållanden ^{11, 18} och har en markerad men tillfällig effekt (t ex 6-8 timmar i reptiler). Metylskopolamin, en mAChR-antagonist som inte passerar blod-hjärn-barriären ^19-21, kan användas för att kontrollera föreventuella perifera effekter av skopolamin och för icke-kognitiva aspekter av beteende ^11. Farmakologi möjliggör exakt manipulering av kognition genom direkt påverkar receptorer, och hög precision radio telemetri möjliggör observation av de resulterande effekterna på beteendet. Mätningar som görs via fjärr triangulering med både hög rumslig (± 2,5 m) och tidsmässiga (15 min) upplösning möjliggöra noggrann dokumentation och kvantifiering av djurens beteende i förhållande till den experimentella manipulation av kognition.

Studien ¹¹ genomfördes mellan maj och augusti 2013 och 2014 vid Chesapeake Farms, en 3300 tunnland viltvård och jordbruk forskningsområde i Kent Co., MD, USA (39,194 °, 76,187 ° W). Protokollet omfattar fem huvudsteg: (1) fånga och hanterar djuren (2) Anbringande radiosändare (3) förbereder farmakologiska medel (4) övervakning och manipulera djurtransporter, och (5) analyzing geografiska data. Studien beskrivs häri inriktad på östra målade sköldpaddan (Chrysemys picta). Sköldpaddor i bränn befolkningen delta i årliga land rörelser där de lämnar sina hem dammar och navigera till alternativa akvatiska livsmiljöer genom att använda en av fyra mycket exakt (± 3,5 m), komplexa och mycket förutsägbara vägar ^{11, 12.} Farmakologisk manipulation av djur i detta system parat med hög upplösning radio telemetri belyser betydelsen av kognition i fritt navigera vilda djur.

Protocol

Alla förfaranden som rör djurindivider godkändes av Institutional Animal Care och användning kommittéer Franklin och Marshall och Washington Högskolor och följt alla lokala, statliga och federala regler. 1. Fånga och hantering Placera hoop fällor i mål-kroppen av vatten som är känd för att innehålla sköldpaddor. Identifiera vattendjup säkerställa att 4 – 5 inches av fällan förblir ovanför vattenytan för att tillåta fångade sköldpaddor till ytan och andas. Var säker på att exp…

Representative Results

Med hjälp av ovanstående protokoll, var rollen av kognition i navigation bedömas i en population av östra målade sköldpaddor (Chrysemys picta) som har upplevt säsongs efemära vattenkällor för ~ 100 år. Denna population bebor en blandning av kortlivade (avrunnen årligen och snabbt – i flera timmar) och permanenta akvatiska livsmiljöer (Figur 1). Tidigare studier tyder på att efter deras dammar dräneras, bosatta sköldpaddor navigera till alternativ…

Discussion

Protokollet presenteras här gör det möjligt för försöksledaren att dokumentera och kvantifiera roll kognition i navigering. Manipulera kognition inom området har visat sig vara svårt, eftersom de flesta metoder lämnar praktiker som inte kan veta vilka specifika aspekter av djurets beteende manipuleras. Men protokollet presenteras här gör det möjligt för försöksledaren att noggrant manipulera och därmed bedöma betydelsen av kognition i navigering. Tekniken tillåter ytterligare praktiker att övervaka dj…

Materials

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.