Het beoordelen van ruimtelijke leren en geheugen in Small Squamate Reptielen
Summary
This paper describes a modification of the Barnes maze, a standard rodent paradigm used to assess spatial memory and learning, for use in small squamate reptiles.
Abstract
Klinisch onderzoek heeft een aantal paradigma's ingezet om cognitieve achteruitgang te beoordelen, vaak gericht ruimtelijke leren en geheugen capaciteiten. Echter, interesse in de cognitieve processen van nonmodel soorten, meestal binnen een ecologische context, is ook een opkomende vakgebied geworden. In het bijzonder is de interesse in cognitieve processen bij reptielen groeiende hoewel experimenteel onderzoek reptielen cognitie schaars. De weinige reptielen studies die experimenteel zijn getest voor ruimtelijke leren en geheugen hebben knaagdieren paradigma aangepast voor gebruik in reptielen gebruikt. Echter, ecologisch belangrijke aspecten van de fysiologie en gedrag van deze taxonomische groep moet rekening worden gehouden bij het testen voor ruimtelijk gebaseerde cognitie. Hier beschrijven we modificaties van het droge land Barnes doolhof en bijbehorende testprotocol dat de prestaties kunnen verbeteren wanneer het sonderen voor ruimtelijke leren en geheugen capaciteit in kleine squamate reptielen. De beschreven paradigma en proprocedures werden met succes gebruikt met mannelijke-side blotched hagedissen (Uta stansburiana), waaruit blijkt dat de ruimtelijke leren en geheugen in deze taxonomische groep kan worden beoordeeld met een ecologisch relevante apparaat en protocol.
Introduction
Vele neurodegeneratieve ziekten, zoals Alzheimer aanwezig met een geleidelijke afname in cognitief vermogen, meestal tegelijk met de afbraak van de hersenen 1-4. Om te testen voor de invloed van hersenletsel en degradatie op cognitieve processen, heeft klinisch onderzoek de voordelen van een model knaagdieren en standaardisatie van testapparatuur en protocol leveraged. In het bijzonder zijn de ruimtelijke leer- en geheugenprocessen geëvalueerd via diverse standaard paradigma's zoals de Morris water doolhof, Barnes doolhof, en radiale arm doolhof (voor een uitgebreid overzicht van deze en andere paradigma's, zie 5,6). De rijke geschiedenis van deze ruimtelijke leren en geheugen paradigma's heeft bewezen zeer succesvol, waardoor onderzoekers om veel van de facetten en nuances van de relatie tussen het menselijk geheugen, de hersenfunctie en de ziekte te begrijpen.
Terwijl de beoordeling van de cognitieve processen heeft in klinisch onderzoek onderzocht voor stoppene enige tijd, het onderzoek gericht op de cognitieve vaardigheden van nonmodel soort is relatief nieuw. Onderzoekers bestuderen cognitie bij nonmodel soorten zijn doorgaans geïnteresseerd in de ecologische en evolutionaire relevantie van cognitieve processen, met name in de context van overleving en voortplanting. Sommige studies in reptielen hebben gesuggereerd dat geavanceerde cognitieve vaardigheden, in het bijzonder ruimtelijk geheugen, kunnen sommige gedragingen, met name die met betrekking tot de navigatie en oriëntatie ten grondslag liggen. Hoewel veel studies hebben aangetoond dat reptielen heroriënteren na verplaatsing 7,8, cognitieve mechanismen van heroriëntatie gedrag nog geplaagd elkaar. Hierdoor hebben sommige studies geprobeerd om experimenteel te evalueren hoe belangrijk ruimtelijk leren en geheugen tijdens de navigatie 9-17. De methode van deze studies worden voornamelijk gemodelleerd naar knaagdier paradigma's en protocollen soms aangepast voor gebruik bij reptielen, maar deze studieswisselend succes bij de beoordeling ruimtelijk geheugen hebben. Sommige studies hebben ruimtelijke leren en geheugen aangetoond in sommige soorten 11-17, terwijl andere studies vonden geen bewijs van een dergelijke 9,10. Zo is de rol of het bestaan van ruimtelijke leren en geheugen tijdens het navigeren bij reptielen is nog onduidelijk.
Een kwestie die problematisch kunnen zijn bij de beoordeling van experimenteel ruimtelijke leren en geheugen bij reptielen is de ecologische betekenis van de taak. Reptielen zijn een speciale taxonomische groep sterk verschillen van knaagdieren, waaruit blijkt grote variatie in de ecologie, het gedrag en fysiologie. Verschillen in gedrag tegenover reptielen soorten zou kunnen effectbeoordeling van ruimtelijke cognitieve vaardigheden, met name als het paradigma niet meer te boren in een natuurlijke gedrag. Bijvoorbeeld, in een soort die typisch toevlucht zoekt in kleine spleten, ruimtelijke vaardigheden kunnen gemakkelijk worden beoordeeld aan de hand van een Barnes doolhof dat deze doolhof niet de ideale paradigma keuze kan zijnin een soort die meestal blijft roerloos. Ook de meeste squamate reptielen zijn niet aquatische en daarmee kan de Morris water maze niet een geschikte keuze voor het testen van ruimtelijke leren en geheugen (maar zie 15); echter, kan dit doolhof een ideale keuze voor het testen van ruimtelijke vaardigheden in schildpadden 16 zijn. Ten slotte moet de fysiologie van deze groep worden verwerkt, reptielen ectothermic en juiste temperatuur houden, met name van het substraat, dient tijdens de testprocedure worden overwogen.
Het protocol en paradigma hier gepresenteerde werden gebruikt om te peilen voor ruimtelijke leren en geheugen bij volwassen-side blotched hagedissen (Uta stansburiana) 13, een kleine hagedis die typisch vlucht van roofdieren in kleine spleten in de rotsen 18. Dit wetende aspect van de biologie en gedrag van de soort, gebruikten we een aanpassing van de traditionele Barnes doolhof te testen voor ruimtelijk leren en geheugen. De Barnes doolhof isa droge-land doolhof en meestal gebruikt voor het testen van de ruimtelijke cognitie in diermodellen. We pasten onze doolhof op verschillende manieren van het knaagdier labyrint, in zowel het ontwerp en protocol (hieronder beschreven). Onze doolhof bestaat uit een cirkelvormig platform 10 gaten op gelijke afstand van elkaar langs de omtrek van het platform (figuur 1). De hier beschreven protocol omvat een subject die een opleiding proeven om de locatie van een doel gat leert dan wanneer het onderwerp leert de locatie van het doel gat, een sonde proef wordt gebruikt om ruimtelijk geheugen benuttingsvoorwaarden tijdens navigatie naar het doel.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bij experimenteel testen voor ruimtelijke leren en geheugen, zijn er een aantal belangrijke conceptuele vraagstukken die in enkele van de belangrijkste stappen in het protocol worden aangepakt. Ten eerste moet onderwerpen tonen dat zij leren de locatie van het doel gat in de loop van de training proeven. Het bereiken van de vooraf ingestelde criterium toont aan dat het leren van het doel gat locatie heeft plaatsgevonden. Als patiënten niet over de locatie van het doel gat te leren, is er geen haalbare manier om vervolg…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We thank M. Forney, R. Maged, and K. Hellwinkle for data collection and two anonymous reviewers for comments on a previous version of this manuscript. This research was supported by an NSF award to LDL (IOS-0918268).
Materials
| Barnes maze | TSE Systems | 302050-BM/M | Available from other vendors. Alternatively, a Barnes maze can be constructed from a standard, non-porous round table. |
| Heat tape | Big Apple Pet Supply | May also use a small space heater situated on the floor under the maze. | |
| Pet keeper for small animals | Petco | 1230204 | Housing enclosure that can be mounted under the maze. |
| Nickel plated shelf support pegs | Newegg | 241941 | Pegs attached to underside of maze. Secures enclosure to maze during trials. |
| LifeCam Studio webcam | Microsoft | Q2F-00013 | Available from other vendors. Other brands of webcams may also be used. |
| Tracking software | Code custom written for Matlab and the Image Toolbox |
Video tracking software. Other tracking software such as VideoMot 2 from TSE Systems can be used. |
Riferimenti
- Adriano, F., Caltagirone, C., Spalletta, G. Hippocampal volume reduction in first-episode and chronic schizophrenia: A review and meta-analysis. Neuroscientist. 18, 180-200 (2012).
- Karl, A., Schaefer, M., Malta, L. S., Dorfel, D., Rohleder, N., Werner, A. A meta-analysis of structural brain abnormalities in PTSD. Neurosci. Biobehav. Rev. 30, 1004-1031 (2006).
- Shi, F., Liu, B., Zhou, Y., Yu, C., Jiang, T. Hippocampal volume and asymmetry in mild cognitive impairment and Alzheimer’s disease: Meta-analyses of MRI studies. Hippocampus. 19, 1055-1064 (2009).
- Videbech, P., Ravnkilde, B. Hippocampal volume and depression: A meta-analysis of MRI studies. Am. J. Psychiatry. 161, 1957-1966 (2004).
- Sharma, S., Rakoczy, S., Brown-Borg, H. Assessment of spatial memory in mice. Life Sci. 87, 521-536 (2010).
- Vorhees, C. V., Williams, M. T. Assessing spatial learning and memory in rodents. ILAR J. 55, 310-332 (2014).
- Jenssen, T. A. Spatial awareness by the lizard Anolis Cristatellus: Why should a non-ranging species demonstrate homing behavior. Herpetologica. 58, 364-371 (2002).
- Pittman, S. E., Hart, K. M., Cherkiss, M. S., Snow, R. W., Fujisaki, I., Smith, B. J., Mazzotti, F. J., Dorcas, M. E. Homing of invasive Burmese pythons in South Florida: evidence for map and compass senses in snakes. Biol. Lett. 10, (2014).
- Day, L. B., Crews, C., Wilczynski, W. Spatial and reversal learning in congeneric lizards with different foraging strategies. Anim. Behav. 57, 393-407 (1999).
- Day, L. B., Crews, C., Wilczynski, W. Effects of medial and dorsal cortex lesions on spatial memory in lizards. Behav. Brain Res. 118, 27-42 (2001).
- Holtzman, D. A. From Slither to Hither: Orientation and Spatial Learning in Snakes. Integr. Biol. 1, 81-89 (1998).
- Holtzman, D. A., Harris, T. W., Aranguren, G., Bostock, E. Spatial learning of an escape task by young corn snakes, Elaphe guttata guttata. Anim. Behav. 57, 51-60 (1999).
- LaDage, L. D., Roth, T. C., Cerjanic, A. M., Sinervo, B., Pravosudov, V. V. Spatial memory: are lizards really deficient. Biol. Lett. 8, 939-941 (2012).
- Nobel, D. W. A., Carazo, P., Whiting, M. J. Learning outdoors: male lizards show flexible spatial learning under semi-natural conditions. Biol. Lett. 8, 946-948 (2012).
- Foà, A., Basaglia, F., Beltrami, G., Carnacina, M., Moretto, E., Bertolucci, C. Orientation of lizards in a Morris water-maze: roles of the sun compass and the parietal eye. J. Exp. Biol. 212, 2918-2924 (2009).
- López, J. C., Vargas, J. P., Gómez, Y., Salas, C. Spatial and non-spatial learning in turtles: the role of medial cortex. Behav. Brain Res. 143, 109-120 (2003).
- Petrillo, M., Ritter, C. A., Powers, A. S. A role for acetylcholine in spatial memory in turtles. Physiol. Behav. 56, 135-141 (1994).
- Zani, P. A., Jones, T. D., Neuhaus, R. A., Milgrom, J. E. Effect of refuge distance on escape behavior of side-blotched lizards (Uta stansburiana). Can. J. Zool. 87, 407-414 (2009).
- Mason, R. T., Gans, C., Crews, D. Reptilian Pheromone. Hormones, Brain, and Behavior: Biology of the Reptilia. , 114-228 (1992).
- Crawley, J. N., et al. Behavioral phenotypes of inbred mouse strains: implications and recommendations for molecular studies. Psychopharmacology. 132, 107-124 (1997).
- Schellinck, H. M., Cyr, D. P., Brown, R. E. How Many Ways Can Mouse Behavioral Experiments Go Wrong? Confounding Variables in Mouse Models of Neurodegenerative Diseases and How to Control Them. Adv. Stud. Behav. 41, 255-366 (2010).
- O’Leary, T. P., Brown, R. E. The effects of apparatus design and test procedure on learning and memory performance of C57BL/6J mice on the Barnes maze. J. Neurosci. Methods. 203, 315-324 (2012).
- O’Leary, T. P., Brown, R. E. Optimization of apparatus design and behavioral measures for the assessment of visuo-spatial learning and memory of mice on the Barnes maze. Learn. Mem. 20, 85-96 (2013).
- Patil, S. S., Sunyer, B., Höger, H., Lubec, G. Evaluation of spatial memory of C57BL/6J and CD1 mice in the Barnes maze, the Multiple T-maze and in the Morris water maze. Behav. Brain. Res. 198, 58-68 (2009).
- Roth, T. C., Krochmal, A. R. The role of age-specific learning and experience for turtles navigating a changing landscape. Curr. Biol. 25, 333-337 (2015).
