نموذج التعلم Lateralized الرائحة في الفئران حديثي الولادة لتشريح الدارات العصبية تعزيزالأساس تشكيل الذاكرة
Summary
This protocol introduces lateralized early odor preference learning in rats using acute single naris occlusion. Lateralized learning permits the examination of behavioral outcomes and underpinning biological mechanisms within the same animals, reducing variance induced by between-animal designs. This protocol can be used to investigate molecular mechanisms underpinning early odor learning.
Abstract
Rat pups during a critical postnatal period (≤ 10 days) readily form a preference for an odor that is associated with stimuli mimicking maternal care. Such a preference memory can last from hours, to days, even life-long, depending on training parameters. Early odor preference learning provides us with a model in which the critical changes for a natural form of learning occur in the olfactory circuitry. An additional feature that makes it a powerful tool for the analysis of memory processes is that early odor preference learning can be lateralized via single naris occlusion within the critical period. This is due to the lack of mature anterior commissural connections of the olfactory hemispheres at this early age. This work outlines behavioral protocols for lateralized odor learning using nose plugs. Acute, reversible naris occlusion minimizes tissue and neuronal damages associated with long-term occlusion and more aggressive methods such as cauterization. The lateralized odor learning model permits within-animal comparison, therefore greatly reducing variance compared to between-animal designs. This method has been used successfully to probe the circuit changes in the olfactory system produced by training. Future directions include exploring molecular underpinnings of odor memory using this lateralized learning model; and correlating physiological change with memory strength and durations.
Introduction
الشم هو الطريقة الحسية الأولية في القوارض، والتي بدونها لا تكون قادرة على التنقل بنجاح أو البقاء على قيد الحياة في بيئتهم. فمن الأهمية خاصة بالنسبة للالجراء حديثي الولادة، والتي يمكن أن لا ترى ولا تسمع خلال الأسبوع الأول بعد الولادة، لاستخدام الشم لتحديد موقع والدتهم لتغذية 1. ونتيجة لذلك، الجراء الفئران حديثي الولادة يمكن مكيفة يفضلون الروائح مع التلاعب التجريبية بسيطة. وقد استخدمت مجموعة متنوعة من المنبهات مثل الحوافز غير المشروط (UCS) للحث على ردود مشروطة إلى الروائح رواية (التحفيز مكيفة، CS) في حديثي الولادة، بما في ذلك البيئة التعشيش 2،3، حليب الرضاعة 4-6، التمسيد أو التحفيز عن طريق اللمس 7- 12، وذيل قرصة 13، اللعاب الأمهات 13، صدمة خفيفة القدم 14-18، وتحفيز المخ داخل الجمجمة 19. توظف هذه الدراسة رائحة مبكرة تفضيل نموذج راسخة فيه رائحة، في هذه الحالة النعناع، طق جنبا إلى جنب مع التحفيز عن طريق اللمس من أجل إنتاج تفضيل النعناع 24 ساعة في وقت لاحق 10،11،20. هذه الذكريات الروائح تعتمد على الدوائر حاسة الشم سليمة، بما في ذلك في المقام الأول المصابيح الشمية (OB) 21-23 والقشرة الكمثرية الأمامية (APC) 24،25.
عمقت التحقيقات التجريبية من أوائل التعلم تفضيل رائحة وتوسيع فهمنا للالأسس الجزيئية والفيزيولوجية للذاكرة الثدييات. هذا نموذج الثدييات ديها العديد من المزايا في دراسة آليات الذاكرة. أولا، تم تحديد مصادر العصبية للإشارة UCS. المحفزات المختلفة على النحو المذكور أعلاه موضع تحفز إطلاق coeruleus بافراز 26، والذي بدوره ينشط adrenoceptors متعددة في OB وAPC، مما تسبب في الآثار الفسيولوجية والخلوية التي تدعم التعلم 22،27،28. ثانيا، آليات دعم الذاكرة تجري في الهياكل العصبية الصفحي محددة جيدا. وبساطة الدوائر حاسة الشم في الفئران حديثي الولادة يوفر للباحثين الإطار المثالي الذي لكشف العمليات المعقدة المتعلقة اللدونة متشابك. الخلايا العصبية الحسية الشمية (OSN) في المشروع الظهارة الشمية على التاجي / خلايا معنقدة في OB وهذه التاجي / خلايا معنقدة في مشروع ipsilaterally بدوره إلى القشرة الكمثرية (PC) عبر المسالك الجانبية حاسة الشم (الكثير)، من بين غيرها من الهياكل 29. وقد تم تحديد كل من نقاط الاشتباك العصبي OSN في OB 30،31 والكثير 24،25 نقاط الاشتباك العصبي في آسيا والمحيط الهادئ ومواضع الحرج لإجراء تغييرات متشابك التي تدعم التعلم والذاكرة. ثالثا، في سن مبكرة في الفئران، ويمكن بسهولة أن lateralized مدخلات الشمية. كل APC لديه حق الوصول إلى المعلومات رائحة الثنائية عبر الصوار الأمامي بمجرد تشكيل هذه المادة البيضاء بالكامل في يوم ما بعد الولادة 12 (PD12) 32. قبل PD 12، ومدخلات رائحة يمكن أن تكون معزولة لipisilateral OB وAPC من خلال منخر واحد انسداد 24،25،31،33،34 </ سوب>. منخر واحد انسداد يسمح تشكيل الذاكرة رائحة من منخر مفتوحة، ويمنع نفس الذاكرة من منخر المغطي قبل PD 12 33. يتم عزل ذاكرة الرائحة إلى نصف الكرة المماثل بما في ذلك OB والجيش. وبالتالي، يمكن لكل الجرو الفئران يكون ايقاعه لتعلم وعلم وظائف الأعضاء التي تقوم عليها.
في هذه الدراسة، هو عرض رائحة مبكرة بروتوكول التعلم تفضيل lateralized. يخدم هذا الأسلوب كأداة قوية لدراسة الآليات العصبية التي يقوم عليها التعلم من خلال توفير رائحة عنصر تحكم داخل الحيوان 24،25،31، وبالتالي خفض كل من عدد الحيوانات المطلوبة والتباين العام. منخر انسداد هو عكسها في أن الشحوم أو الأنف المكونات يمكن تطبيق وإزالتها مع الحد الأدنى من الإجهاد أو الضرر للحيوان. هنا، أولا، ووصف الإجراءات التفصيلية من رائحة تفضيل مبكرة التدريب والاختبار، مع التركيز على استخدام بروتوكول lateralized انسداد منخر واحد مع غالمكونات الإلكترونية. ثم يتم عرض النتائج للتدليل على فعالية انسداد منخر واحد في عزل المدخلات رائحة وإنتاج الذاكرة رائحة lateralized. وأخيرا، ناقش إمكانات استخدام هذا النموذج التعلم lateralized لدراسة التغيرات الفسيولوجية في النظام الشمي أن كلا توليد التعلم والذاكرة دعم التعبير.
Protocol
Representative Results
Discussion
تأسست التعلم والذاكرة رائحة نموذج lateralized في الفئران الوليدة ضمن إطار الوقت الحرج أول من هول والزملاء. في سلسلة من الدراسات 33،34،36، فإنها أظهرت أن الذاكرة تفضيل رائحة يمكن lateralized من رائحة الحليب + حدودا لمنخر واحد على PD 6 في الفئران الوليدة. كانت الذاكرة تفضيل قوية…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by a CIHR operating grant (MOP-102624) to Q. Y. We thank Dr Carolyn Harley for helpful discussions throughout the study, Dr. Qinlong Hou, Amin Shakhawat, and Andrea Darby-King for technical support.
Materials
| Polythylene 20 tubing | Intramedic | 427406 | Non radiopaque, Non toxic |
| 3-0 silk suture thread | Syneture | Sofsilk | Non absorbant |
| Silicone grease | Warner Instrument | 64-0378 | Odorless |
| 2% xylocaine gel | AstraZeneca | Prod. No 061 | Lidocaine hydrochloride jelly, purchased at local pharmacy |
| Paint brush | Dynasty | 206R | Similar size/other brands work too |
| Peppermint extract | Sigma-Aldrich | W284807 | Other brand should be okay too |
| Training box | Custom-made | N/A | Acrylic box (20x20x5cm3), see Figure 2A. Parameters and material for the box are not critical and can be modified. Material used should be odorless and does not absorb odors |
| Testing chamber | Custom-made | N/A | Stainless steel (30x20x18cm3), see Figure 2B. Parameters and material for the chamber are not critical and can be modified. For example, an acrylic chamber instead of a stainless steel one can be used |
| pCREB antibody | Cell Signaling | 9198 | Ser 133 (87G3) Rabbit mAb |
| Chloral hydrate | Sigma-Aldrich | C8383 | N/A |
| Paraformaldehype | Sigma-Aldrich | P6148 | N/A |
| Sucrose | Sigma-Aldrich | S9378 | N/A |
References
- Gregory, E. H., Pfaff, D. W. Development of olfactory-guided behavior in infant rats. Physiol Behav. 6, 573-576 (1971).
- Alberts, J. R., May, B. Nonnutritive, thermotactile induction of filial huddling in rat pups. Dev Psychobiol. 17, 161-181 (1984).
- Galef, B. G., Kaner, H. C. Establishment and maintenance of preference for natural and artificial olfactory stimuli in juvenile rats. J Comp Physiol Psychol. 94, 588-595 (1980).
- Johanson, I. B., Hall, W. G. Appetitive learning in 1-day-old rat pups. Science. 205, 419-421 (1979).
- Johanson, I. B., Hall, W. G. Appetitive conditioning in neonatal rats: conditioned orientation to a novel odor. Dev Psychobiol. 15, 379-397 (1982).
- Johanson, I. B., Teicher, M. H. Classical conditioning of an odor preference in 3-day-old rats. Behav Neural Biol. 29, 132-136 (1980).
- McLean, J. H., Darby-King, A., Sullivan, R. M., King, S. R. Serotonergic influence on olfactory learning in the neonate rat. Behav Neural Biol. 60, 152-162 (1993).
- Moore, C. L., Power, K. L. Variation in maternal care and individual differences in play, exploration, and grooming of juvenile Norway rat offspring. Dev Psychobiol. 25, 165-182 (1992).
- Pedersen, P. E., Williams, C. L., Blass, E. M. Activation and odor conditioning of suckling behavior in 3-day-old albino rats. J Exp Psychol Anim Behav Process. 8, 329-341 (1982).
- Sullivan, R. M., Hall, W. G. Reinforcers in infancy: classical conditioning using stroking or intra-oral infusions of milk as UCS. Dev Psychobiol. 21, 215-223 (1988).
- Sullivan, R. M., Leon, M. Early olfactory learning induces an enhanced olfactory bulb response in young rats. Brain Res. 392, 278-282 (1986).
- Weldon, D. A., Travis, M. L., Kennedy, D. A. Posttraining D1 receptor blockade impairs odor conditioning in neonatal rats. Behav Neurosci. 105, 450-458 (1991).
- Sullivan, R. M., Hofer, M. A., Brake, S. C. Olfactory-guided orientation in neonatal rats is enhanced by a conditioned change in behavioral state. Dev Psychobiol. 19, 615-623 (1986).
- Camp, L. L., Rudy, J. W. Changes in the categorization of appetitive and aversive events during postnatal development of the rat. Dev Psychobiol. 21, 25-42 (1988).
- Moriceau, S., Wilson, D. A., Levine, S., Sullivan, R. M. Dual circuitry for odor-shock conditioning during infancy: corticosterone switches between fear and attraction via amygdala. J Neurosci. 26, 6737-6748 (2006).
- Roth, T. L., Sullivan, R. M. Endogenous opioids and their role in odor preference acquisition and consolidation following odor-shock conditioning in infant rats. Dev Psychobiol. 39, 188-198 (2001).
- Roth, T. L., Sullivan, R. M. Consolidation and expression of a shock-induced odor preference in rat pups is facilitated by opioids. Physiol Behav. 78, 135-142 (2003).
- Sullivan, R. M. Developing a sense of safety: the neurobiology of neonatal attachment. Ann N Y Acad Sci. 1008, 122-131 (2003).
- Wilson, D. A., Sullivan, R. M. Olfactory associative conditioning in infant rats with brain stimulation as reward. I. Neurobehavioral consequences. Brain Res Dev Brain Res. 53, 215-221 (1990).
- Sullivan, R. M., Wilson, D. A., Leon, M. Associative Processes in Early Olfactory Preference Acquisition: Neural and Behavioral Consequences. Psychobiology. , 29-33 (1989).
- McLean, J. H., Harley, C. W., Darby-King, A., Yuan, Q. pCREB in the neonate rat olfactory bulb is selectively and transiently increased by odor preference-conditioned training. Learn Mem. 6, 608-618 (1999).
- Sullivan, R. M., Stackenwalt, G., Nasr, F., Lemon, C., Wilson, D. A. Association of an odor with activation of olfactory bulb noradrenergic beta-receptors or locus coeruleus stimulation is sufficient to produce learned approach responses to that odor in neonatal rats. Behav Neurosci. 114, 957-962 (2000).
- Yuan, Q., Harley, C. W., McLean, J. H. Mitral cell beta1 and 5-HT2A receptor colocalization and cAMP coregulation: a new model of norepinephrine-induced learning in the olfactory bulb. Learn Mem. 10, 5-15 (2003).
- Fontaine, C. J., Harley, C. W., Yuan, Q. Lateralized odor preference training in rat pups reveals an enhanced network response in anterior piriform cortex to olfactory input that parallels extended memory. J Neurosci. 33, 15126-15131 (2013).
- Morrison, G. L., Fontaine, C. J., Harley, C. W., Yuan, Q. A role for the anterior piriform cortex in early odor preference learning: evidence for multiple olfactory learning structures in the rat pup. J Neurophysiol. 110, 141-152 (2013).
- Nakamura, S., Kimura, F., Sakaguchi, T. Postnatal development of electrical activity in the locus ceruleus. J Neurophysiol. 58, 510-524 (1987).
- Harley, C. W., Darby-King, A., McCann, J., McLean, J. H. Beta1-adrenoceptor or alpha1-adrenoceptor activation initiates early odor preference learning in rat pups: support for the mitral cell/cAMP model of odor preference learning. Learn Mem. 13, 8-13 (2006).
- Shakhawat, A. M., Harley, C. W., Yuan, Q. Olfactory bulb alpha2-adrenoceptor activation promotes rat pup odor-preference learning via a cAMP-independent mechanism. Learn Mem. 19, 499-502 (2012).
- Isaacson, J. S. Odor representations in mammalian cortical circuits. Curr Opin Neurobiol. 20, 328-331 (2010).
- Lethbridge, R., Hou, Q., Harley, C. W., Yuan, Q. Olfactory bulb glomerular NMDA receptors mediate olfactory nerve potentiation and odor preference learning in the neonate rat. PLoS One. 7, e35024 (2012).
- Yuan, Q., Harley, C. W. What a nostril knows: olfactory nerve-evoked AMPA responses increase while NMDA responses decrease at 24-h post-training for lateralized odor preference memory in neonate rat. Learn Mem. 19, 50-53 (2012).
- Schwob, J. E., Price, J. L. The development of axonal connections in the central olfactory system of rats. J Comp Neurol. 223, 177-202 (1984).
- Kucharski, D., Hall, W. G. New routes to early memories. Science. 238, 786-788 (1987).
- Kucharski, D., Johanson, I. B., Hall, W. G. Unilateral olfactory conditioning in 6-day-old rat pups. Behav Neural Biol. 46, 472-490 (1986).
- Cummings, D. M., Henning, H. E., Brunjes, P. C. Olfactory bulb recovery after early sensory deprivation. J Neurosci. 17, 7433-7440 (1997).
- Kucharski, D., Hall, W. G. Developmental change in the access to olfactory memories. Behav Neurosci. 102, 340-348 (1988).
- Brunjes, P. C. Unilateral odor deprivation: time course of changes in laminar volume. Brain Res Bull. 14, 233-237 (1985).
- Kass, M. D., Pottackal, J., Turkel, D. J., McGann, J. P. Changes in the neural representation of odorants after olfactory deprivation in the adult mouse olfactory bulb. Chem Senses. 38, 77-89 (2013).
- Kim, H. H., Puche, A. C., Margolis, F. L. Odorant deprivation reversibly modulates transsynaptic changes in the NR2B-mediated CREB pathway in mouse piriform cortex. J Neurosci. 26, 9548-9559 (2006).
- Korol, D. L., Brunjes, P. C. Rapid changes in 2-deoxyglucose uptake and amino acid incorporation following unilateral odor deprivation: a laminar analysis. Brain Res Dev Brain Res. 52, 75-84 (1990).
- Leung, C. H., Wilson, D. A. Trans-neuronal regulation of cortical apoptosis in the adult rat olfactory system. Brain Res. 984, 182-188 (2003).
