Bruk av Puzzle Box som et middel for vurdering av effektiviteten i miljøberikelse

Summary

Environmental enrichment provides a potential protective effect against neurodegenerative disorders. Currently, however, there is no easy way of determining the efficacy of enrichment procedures. This protocol describes a simple “Puzzle Box” method for assessing an animal’s cognitive function, in order to reveal the effectiveness of environmental enrichment.

Abstract

Environmental enrichment can dramatically influence the development and function of neural circuits. Further, enrichment has been shown to successfully delay the onset of symptoms in models of Huntington’s disease ^1-4, suggesting environmental factors can evoke a neuroprotective effect against the progressive, cellular level damage observed in neurodegenerative disorders. The ways in which an animal can be environmentally enriched, however, can vary considerably. Further, there is no straightforward manner in which the effects of environmental enrichment can be assessed: most methods require either fairly complicated behavioral paradigms and/or postmortem anatomical/physiological analyses. This protocol describes the use of a simple and inexpensive behavioral assay, the Puzzle Box ^5-7 as a robust means of determining the efficacy of increased social, sensory and motor stimulation on mice compared to cohorts raised in standard laboratory conditions. This simple problem solving task takes advantage of a rodent’s innate desire to avoid open enclosures by seeking shelter. Cognitive ability is assessed by adding increasingly complex impediments to the shelter’s entrance. The time a given subject takes to successfully remove the obstructions and enter the shelter serves as the primary metric for task performance. This method could provide a reliable means of rapidly assessing the efficacy of different enrichment protocols on cognitive function, thus paving the way for systematically determining the role specific environmental factors play in delaying the onset of neurodevelopmental and neurodegenerative disease.

Introduction

Miljø anrikning (EE) kan defineres som omgivelsene som gir dyr med økt mulighet for sosial interaksjon, motorisk aktivitet, og større sensoriske stimuli enn vanligvis oppleves i en standard laboratorie environment.EE har vist seg å konsekvent påvirke atferden til dyr, å få til endringer som for eksempel reduksjon av stress og angst-relatert aktivitet ^8-10, forbedret ytelse i lærings- og hukommelsesoppgaver ^8,11, tidlig debut av motorisk koordinasjon og utforskende aktivitet ^11, endringer i mors omsorg ⁸ samt motstand mot vanedannende stoffer ^{12- 15.} Videre har EE blitt åpenbart å lindre virkningene av neurodegenerative forstyrrelser, forsinke utbruddet og redusere alvorlighetsgraden av symptomene i dyremodeller av Huntingtons ^1-4,16, Parkinsons ¹⁷ og Alzheimers sykdom ^18.

Disse endringene corforholde seg med de anatomiske og molekylære forandringer EE er kjent for å indusere i hele hjernen. Dyr oppvokst i beriket miljøer fra tidlige stadier av utviklingen viser en myriade av nevrale endringer, blant annet økt hjernevekt og kortikal tykkelse, dendrittiske forgrening ^9,2-22 og synaptisk tetthet ^23. EE kan endre både nivået og tidspunktet for vekstfaktor ekspresjon ^9,24-30, som har vist seg å bidra til akselerert utvikling av sensorisk ^25,26,28,29, mnemoteknisk ^30, samt motorkretser ^31,32.

Tidligere arbeid har avdekket til tider motstridende funn når undersøke virkningen av EE, uten å ta hensyn til de ulike typer av dyr og miljøer som benyttes innenfor individuelle studier ^9,24,27,30. For tiden er det ingen konsistent og enkel atferds oppgave som kan brukes til å måle effektiviteten av forskjellige EE paradigmer i forskjellige stammer og spectallet av dyr.

The Puzzle Box oppgave er designet som en enkel test for å fastslå dyrets opprinnelige problemløsning evne ^7. Dyr som er plassert i det åpne området er pålagt å fjerne hindre materialer som ligger innenfor en liten åpning for å få tilgang til en overbygd region / ly. Hvert emne er gitt tre studier med samme hindring for å vurdere tre ulike kognitive egenskaper. Den første rettssaken gir en baseline indikasjon på iboende eller naturlig evne til problemløsning. Den andre rettssaken, kjøres på samme dag, gir noen indikasjon på dyrets evne til å forbedre og dermed forsterke strategier for å fjerne spesifikke hindringer. Den tredje studien, utført på følgende dag, gir innsikt i evnen til motivet for å beholde og huske lært løsning på oppgaven.

Motivasjonen for å løse disse "obstruksjon puslespill" av dyrene kan varieres, potensieltfremkaller en medfødt ønske om å unngå åpne jorder og søke ly, samt en iboende stasjon til å utforske sine omgivelser ^6,7. De mange potensielle atferds sjåfører som ligger bak ønsket om å løse Puzzle Box tyder på at ulike områder av hjernen er involvert i formidling av oppgaver. Tidligere arbeid har vist at i murine modeller av schizofreni, er prefrontal cortex samt hippocampus involvert i oppkjøpet av denne oppgave ^5. En lesjon studie på rotter har også avdekket et stort antall områder av hjernen som er involvert i Puzzle Box ytelse, inkludert ulike talamiske kjerner, hypothalamus, lillehjernen, og limbiske strukturer. Sammen utgjør disse funnene tyder på at engasjerende i denne problemløsning oppgaven innebærer en rekke nevrale strukturer knyttet til kognitiv funksjon.

Puzzle Box har blitt brukt med hell for å vurdere problemløsning evne til mus, samt kognitiv svikt utstilt ved murin modeller av schizofreni ^5-7. Ytelse på oppgaven har vist seg å være svært konsekvent, og korrelerer godt med resultatene av andre kognitive atferdstester ^6. Målet med dette arbeidet var derfor å tilpasse Puzzle Box oppgave å bli en enkel og pålitelig metode for å bestemme effektiviteten av EE.

Protocol

Etikk uttalelse: Alle prosedyrer ble godkjent av Animal etiske komité ved University of Sydney og dannet National Health and Medical Research Council of Australia retningslinjer. Prosedyrer ble utført på C57 / BL6J mus som ble oppdratt ved University of Sydney Bosch Gnagere Facility. Alle mus ble plassert i en enkelt tilstrekkelig ventilert rom i 21 ° C omgivelsestemperatur på en 12 timers lys-mørke-syklusen med lysene på ved 0600 timer i individuelt ventilerte bur med ad libitum tilgang til tørr mat og…

Representative Results

Resultatene som beskrives her er et representativt utvalg, med data hentet fra flere årskull som består av forskjellige kull. Alle atferds testing ble utført mellom 0700 og 1100 timer, med randomisert testing rekkefølgen av dyr innenfor en kohort. Dyr oppvokst i et beriket miljø (n = 14, 7 kvinnelige og 7 mannlige) tok betydelig mindre tid til å løse hindringen oppgaver innenfor Puzzle Box enn det som er dyrket i et standard miljø (n = 15, 7 kvinnelige og 8 mannlige) (se figur 3) (gjentatt tilta…

Discussion

Dataene som presenteres viser at Puzzle Box kan brukes effektivt for å vurdere effekten av EE. Mus oppvokst i beriket miljøer konsekvent tok betydelig mindre tid til å løse obstruksjon oppgaver innenfor dette atferdsanalyse enn gjorde dyr alet innenfor standard laboratorieforhold. Dessuten, denne forskjellen var mest fremtredende i den første rettssaken for tre av de fire forholdene som ble testet, noe som tyder EE har en større innflytelse på et dyrs naturlige evne til problemløsning, i forhold til deres evne t…

Materials

Black Acrylic Board			750 x 280 mm
White Acrylic Board			280 x 250 mm
White Acrylic Board			280 x 250 mm
White Acrylic Board			750 x 250 mm
White Acrylic Board			750 x 250 mm
White Acrylic Board			150 x 280 mm
White Acrylic Board			280 x 250 mm with a 40 x 40 mm "door" cut into one side
Underpass			3 pieces of 40 x 120 mm plexiglass or acrylic
			Note: If unable to access acrylic board, plexiglass or similar non-porous material will suffice.
Webcam	Logitech	C210	Fix to roof with electrical tape. Alternatively, use a tripod.
VirtualDub v1.10.4	VirtualDub	N/A	Software for recording behaviour videos. Input from webcam.
TopScan v 3.0	CleverSys Inc.	N/A	Software for automated top-view tracking and analysis of mouse behaviour. Captured videos are analysed post-hoc.