מודל הלמידה Lateralized ריח חולדות ילודים לביתור גיבוש עצבי מעגל בבסיס זיכרון
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
Olfaction הוא השיטה העיקרית חושית במכרסמים, שבלעדיו הם לא יהיו מסוגלים לנווט או לשרוד בסביבה שלהם בהצלחה. זה קריטי במיוחד עבור גורים בילוד, שלא יכול לראות ולא לשמוע במהלך השבוע שלאחר הלידה הראשונה, להשתמש olfaction על מנת לאתר את האמא שלהם כדי להאכיל 1. כתוצאה מכך, יכולים להיות מותנים גורי חולדה ילוד להעדיף ריחות עם מניפולציות ניסיוני פשוטות. מגוון רחב של גירויים היה בשימוש כגירוי הבלתי מותנה (UCS) כדי לגרום לתגובות מותנות לריחות רומן (גירוי מותנה, CS) בילודים, לרבות סביבת קינון 2,3, יונק חלב 4-6, מלטף או גירוי חוש המישוש 7- 12, קמצוץ זנב 13, רוק אימהי 13, הלם רגל קל 14-18, וגירוי מוח תוך גולגולתי 19. המחקר הנוכחי מעסיק הפרדיגמה העדפת ריח המוקדם מבוססת היטב שבו ריח, במקרה מנטה זה, אניs בשילוב עם גירוי חוש המישוש על מנת לייצר העדפה למנטת 24 שעות מאוחר יותר 10,11,20. זכרונות ריחות אלה נשענים על מעגלי חוש הריח שלמים, הכוללים בעיקר את נורות חוש הריח (OB) 21-23 וקליפת המוח הקדמי אגסי (APC) 24,25.
חקירות ניסיוניות של למידת העדפת ריח המוקדמת העמיקו והרחיבו את ההבנה של היסודות המולקולריים ופיסיולוגיים של זיכרון יונקים שלנו. יש מודל של יונקים זה מספר יתרונות בלימוד מנגנוני זיכרון. ראשית, המקורות העצביים של אות UCS זוהו. גירויים שונים כאמור לעיל לעורר שחרור לוקוס נוראפינפרין coeruleus 26, אשר בתורו מפעיל adrenoceptors מרובה בOB וAPC, לגרום לתופעות תאיות ופיזיולוגיות התומכות בלמידה 22,27,28. שנית, מנגנונים תומכי זיכרון יתקיימו במבנים עצביים מינרית מוגדרת היטב.פשטות של מעגלי חוש הריח בחולדות בילוד מספקת לחוקרים את המסגרת האידיאלית שעם לחשוף את התהליכים המורכבים הקשורים לפלסטיות הסינפטית. נוירונים חושיים ריח (OSN) בפרויקט אפיתל ההרחה על צניפי תאים מצוייצים / בOB וצניפי תאים אלה / מצוייצים בפרויקט תור ipsilaterally לקליפת אגסי (PC) באמצעות לרוחב דרכי חוש הריח (הרבה), בין מבנים אחרים 29. שתי סינפסות OSN בOB 30,31 והרבה סינפסות 24,25 בAPC זוהו כמוקדים קריטיים לשינויים סינפטיים שתומכים בלמידה ובזיכרון. שלישית, בגיל צעיר בחולדות, יכולות בקלות להיות lateralized תשומות חוש הריח. לכל אחד יש APC גישה למידע ריח דו צדדי באמצעות השליך קדמי פעם אחת בחומר הלבן הזה נוצר במלואו ביום 12 שלאחר לידה (PD12) 32. לפני 12 PD, קלט ריח יכול להיות מבודד לipisilateral OB וAPC דרך חסימת Naris יחידה 24,25,31,33,34 </ Sup>. חסימת Naris יחידה מאפשרת את היווצרות זיכרון הריח מNaris הפתוח, ומונעת את אותו זיכרון מNaris occluded לפני פ"ד 12 33. זיכרון ריח מבודד לחצי כדור ipsilateral כולל שני OB וAPC. לכן, כל גור חולדה יכול להיות שליטה משלו ללימוד ושבסיס פיזיולוגיה.
במחקר הנוכחי, פרוטוקול למידת העדפת הריח המוקדם lateralized הוא הציג. שיטה זו משמשת ככלי רב עוצמה ללימוד מנגנונים עצביים שבבסיס למידת ריח על ידי מתן שליטת התוך בעלי חיים 24,25,31, וכך להקטין הן את מספר בעלי החיים הנדרשים ווריאציה הכללית. חסימת Naris היא הפיכה שבתוספת השומן או האף יכולה להיות מיושמת ולהסיר עם לחץ או לניזק לבעלי החיים מינימאליים. כאן, לראשונה, נהלים מפורטים של אימוני העדפת ריח מוקדם ובדיקות מתוארים, עם דגש על פרוטוקול lateralized באמצעות חסימת Naris יחידה עם nosתקע דואר. לאחר מכן תוצאות מוצגות כדי להדגים את היעילות של חסימת Naris בודדת בבידוד קלט ריח והפקת זיכרון ריח lateralized. לבסוף, הפוטנציאל של שימוש במודל למידת lateralized זה ללמוד שינויים פיסיולוגיים במערכת חוש הריח שגם ליצור ביטוי למידה וזיכרון תמיכה הם דנו.
Protocol
Representative Results
Discussion
מודל למידת ריח וזיכרון lateralized בגורי חולדה בתוך חלון זמן קריטי הוקם לראשונה על ידי הול ועמיתים. בסדרה של מחקרים 33,34,36, הם הראו כי זיכרון העדפת ריח יכול להיות lateralized על ידי זוגות ריח + חלב לNaris אחד בPD 6 בגורי חולדה. זיכרון העדפה היה חזק כאשר אותו Naris היה פתוח במהלך אימו?…
Declarações
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 |
Referências
- 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).
