Det här protokollet beskriver en beteendevetenskaplig analys, baserat på Barnes labyrint test, för att studera hur instinktiva defensiva åtgärder modifieras av kunskap om fysisk miljö.
Evolutionen har valt ut en repertoar av defensiva beteenden som är nödvändig för överlevnad över alla djurarter. Dessa beteenden är ofta stereotypa åtgärder framkallade svar på medfödd aversiva sensoriska stimuli, men deras framgång kräver tillräckligt med flexibilitet för att anpassa till olika rumsliga miljöer, som kan förändras snabbt. Här beskriver vi en beteendevetenskaplig analys för att utvärdera inverkan av lärda rumslig kunskap på defensiva beteenden hos möss. Vi har anpassat den Barnes labyrint rumsliga minne analysen som används för att undersöka hur möss navigera till ett skyddsrum under flykten Svaren till medfödd aversiva sensoriska stimuli i en ny miljö, och hur de anpassar sig till akuta förändringar i miljön. Denna nya analys är en etologiska paradigm som inte kräver utbildning och utnyttjar de naturliga prospektering mönster och navigering strategier hos möss. Vi föreslår att uppsättningen protokoll som beskrivs här är ett kraftfullt medel för att studera målinriktat beteenden och stimulans-utlöst navigering, vilket bör vara av intresse för båda områdena instinktiva beteenden och rumsliga minne.
Instinktiv defensiva beteenden är till stor del anses vara hårdkodade stimulus-respons, såsom C-start rörlighet i fiskar och groddjur, som flyttar djuret från en hot källa1. Defensiva beteenden kan dock vara mer adaptiv om de flexibelt ta hänsyn till information lärt sig om den aktuella miljön. Ett exempel på sådan flexibilitet är växeln från escape för att frysa bilden av gnagare när inför hot, beroende på förkunskaper om närvaron eller frånvaron av en kvinnojour i den miljö2,3. Andra exempel på flexibilitet i medfödda beteenden inkluderar anpassa flygningen inledande tröskeln eller fly hastighet beroende på avståndet mellan ett byte och dess skydd4, avstånd till hot5,6, och tidigare erfarenhet 11 , 12, samt välja olika defensiva strategier beroende på sensoriska egenskaper av aversivt stimulus7, eller ens undertrycka defensiva beteende gentemot konkurrerande motiv såsom hunger8, 9,10. Beroendet av åtgärd val på förvärvade kunskaper om rumsliga funktioner i miljön gör instinktiva defensiva beteenden hos möss en kraftfull modell för att studera mål urval, rumsliga minne och navigering. Här beskriver vi anpassningen av en vanliga beteendemässiga uppgift, Barnes labyrint (BM) spatiala minnet assay13, att fastställa påverkan av den rumsliga miljön på defensiva åtgärder urval i möss, och deras navigering strategier när flyr mot ett härbärge.
Standard Barnes labyrinten för att studera lärande och rumsliga minne i möss består av en cirkulär ~ 90 cm diameter plattform med 20 jämnt fördelade hål, varav 19 är stängda, och leder till en underjordisk shelter som möss söker undvika öppna-fältet miljön av plattformen. Ofta används svaga aversiva stimuli (Summer, starkt ljus, fläkt) kontinuerligt under hela analysen att göra miljön aversiva och därmed främja trätt i shelter14. I den vanligaste analys15,16har djuret en tillvänjning rättegång där det styrs till skyddsrummet manuellt av experimenter omedelbart efter placeras på plattformen. Detta följs av en 4-dagars förvärv period, där varje dag som musen är tillåtet att navigera fritt i labyrinten för 3 min, varefter den igen manuellt styrs till skydd om det inte når det under perioden utforskning. Det sista steget i analysen är en sond rättegång på den 5: e dagen (även om en långsiktigt sju dagars minne prov utförs också vanligen) När djuret utforskar labyrinten med alla hål stängda. Lärande och långsiktigt minne kvantifieras genom den tid det tar att hitta skydd och Petar i fel hål under perioden förvärv och den tid som tillbringas nära sluten kvinnojour hålet i sonden rättegången. Typiska resultat visar en minskning av antalet fel och latens att nå skyddsrummet under förvärv och en ovan-chans andel av tiden i den kvadranten som innehåller stängd målet hål i sonden rättegång15.
Medan flera varianter av BM analysen har varit tidigare beskrivna17,18,har19, det paradigm som vi beskriver här tre grundläggande förändringar från standard-analysen. Första djuret är kvar att utforska labyrinten och hitta skydd på egen hand, och testning görs i samma session, strax efter det att skydd har hittats, under perioder där djuret bedriver undersökande beteende. Även om denna inställning inte test långtidsminne av platsen shelter, är den avsedd att vara en naturalistisk scenario som härmar utforskandet av romanen territorium, under hot av predation. Det kan dessutom test av hur djuren anpassar sig till akuta förändringar i miljön, såsom plötsliga förändringar i landskapet. Det andra är en viktig aspekt av vår analys att experimenter aldrig tvingar djuret i eller ur skyddsrummet, vilket kan förvirra djuret och utesluta sökvägen integration20 som en livskraftig navigering strategi21. Sökvägen integration är en navigering strategi som använder egen rörelse ledtrådar, såsom proprioceptiva och vestibulära ledtrådar, som härrör från integrationen av motor utflöde, att uppdatera den aktuella positionen för djuret och navigera mot ett mål, vilket inte är möjligt om den djur är passivt rörd av försöksledaren. Det tredje använda vi medfödd aversiva visuella22 och auditiv23 stimuli för att framkalla fly till skydd, som är lätt urskiljas från pågående födosökande beteende och tillåter bedömning och kvantifiering av specifika navigering strategier som används under försvar från överhängande hot. Vi föreslår att denna analys kommer att vara användbart för dissekera rollen av rumsliga minne i urvalet och genomförandet av defensiva beteenden, och mer allmänt till det bredare studera målinriktat navigering och rumsliga korttidsminne. De protokoll som beskrivs här infördes genom Vale et al. 2017, som vi hänvisar läsarna mer i djup diskussion av den logiska grunden för experiment och resultat.
De analyser som vi beskriver här är tekniskt enkel att utföra, och med undantag av plattformen rotation experiment, lätt kan genomföras i en standard Barnes labyrint. Dock några komplikationer kan uppstå: å ena musen kan tyckas vara rädd för att ange skydd, som inte kan på grund av skydd är tillräckligt rengjorda eller torkade. Däremot, kan musen stanna inne skyddsrummet under mycket lång tid. Det är avgörande för dessa experiment att djuren aldrig avlägsnas från tak manuellt, eftersom detta kan störa sökvägen integration samt nöd djuren och deras reaktion på hotet. Vi föreslår att avsluta experimentet efter 90 min och omanalys efter 48 h vid behov. Ett annat relevant praktisk övervägande är att när musen undersöker kanten av plattformen, inte kan den detektera en visuella stimuli om dess huvud är vinklat över kanten, och således rekommenderar vi undanhålla stimuli i sådana situationer. Dessutom kan möss hoppa ner från plattformen vid sällsynta tillfällen. Vi föreslår att avsluta experimentet och omanalys efter 48 h. möss som aktivt lämnar plattformen en gång är sannolikt att göra det igen i framtiden och kan behöva exkluderas från studien. Slutligen, från vår erfarenhet, de flesta möss svarar på visuell stimulans (34/36 möss). Dock om mössen inte visar någon typ av svar på visuell stimulans (antingen en skrämsel, en flygning eller en frysning svar), bör de undantas från studien.
En viktig punkt att överväga är att kontroll av sensoriska signaler är vanligtvis ett problem i rumsliga minne analyser, som ofta är det svårt att eliminera alla former av kontaminerande ledtrådar. Våra experiment minskar yttre visuella referenser av omgivande labyrint med en vägg, och den är placerad inuti en ljud-dämpning skåp för ljudisolering. För att minimera lukt ledtrådar, rekommenderar vi grundlig rengöring set-up med 70% etanol eller ättiksyra mellan experiment.
Vårt beteende analys lägger till föregående metoder för att studera spatial navigering26 med hjälp av instinktiva defensiva beteenden sond rumsliga minne och med fokus på etologiska scenarier. En avgörande skillnad mellan de förfaranden som beskrivs här och standard BM analysen är bristen på träningspassen. I våra analyser säkerställer perioden tillvänjning att musen besöker kvinnojouren minst en gång och ofta många fler gånger, vilket vi har tidigare visat sig vara tillräckligt för att memorera det skydd läge2. Vi tror att en viktig anledning till den hög framgång och noggrannhet att hitta skydd trots bristen på utbildning aldrig passivt undantränger djuret under experimentet, vilket gör sökvägen integration en livskraftig navigering strategi. Vi noterar emellertid att vår analys behandlar minne bildas och utvärderas under en session, och att vi inte har testat för långtidsminnet skydd läge, som vanligtvis är syftet med standard BM experiment. Slutligen, med diskret medfödd aversiva stimuli snarare än den vanliga fläkt eller buzz under hela sessionen, vår analys ger mycket god experimentell kontroll över två beteenden som kanske använder olika navigering strategier: födosök och skydd-regisserad fly. Vi anser att användningen av dessa analyser i kombination med modern neurovetenskap tekniker för inspelning och manipulera neural aktivitet kan ge viktiga insikter i hur neurala kretsar beräkna beteende.
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete finansierades av en Wellcome Trust/Royal Society Henry Dale Fellowship (098400/Z/12/Z), en medicinsk forskning rådet (MRC) bevilja MC-UP-1201/1, Wellcome Trust och Gatsby Charitable Foundation SWC gemenskap (till T.B.), MRC doktorandtjänst (D.E. och R.V) och ett Boehringer Ingelheim Fonds PhD stipendium (till R.V). Vi tackar Kostas Betsios för programmering data förvärv programvaran, de LMB mekaniska och elektriska Workshops för att bygga den experimentella arenan.
Infrared iluminators TV6700 | Abus | – | |
DLP projector Infocus IN3126 | Infocus | 0001740992-00000001 | |
Ultrasound speaker Pettersson L60 | Pettersson Elektronik | – | |
Amplifier QTX PRO240 | QTX | – | |
Soundcard Xonar D2 | Asus | 90-YAA021-1UAN00Z | |
HP Z840 desktop | HP | F5G73AV | |
100 micron drafting film | Xerox | 3R98145 | |
Near infrared camera: Basler acA1300-60gmNIR | Basler | 106202 | |
National Instruments BNC-2110 | National instruments | 777643-01 | |
LabVIEW 2015 64-bit | National instruments | – | |
Custom made Barnes maze | MRC Laboratory of Molecular Biology mechanical workshop | – |