Eine Labormethode zur Messung des ansteckenden Gähnens bei Ratten

Summary

Die hier beschriebene Methode zielt darauf ab, Gähnen ansteckungskurven in Paaren vertrauter oder unbekannter männlicher Ratten zu erhalten. Käfige mit Löchern, die durch klare oder undurchsichtige Trennwände mit (oder ohne) Löchern getrennt sind, werden verwendet, um zu erkennen, ob visuelle, olfaktorische oder beide Arten von sensorischen Hinweisen die Gähnansteckung stimulieren können.

Abstract

Kommunikation ist ein wesentlicher Aspekt des gesellschaftlichen Lebens der Tiere. Tiere können sich gegenseitig beeinflussen und in Schulen, Herden und Herden zusammenkommen. Kommunikation ist auch die Art und Weise, wie Geschlechter während der Balz interagieren und wie Rivalen Streitigkeiten ohne Kampf beilegen. Es gibt jedoch einige Verhaltensmuster, für die es schwierig ist, das Vorhandensein einer kommunikativen Funktion zu testen, da wahrscheinlich mehrere Arten von sensorischen Modalitäten beteiligt sind. Zum Beispiel ist ansteckendes Gähnen ein kommunikativer Akt bei Säugetieren, der möglicherweise durch Sehen, Hören, Riechen oder eine Kombination dieser Sinne auftritt, je nachdem, ob die Tiere einander vertraut sind. Um Hypothesen über die mögliche kommunikative Rolle solcher Verhaltensweisen zu testen, ist daher eine geeignete Methode erforderlich, um die beteiligten sensorischen Modalitäten zu identifizieren.

Die hier vorgeschlagene Methode zielt darauf ab, Gähnenansteckungskurven für vertraute und unbekannte Ratten zu erhalten und die relative Beteiligung visueller und olfaktorischer sensorischer Modalitäten zu bewerten. Die Methode verwendet kostengünstige Materialien, und mit einigen geringfügigen Änderungen, kann es auch mit anderen Nagetierarten wie Mäusen verwendet werden. Insgesamt beinhaltet die Methode die Substitution von klaren Trennwänden (mit oder ohne Löcher) durch undurchsichtige Trennwände (mit oder ohne Löcher), die die Kommunikation zwischen Ratten, die in angrenzenden Käfigen platziert werden, mit Löchern in angrenzenden Seiten ermöglichen oder verhindern. Dementsprechend können vier Bedingungen getestet werden: olfaktorische Kommunikation, visuelle Kommunikation, sowohl visuelle als auch olfaktorische Kommunikation, und weder visuelle noch olfaktorische Kommunikation. Da soziale Interaktion zwischen den Ratten stattfindet, simulieren diese Testbedingungen, was in einer natürlichen Umgebung auftreten kann. In dieser Hinsicht ist die hier vorgeschlagene Methode wirksamer als herkömmliche Methoden, die sich auf Videopräsentationen stützen, deren biologische Gültigkeit Anlass zu Bedenken geben kann. Nichtsdestotrotz unterscheidet es nicht zwischen der potenziellen Rolle des Hörens und der Rolle des Geruchs und des Sehens bei der Gähnansteckung.

Introduction

Traditionell wurde das Kommunikativverhalten aus zwei Perspektiven untersucht. Aus einer Perspektive beobachten und erfassen Ethologen das Verhalten von Tieren in natürlichen Umgebungen und versuchen, ihren adaptiven Wert¹zu erkennen. Der besondere Sinn oder die Sinne, die damit verbunden sind, waren nicht das primäre Interesse dieser Studien. Aus einer anderen Perspektive sind Physiologen mehr daran interessiert, die Mechanismen zu entwirren, mit denen Tiere kommunizieren¹; Daher haben Laborstudien Methoden zur Verfügung gestellt, um die Rolle zu adressieren, die sensorische Modalitäten in der Kommunikation^2,3spielen. Diese beiden Perspektiven ergänzen sich in der Tat, da das Wissen sowohl über den adaptiven Wert als auch über unmittelbare Mechanismen notwendig ist, um ein umfassendes Verständnis von kommunikativen Verhaltensweisen im gesellschaftlichen Leben von Tieren zu erlangen.

Gähnverhalten ist ein auffälliger Bestandteil des Verhaltensrepertoires bei mehreren Wirbeltierarten⁴, von Fischen bis zu Primaten⁵. Es kann als eine langsame Öffnung des Mundes und die Aufrechterhaltung seiner offenen Position beschrieben werden, gefolgt von einem schnelleren Verschluss des Mundes⁵. Die Dauer der gesamten Sequenz hängt von der Art ab; zum Beispiel gähnen Primaten länger als Nicht-Primatenarten⁶. Bei vielen Arten, bei denen der Mensch die Ausnahme bildet, neigen Männchen dazu, häufiger zu gähnen als Weibchen⁷. Diese Funktion könnte die mögliche kommunikative Funktion des Gähnens untermauern, obwohl regelmäßige Muster des Gähnens und seine tägliche Frequenz auch auf eine physiologische Funktion hindeuten können. Bei Ratten folgt das spontane Gähnen einem zirkadianen Rhythmus, mit Spitzen der hohen Frequenz am Morgen und Nachmittag^8,9.

Ein interessantes Merkmal des Gähnverhaltens ist, dass es eine ansteckende Handlung sein kann (wenn der releasestimulus eines Verhaltens zufällig ein anderes Tier ist, das sich auf die gleiche Weise verhält¹⁰) bei mehreren Arten von Wirbeltieren^{11,12, 13,14,15,16}, einschließlich Vögel¹⁷ und Nagetiere¹⁸. Darüber hinaus haben jüngste Beweise gezeigt, dass ansteckendes Gähnen eine kommunikative Rolle widerspiegeln kann, weil das Gähnen einer Ratte den physiologischen Zustand einer anderen beeinflussen kann, wenn sie olfaktorischen Hinweisen ausgesetzt ist¹⁹. Allerdings ist die Frage, ob Gähnen eine kommunikative Rolle hat oder nicht, noch in der Debatte^20,21, und die Analyse ansteckenden Gähnens ist ein wesentlicher erster Schritt, um dieses Problem zu lösen.

Auf der anderen Seite wurde ansteckendes Gähnen mit der Fähigkeit eines Tieres verbunden, sich mit den Perspektiven anderer Tiere zu veranschlagen; daher sind eng verwandte Personen eher ansteckung sanieren⁴. Diese Hypothese wurde häufig unter Laborbedingungen getestet, unter denen Tiere auf Video^12,13mit Gähnreizen dargestellt werden. Daher kann eine Ansteckung nur durch visuelle Hinweise auftreten. Andere Untersuchungen haben die Ansteckung von Gähnen unter natürlicheren Bedingungen unter Verwendung von Tiergruppen^14,15bewertet. Ein großes Problem dabei ist, dass sozial interagierende Tiere oft auf Hinweise reagieren und Signale austauschen, die durch Kombinationen sensorischer Modalitäten vermittelt werden. Die eigentlichen Sinne eines bestimmten Verhaltens von ihren kombinierten Effekten zu entwirren, ist nicht immer einfach. Typischerweise behindern Forscher pharmakologisch oder chirurgisch die Verwendung eines bestimmten Sinnes durch ein Tier und leiten dann die Rolle dieses Sinnes im relevanten Verhalten^{ab 2,3,18,22}. Glücklicherweise gibt es andere Methoden, bei denen nur physikalische Barrieren verwendet werden, um die Kommunikation zwischen den Tieren^23,24,25zu ermöglichen oder zu behindern, wodurch eine größere biologische Gültigkeit erreicht wird.

Die hier vorgeschlagene Methode wurde speziell entwickelt, um ansteckendes Gähnen bei vertrauten und unbekannten Ratten in einem sozialen Umfeld zu untersuchen. Nach der einfühlsamen Hypothese sollte die erste Gruppe anfälliger für ansteckendes Gähnen sein. Die Methode erfordert nicht, dass die Tiere chirurgisch oder pharmakologisch ihrer Sinne beraubt werden. Stattdessen funktioniert es, indem die Ratten in angrenzenden Käfigen mit Löchern platziert werden und ihre Kommunikation physisch mit klaren oder undurchsichtigen Trennwänden mit oder ohne Löcher behindert wird. So können vier Prüfbedingungen untersucht werden: (1) olfaktorische Kommunikation (OC, perforierte opake Trennwand), (2) visuelle Kommunikation (VC, nicht perforierte klare Trennwand), (3) visuelle und olfaktorische Kommunikation (VOC, perforierte klare Trennwand) und (4) visuelle oder olfaktorische Kommunikation (NVOC, nicht perforierte opake Trennwand). Daher können Forscher die relativen Beiträge von olfaktorischen, visuellen und bis zu einem gewissen Grad auditiven Hinweisen bei gähnender Ansteckung vergleichen. Dieser Ansatz ist nicht neu, da ähnliche Methoden verwendet wurden, um die Sinne zu isolieren, die an bestimmten kommunikativen Verhaltensweisen bei Tieren wie Eidechsen²³ und Mäusen²⁶beteiligt sind. Tatsächlich haben Gallup und Kollegen²⁷ eine ähnliche Methode verwendet, um die Rolle visueller Hinweise beim ansteckenden Gähnen in Budgerigars zu demonstrieren. Die Hauptmerkmale dieser Methoden sind die Simulation eines sozialen Kontextes und die minimale Belastung der Tiere. Darüber hinaus erhöht die Verwendung interagierender Tiere die biologische Gültigkeit der Schlussfolgerungen.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, ansteckendes Gähnen zu messen^25,28. Dr. Stephen E. G. Lea (persönliche Kommunikation, 2015) half uns numerisch eine Methode anzupassen, die zuvor von Primatologen^13,14 für eine frühere Analyse der hier verwendeten Daten verwendet wurde¹⁸. In diesem Protokoll wird eine erweiterte Version dieser Methode mit einem breiteren Anwendungsspektrum vorgestellt. Es besteht darin, die Gesamtzahl der Gähnen einer Ratte innerhalb und außerhalb eines bestimmten Zeitfensters nach dem Anteil der Beobachtungszeit zu gewichten, der den Gähnen innerhalb und außerhalb des Zeitfensters entspricht.

Wenn beispielsweise angenommen wird, dass Ratten A und B 12 minuten lang beobachtet werden, wird ihr Gähnen bis zur nächsten Minute aufgezeichnet, und ein Zeitfenster von 3 minuten wird so eingestellt, dass ansteckendes Gähnen gemessen wird. Als nächstes werden die folgenden Gähnsequenzen für jede dieser Ratten berücksichtigt: Ratte A (0,0,0,0,0,0,0,0,2,1) und Ratte B ( 0,1,1,1,1,0,0,0,0,0,3). Es sollte beachtet werden, dass jede Zahl (0-3) der Anzahl der Gähnen entspricht, die in jedem Min. erzielt werden. Bei Ratte A gähnt Ratte B in den Minuten 1, 10 und 11 (Zahlen in Fettschrift) nicht innerhalb der vorhergehenden 3 Minuten (das gewählte Zeitfenster) oder innerhalb dieser Minute. In diesen Minuten gähnt Ratte A insgesamt 2 Mal. Daher beträgt die Gähnrate der Ratte A ohne Gähnreiz (nicht-post-yawn gähnenRate) 2/3 (d.h., 0,67 Gähnen/min). In den verbleibenden 9 Minuten gähnt Ratte B mindestens einmal entweder in der gleichen Minute oder in den 3 vorherigen Minuten. Ratte A gähnt insgesamt viermal in diesen 9 min. Daher ist die Gähnrate der Ratte A als Reaktion auf einen Gähnreiz (post-gähnende Gähnrate) 4/9 (d.h., 0,44 Gähnen/min). Die Anwendung des gleichen Verfahrens auf Ratte B ergibt eine nicht-post-gähnende Gähnrate von 2/3 (d.h. 0,66) und eine Gähnrate nach dem Gähnen von 5/9 (0,55).

Auf der anderen Seite, wenn Gähnen auf die nächste Dezimalstelle von einer Minute aufgezeichnet wird, gähnen Ansteckung führt zu einer angepassten Post-Gähnzeit. Wenn beispielsweise die folgenden Gähnzeiten über einen Beobachtungszeitraum von 12 Minuten für Ratten A und B aufgezeichnet werden: Ratte A (2.3, 5.1, 5.8, 10.4, 10.8, 11.1) und Ratte B (1.2, 2.4, 4.5, 5.1, 11.2, 11.6, 11.8). Bei Ratte A reichen die Zeiträume, über die Ratte B nicht in den letzten 3 min gähnt, zwischen 0 und 1,2 min und von 8,1 bis 11,2 min (d.h. 3,1 min), was insgesamt 4,3 min Nicht-Post-Gähnzeit ergibt. Die Anzahl der Gähnen von Ratten A in diesen Zeiten ist drei (Zahlen in fettem Typ), so dass die Nicht-Post-Gähnen-Rate 3/4,3 (d.h., 0,69) beträgt, während die Rate nach dem Gähnen 3/7,7 (d.h. 0,38; der Nenner von 12-4,3 min) beträgt. Ebenso liegen für Ratte B die Zeiträume, über die Ratte A nicht in den letzten 3 min gähnt, zwischen 0 und 2,3 min und von 8,8 bis 10,4 min, was insgesamt 3,9 min ergibt. Die Anzahl der Gähnen von Ratte B innerhalb dieser Perioden ist eins, also ist die Nicht-Post-Gähnen-Rate 1/3,9 (d.h., 0,25). Dementsprechend beträgt die Rate nach dem Gähnen 6/8,1 (d.h., 0,74).

Während ein nahezu zeitgleiches Verhalten ein ideales Kriterium ist, um das Vorhandensein einer Ansteckung zu demonstrieren, sind Aspekte wie die Einschränkungen dessen, was eine Person betreut, die Reaktionszeit auf einen Stimulus, die Verteilung des Verhaltens im Laufe der Zeit (z. B. Gähnen kann in Episoden auftreten), und Zeit, sich an die experimentelle Einstellung zu gewöhnen, führen alle zu Artenunterschieden, was es schwierig macht, ein einzigartiges Zeitfenster zu verwenden. Dies kann der Grund sein, warum Forscher Zeitfenster verwendet haben, die von Sekunden⁵ bis zu mehreren Minuten¹¹variieren, was Probleme beim Vergleich der Ergebnisse²⁸schafft. Aus diesem Grund wird vorgeschlagen, das oben beschriebene Verfahren für einen Bereich von Zeitfenstern zu wiederholen, um Gähnungskurven zu erhalten und die Gähnansteckungskurven zwischen den Arten zu vergleichen.

Äquivalente Gähnenansteckungskurven können verglichen werden, indem die Anzahl der gähnenden Gähnen, die für jede Ratte während des Beobachtungszeitraums beobachtet wurden, nach dem Zufallsprinzip verteilt werden. So bietet die vorgeschlagene Methode zur Messung der Gähnansteckung zwei Arten von Kontrollen: die (1) Gähnrate, die außerhalb des Zeitfensters auftritt (nicht nach dem Gähnen) und (2) künstliche Gähnansteckungskurve, die aus der zufälligen Verteilung der Anzahl der Gähnen gewonnen wird. Daher ist dieser Ansatz zur Analyse der Gähnenansteckung ein Schritt vorwärts von anderen Verfahren, wie z. B. dem Vergleich des Prozentsatzes oder der Häufigkeit des Gähnens innerhalb eines einzigen Zeitfensters mit dem, das außerhalb dieses Fensters²⁵auftritt, ohne die tatsächliche Zeiten Rahmen. Ergänzt wird die Methode durch ein R-basiertes Programm^29, um die Wahrscheinlichkeit des ansteckenden Gähnens für ein oder mehrere Zeitfenster bequem und objektiv zu berechnen.

Um die Nützlichkeit dieser Methode und die Vorteile des R-basierten Programms zu veranschaulichen, wird ein Datensatz aus einer zuvor veröffentlichten Studie¹⁸ verwendet. Der experimentelle Zustand bestand aus 144 männlichen Ratten, die entweder einem vertrauten oder einem unbekannten Zustand zugeordnet waren. Die Ratten in jedem Versuchszustand wurden in vier Untergruppen mit neun Paaren unterteilt und einer der vier oben beschriebenen Testsituationen ausgesetzt. Das Gähnverhalten der Ratten in jedem Versuchszustand und jeder Testsituation wurde dann über einen Zeitraum von 60 min aufgezeichnet.

Protocol

Die Versuchsprotokolle und die Tierhaltung wurden in Übereinstimmung mit den institutionellen Leitlinien durchgeführt. 1. Materialien Eine vollständige Liste der Materialien, die zum Implementieren der Methode verwendet werden, finden Sie in der Tabelle der Materialien. Verwenden Sie Abbildung 1, und suchen Sie expertenfreundliche Beratung, um einen invertierten T-förmigen Tisch, Beobachtungskäfige und Käfigteiler zu konstruieren. …

Representative Results

Die Ratten wurden aus einer zuvor produzierten Unterlinie von Sprague-Dawley-Ratten ausgewählt, die für häufiges Gähnen ausgewählt wurden (ungefähr 22 Gähnen pro Stunde31). Allerdings gähnten die neun Paare von unbekannten und neun Paaren vertrauter männlicher Ratten (zwischen 2,5 und 3 Monaten) pro Testsituation etwa 12 Mal pro Stunde, im Durchschnitt18. Daher hemmten die Testsituationen zur Messung der Gähnansteckung teilweise da…

Discussion

Es gibt kritische Schritte in der Methode, die berücksichtigt werden sollten, um erfolgreiche Ergebnisse zu erzielen. Vertraute Ratten müssen sich nach der Entwöhnung und vor der Durchführung der Experimente mindestens 1,5 Monate lang Hauskäfige teilen. Unbekannte Ratten müssen jedoch in getrennten Heimkäfigen leben. In beiden Fällen müssen die Rattenpaare aus unterschiedlichen Würfen stammen, aber im Alter so ähnlich wie möglich sein. Was die Beobachtungskäfige betrifft, so sollten ihre Löcher mit denen in…

Materials

Acrylic dividers	Handcrafted	Not available	Two dividers, one clear and one opaque, will have 24 holes each. The other two dividers, one clear and one opaque, will have no holes. See the main text for details of construction.
An R-based program	Benemérita Universidad Autónoma de Puebla	Not available	This is the program used to assess yawn contagion in rats. See the main text for information about the way the program is used.
Data sheets	The user can elaborate them	Not available	These forms will be used for the observer to record the frequency of yawning behaviour by viewing the video recordings. Alternatively, a notebook can be use provided you follow the suggestions given in the main text.
Desktop computer	Any maker	Not available	Make sure the computer has a video card capable of conveniently processing the video recordings of yawning behaviour.
Digital camcorders	Any maker	Not available	They will be used to video record yawning behaviour of each pair of rats; there will be 2 pairs of rats per experimental session.
Flash drive	Any maker	Not available	Each experimental session will last 60 min, and so you will require sufficient memory to store the video recording.
Glass cages	Handcrafted	Not available	Each cage (19 X 19 X 10 cm height) will have 24 holes (0.5 cm diameter) forming three rows in the middle of one of its sides. See the main text for more details about their construction. It is recommended to fabricate one extra cage in case one of them is accidentally broken.
Markers	Sharpie or any other maker	Not available	Permanent markers to number the rats. See the main text to see one way of using painting symbols on the rat's tail.
Pencils	Any maker	Not available	They are used by the observer to record the frequency of yawning. It is important that the observer has previously been trained to recognize yawning behaviour and operate the video player system.
R software	R Development Core Team	Not available	Download R at: http://cran.r-project.org/
Rail-like wooden bars	Handcrafted	Not available	They will be fixed in the middle of the rectangular wooden sheet  forming a track, where a second wooden sheet is placed. See the main text for additional instructions for construction.
Rectangular table	Any maker	Not available	This is the table (approximately 2 x 1 m) where the inverted T-shaped table will be placed for performing the observation of yawning behaviour.
Sprague-Dawley male rats	Any local supplier of laboratory animals	Not available	Nine pairs of male rats per test situation are necessary for each group, familiar and unfamiliar rats, because with this sample size the interindividual variation that might exist in yawning frequency will not severely affect the conclusions drawn from the statistical analysis performed to the data.
Spreadsheet software	Microsoft	Not available	Excel will be the software used to store the yawning recordings initially recorded on the data sheets. Revise the main text for instructions about the recommended way of doing the transcription.
Square filter papers	Any maker	Not available	They are used for covering the cage's bottom.
Tripods	Any maker	Not available	They will be used for fixing the camcorders in front of each pair of observation cages.
Wooden Inverted T-shaped table	Handcrafted	Not available	Read the instructions in the main text to see the way of constructing it. If preferred, a different material to wood can be used. Make sure any material is as resistant as possible to the transmission of ultrasounds, which the rats might use for communication.