Summary
כאן, אנו מציגים פרוטוקול למבחן הימנעות ממקום פעיל, פרדיגמת למידה מרחבית תלוית היפוקמפוס המיועדת למכרסמים. שינוי פרמטרים מרכזיים מאפשר בדיקה חוזרת של בעלי חיים לפני ואחרי טיפולים או לאורך זמן.
Abstract
למידה מרחבית תלוית היפוקמפוס במכרסמים נבדקה במגוון שיטות. אלה כוללים את מבוך המים מוריס (MWM), מבוך Y, ומשימות מיקום אובייקטים חדשות (NOL). לאחרונה, משימת הימנעות המקום הפעיל (APA) פותחה כחלופה לגישות מסורתיות יותר אלה. במשימת APA, עכברים חייבים להשתמש ברמזים מרחביים הממוקמים סביב זירה מסתובבת כדי להימנע מאזור הלם נייח. בשל הפרמטרים המרובים שניתן לכוונן, משימת APA הוכחה כגישה רב-תכליתית מאוד. הוא מתאים לשימוש אורכי וחוזר ונשנה עבור אותה קבוצת עכברים. כאן, אנו מספקים פרוטוקול מפורט לביצוע מוצלח של משימת APA. אנו גם מדגישים גישות APA חלופיות שניתן להשתמש בהן כדי לבחון מרכיבים שונים של למידה מרחבית. אנו מתארים את תהליכי איסוף הנתונים וניתוחם. צעדים קריטיים במהלך משימת APA נדונים כדי להגדיל את הסבירות לביצוע מוצלח של הבדיקה. למשימת APA מספר יתרונות על פני מבחני ניווט מרחביים מסורתיים יותר. זה מתאים לשימוש עם עכברים קשישים או אלה עם פנוטיפים של מחלות כגון מחלת אלצהיימר. ניתן לשנות בקלות את מורכבות המשימה, ולאפשר לבחון מגוון רחב של זני עכברים. יתר על כן, משימת APA מתאימה לבדיקת בעלי חיים שעברו ניתוח או התערבויות ניסיוניות שעשויות להשפיע על תפקוד מוטורי או עצבי, כגון שבץ או פגיעה מוחית טראומטית.
Introduction
הימנעות ממקום פעיל (APA) היא כלי יעיל לבדיקת למידה מרחבית תלוית היפוקמפוס במכרסמים 1,2,3,4. במהלך משימת APA, בעל החיים ממוקם על זירה מסתובבת ונדרש להשתמש ברמזים חזותיים כדי להתמצא ולהימנע מאזור הלם מרתיע5. סיבוב הזירה מבטיח כי העכבר אינו מסוגל להשתמש בגישה אידיוטית לניווט, וגם לא ניתן להשתמש בסימני ריח, שכן רמזים אלה מסתובבים על הפלטפורמה בעוד אזור הזעזוע נשאר נייח5. שינוי המהירות והכיוון של הזירה, כמו גם מיקום אזור ההלם והרמזים החזותיים, מאפשר בדיקה חוזרת של עכברים מספר פעמים 6,7,8. ה- APA מציע מספר יתרונות ברורים בהשוואה למבוך המים מוריס (MWM), אחד ממבחני הלמידה המרחבית הנפוצים ביותר. חשוב לציין, לעכברים יש סלידה משחייה והם מוצאים את משימת MWM מלחיצה מאוד9. יתר על כן, דווח כי עכברים זקנים צפים במהלך משימת MWM10, מה שהופך אותה ללא מתאימה כמטלת למידה מרחבית במקרים רבים. יתר על כן, מכיוון שמשימת MWM דורשת פלטפורמה נסתרת ושקועה עבור העכברים לאתר במהלך הבדיקה. זה מחייב את המים להיות אטומים, אשר מושגת בדרך כלל על ידי תוספת של צבע לבן. מעקב וניתוח של בעלי חיים במהלך משימות התנהגותיות דורש ניגודיות מספקת בין הנושא לסביבתו, למעט זני עכברים מסוימים כגון Swiss או BALB/c מלהיבדק ב- MWM. במשימת APA, בעיה זו נעקפת באמצעות תוספת של פלסטיק שחור מתחת לרשת.
פרדיגמות APA מרובות תוכננו לבחון למידה מרחבית, תוך הדגמת התועלת שלה ככלי התנהגותי יעיל. לדוגמה, רכישה, שימור וגיבוש של למידה מרחבית מושגת בדרך כלל על ידי ניסויים יומיים בבעלי חיים שיכולים לנוע בין 3-5 ימים 6,7,11,12. זיכרון ולמידה מכומתים על ידי השוואת מספר הזעזועים המתקבלים בכל יום רכישה. זמן הכניסה הראשונה והזמן המרבי הימנעות מאזור ההלם הם גם פרמטרים חשובים שניתן להשתמש בהם כדי לקבוע שינויים ביכולת הלמידה במהלך המשימה. לחלופין, ניתן לבדוק זיכרון עבודה מרחבי על ידי ביצוע מפגש APA יחיד בן 30 דקות 2,13 שבו למידה מרחבית נמדדת כשינויים בתוך הפגישה על ידי השוואת ביצועים, כגון מספר הלם, בפחים של 5 דקות.
במאמר זה, אנו מתארים את משימת APA ומדגישים את התכונות העיקריות שיש לקחת בחשבון בעת ביצוע מבחן למידה מרחבית זה.
Protocol
כל ההליכים בבעלי חיים אושרו על ידי ועדת האתיקה של בעלי חיים באוניברסיטת קווינסלנד תחת הנחיות המועצה הלאומית לבריאות ומחקר רפואי של אוסטרליה (מספר אישור: QBI/189/15).
1. הגדרת חדר APA
הערה: מנגנון APA מורכב מזירה מוגבהת עם רצפת רשת מתכת המוקפת בגבול מעגלי שקוף בגובה 32 ס"מ. מוטות המתכת מרווחים באופן שווה (0.5 ס"מ זה מזה) וקוטרם 0.3 ס"מ.
- ודא שמנגנון APA נמצא במסגרת המצלמה המותקנת על התקרה. עקוב אחר העכבר באמצעות תוכנת מעקב אחר בעלי חיים הזמינה באופן מסחרי.
- זירת APA מסתובבת בדרך כלל במהירות סל"ד אחת, ואזור זעזועים נייח מוגדר מראש של 60° בתוך הזירה המסתובבת. כאשר העכבר נכנס לאזור ההלם, ספק זעזוע קל ברגל של 0.5 mA (60 הרץ, 500 אלפיות השנייה).
- ודא שמיקום אזור ההלם נשאר קבוע במהלך הבדיקה ומוגדר אלקטרונית בתוך מערך הניסוי. הזירה המסתובבת נושאת את העכבר לאזור ההלם, אלא אם העכבר זז באופן פעיל כדי להימנע מכך.
- מקמו ארבעה רמזים חזותיים חדשניים על ארבעה קירות חדר שונים באותו גובה כמו הפלטפורמה המסתובבת, בדרך כלל במרחק של 30-50 ס"מ מהזירה. ודא שהרמזים הם בצבעים ניטרליים, כגון סמלים בשחור-לבן או צורות המודפסות על נייר A3 ולמינציה לניקוי קל (איור 1A).
- ודאו שעוצמת האור בחדר היא בין 30-70 לוקס. הגברת עוצמת האור גורמת להתנהגות דמוית חרדה ומפחיתה חקירה.
- לפני שתתחיל, פתח את תוכנית הגשש ובחר את משימת APA.
- באפשרויות עבור Tracker 2D, בחר בכרטיסיה ניסוי . כאן, ודא שנבחרה האפשרות 'הימנעות ממיקום'- מסגרת אחת- מיקום בלבד '. פעולה זו תאפשר להגדיר את הפרמטרים הנדרשים. שמור את קובץ התצורה והתאם כנדרש.
- בכרטיסיה ניסוי , הגדר את משך הניסוי בתיבה זמן ניסוי . משך ניסוי טיפוסי הוא 600 שניות או 10 דקות.
- ודא שהאפשרות הפעל טיימר נבחרה. שנה את פרמטרי ההלם באזור שעון העצר כפי שנדון לעיל.
- הזן את פרטי הניסוי הנפוצים בשטח המסופק באזור מסגרת חדר בכרטיסיה ניסוי . לדוגמה, ודא שהשם קובץ פלט המוגדר כברירת מחדל מאוכלס בתאריך, במזהה ניסיוני פשוט וביום הבדיקה. סיים את השם בקו תחתון "_" כדי לאפשר הוספה של מזהה עכבר ייחודי במהלך הניסוי.
- באזור מסגרת החדר נמצאת גם הכרטיסיה יעדים . לחץ על כפתור עריכה כדי לספק את היכולת להבטיח שהזירה כולה תיכלל באזור העניין. לאחר מכן, בחר Arc כדי לספק את הפרמטרים הניתנים לכוונון עבור הגודל והמיקום של אזור יעד הזעזוע (איור 1B).
- פתח את הכרטיסיה מעקב כדי להתאים את הפרמטרים כדי להבטיח מעקב מוצלח אחר עכברים. תיבת הניגודיות כוללת אפשרויות 'כהה' או 'בהיר' כדי לאפשר עכברים כהים (לדוגמה, C57Bl/6) או בהירים (לדוגמה, BALB/c). זה יוצר ניגוד יעיל בין הרקע לבין העכברים. כשאתם משתמשים בזנים לבקנים של עכברים, הניחו חתיכת פלסטיק שחור מתחת לזירה כדי לאפשר את הניגוד הזה (איור 2).
- הגדר את גודל העכברים ואת טווחי השטח באזור זה. הגדר פרמטרים אלה כדי לזהות ביעילות את העכבר כאשר הוא בזירה. לחלופין, הגדר אותם לאחר לחיצה על הלחצן From Calibrator .
- בחר בלחצן From Calibrator כדי לוודא שהזירה נמצאת לחלוטין באזור המסכה המעניינת.
- הפעל את הזירה בכרטיסיה זו כדי לוודא שכאשר הזירה מסתובבת, הזירה נשארת במסיכה. כרטיסייה זו קריטית גם לבחירת סף הניגודיות המתאים. הזז את הקו האדום בחלונית סף כדי להתאים את סף הניגודיות.
הערה: איור 3A מציג בחירת סף אופטימלית, כפי שניתן לראות על-ידי אזור כתום מלא ו-"X" כחול שבו העכבר ממוקם. סף נמוך מוצג באיור 3B ומראה רק כתום מנוקד ולא "X".
- הפעל את הזירה בכרטיסיה זו כדי לוודא שכאשר הזירה מסתובבת, הזירה נשארת במסיכה. כרטיסייה זו קריטית גם לבחירת סף הניגודיות המתאים. הזז את הקו האדום בחלונית סף כדי להתאים את סף הניגודיות.
- השתמש בכרטיסיה התקנים והגדר את כיוון הסיבוב והמהירות של הזירה באמצעות לחצן המהירות. בחר מהירויות חיוביות ושליליות, המייצגות סיבובים בכיוון השעון ונגד כיוון השעון. הגדר את עוצמת הזעזועים במקטע מקור נוכחי . ההגדרה הנפוצה ביותר עבור עכברים היא סיבוב 1 סל"ד וזעזוע 0.5 mA.
- שנה כיצד או מתי לספק את הזעזועים בכרטיסיה מקור נוכחי .
- ודא שהמצב הנוכחי נבחר למעקב אחר תלוי. פעולה זו תספק שוק חשמלי כאשר העכבר יעבור לאזור ההלם.
- בחר שעה כדי לתת זעזועים במרווח זמן שהוגדר על-ידי המשתמש. השתמש ברצועות שהוקלטו בעבר כדי לזעזע עכבר על-ידי בחירה באפשרות מקובץ. זאת על מנת לספק עכבר בקרה הנתון למספר זהה של זעזועים באותו משך ובאותה עוצמה ללא תלות בלמידה מרחבית.
הערה: הכרטיסיות File Output ו-Window מאפשרות לשמור קובצי נתונים ווידאו בספריה מסוימת. הלחצן From Image בכרטיסייה File Output מאפשר גם לאזור העניין ללכוד את כל הזירה לבחירה.
- לסגת מאחורי הפרגוד ולהתחיל את המשפט. נוכחותו של הנסיין בסמוך לזירה וכל רעש מיותר עלולים להשפיע על ביצועי בעלי החיים.
- ודא שכל רעש וריח מוגבלים במהלך תקופת הניסיון, דבר שיכול לספק לעכבר רמז נוסף ולהשפיע על הביצועים שלו. דוגמאות למזעור זה כוללות הבטחת פח אשפה קליני סגור, שימוש בחדרים שהוצאו מחללי מעבדה רועשים, וניקוי יסודי של הציוד בין עכברים. חוקרים עשויים לשקול להשתמש במחולל הרעש הלבן כדי להסוות רעשים חיצוניים שאינם קשורים.
- תנו למצעי הכלוב הביתי להישאר זהים לאורך כל תקופת המבחנים ההתנהגותיים, שכן זה עשוי לספק גירוי חדש ולהשפיע על ההתנהגות.
- כדי למנוע שינויים יומיים, בצע בדיקות בשעה קבועה בכל יום.
2. התרגלות לטיפול בנסיינים
- טפל בכל עכבר מדי יום במשך 30 שניות עד דקה אחת במשך 2-3 ימים לפחות לפני הבדיקה. טיפול בבעלי חיים מפחית באופן משמעותי מתח והתנהגות הקשורה לחרדה במהלך הניסויים.
- השתמשו באותו מעיל מעבדה והימנעו משימוש בדאודורנטים חזקים, מי קולון או בושם במהלך ההרגלה והבדיקה.
3. התרגלות לזירת APA (יום אחד)
- הכניסו את העכבר לחדר המבואה או לחדר הבדיקה להרגלה. השאר את העכבר להתרגל במשך מינימום של 30 דקות. הגדירו את עוצמת האור בחדר המבואה או בחדר הבדיקה לפני שהעכברים מובאים להתרגל.
- הגדר את תוכנת Tracker.
- צור תיקייה ספציפית לניסוי. בהתאם לפרדיגמת הניסוי, יש תיקיות נפרדות עבור כל יום או ניסוי. הגדר תצורות ניסוי כמתואר לעיל ושמור תצורות אלה לשימוש בעתיד.
- לפני תחילת תקופת ניסיון, פתח את התצורה השמורה על-ידי לחיצה על הכרטיסיה קובץ ולאחר מכן לחץ על סמל שמירה , הוסף מזהה עכבר ייחודי בחלון החדש שנפתח והפעל את גירסת הניסיון על-ידי הקשה על הכרטיסיה הפעל .
- הרגילו את העכבר למנגנון APA על ידי חשיפתו לזירה המסתובבת למשך 5 דקות מבלי לספק זעזועים.
- הוציאו את העכבר מהכלוב הביתי על ידי הרמתו מבסיס הזנב והנחתו בעדינות על היד הכפפה. העבר את העכבר למכשיר APA והנח אותו הרחק מאזור ההלם, מול הקיר.
- לסגת מאחורי הפרגוד ולהתחיל את המשפט.
- בתום הבדיקה מוציאים את העכבר וחוזרים לכלוב הביתי.
- יש לאסוף את כל השתן והשפשתן, ולנקות את הרשת ביסודיות עם אתנול 80% (v/v).
- חזור על שלבים 3.4-3.7 עבור כל העכברים.
4. אימון רכש באמצעות APA (1-6 ימים)
- כוונו את תאורת החדר לתנאים זהים לאלה של יום ההרגלה.
- הכניסו את העכבר לחדר הכניסה או לחדר הבדיקה ואפשרו לו להתרגל למשך 30 דקות לפחות.
- הגדר את תוכנת Tracker כמתואר לעיל.
- הגדר את משך תקופת הניסיון.
- ודא שהמקור הנוכחי מופעל ומוגדר (כלומר, 0.5 mA).
- הניחו את העכבר על הזירה הרחק מאזור ההלם ועם הפנים לקיר.
- נסוג אל מאחורי הווילון והתחל את תקופת הניסיון על-ידי לחיצה על לחצן הפעל . נטר את העכבר על מסך המחשב והתערב במידת הצורך. לדוגמה, העכבר אינו מקבל זעזועים או נראה לחוץ מדי, כפי שמעידים קפיצות מוגזמות או קול.
- בתום הבדיקה מוציאים את העכבר וחוזרים לכלוב הביתי.
הערה: ודא שהעכברים מקבלים את הזעזועים ומגיבים אליהם. עכברים מגיבים להלם על ידי התרוממות לאחור והשמעת קול. אם זה לא המקרה, ייתכן שהם לא מקבלים את ההלם. זה יכול להיות בגלל סקאט ברשת או בגלל מעקב לקוי. לכן, ניקוי הרשת לאחר כל ניסוי ואופטימיזציה של מעקב העכבר, כפי שנדון לעיל, הוא חיוני.
5. אימון רכישת היפוך (אופציונלי, 1-6 ימים)
- במשימת ההיפוך, מקם מחדש את אזור הזעזוע למיקום חדש, בדרך כלל 180° מהמיקום הקודם. הערך את יכולתו של העכבר ללמוד באופן גמיש מיקום חדש של אזור הלם. רמזי החדר בדרך כלל אינם משתנים במהלך למידת היפוך.
- חזור על שלבים 3.4-3.7 עבור כל העכברים.
6. ניסוי בדיקה (אופציונלי, יום אחד)
- בניסוי הגשושית, מדדו את הזמן עד הכניסה הראשונה ו/או את הזמן המקסימלי להימנע מאזור ההלם.
הערה: הדבר מציין איחוד זיכרון לאחר שלב הרכישה. עכבר מאומן היטב יימנע מכניסה לאזור ההלם לתקופה ממושכת (>60 שניות), מה שיראה עדות ללמידה מרחבית. - הגדירו את עוצמת האור בחדר כמו ביום אימון הרכישה.
- הרגילו את העכבר בחדר הבדיקה או בחדר הכניסה למשך 30 דקות.
- הגדר את תוכנת Tracker.
- הגדר את משך הניסיון לאותו זמן כמו תקופת הבדיקה שנערכה בעבר (לדוגמה, 10 דקות או 30 דקות, בהתאם לפרמטרים של הניסיון).
- אל תעביר זעזועים למשפט זה.
- מקם את העכבר בצד הנגדי של אזור ההלם המרתיע, עם הפנים לקיר.
- התחל את המשפט ונסוג מאחורי הפרגוד.
- ודא שהמעקב אחר העכבר מתבצע ביעילות.
- נטר את העכבר על מסך המחשב ועצור את גירסת הניסיון כאשר הוא נכנס לאזור ההלם. חלק מהחוקרים מעדיפים להמשיך את הניסוי במשך 5 דקות כדי לראות אם העכבר ממשיך לחזור לאזור ההלם.
- הרימו בעדינות את העכבר וחזרו לכלוב הביתי.
- יש לוודא שכל השתן והסקאט נאספים, ושהרשת מנוקה ביסודיות עם אתנול 80% (v/v).
7. ניתוח מסלול
הערה: ניתן להשיג את ביצוע המשימה באמצעות תוכנות מעקב שונות. להלן כיצד התוכנה הכלולה משמשת לקביעת הביצועים במהלך משימת APA. במקרה זה, הנתונים מנותחים באמצעות התוכנית Track Analysis .
- כדי לנתח את הנתונים, פתח את התוכנית Track Analysis ובחר Avoidance מהתפריט הנפתח בחלון הראשי.
- לחץ על הוסף משימה כדי להעלות את קבצי הנתונים שנשמרו בשלב הרכישה בחלון חדש. תחת שם קבוצה, צור קבוצה לניתוח, לדוגמה, יום 1 או שעת ניתוח.
- לחץ על ספריית הפלט כדי לבחור את המיקום לשמירת הנתונים המנותחים.
- הוסף את הקבצים לניתוח על ידי לחיצה על הוסף קבצים הכרטיסייה ובחירת הקבצים מהכונן המקומי.
- הגדר את השעה לניתוח על-ידי לחיצה על הכרטיסיה הגדרת שעה . זה מספק את היכולת להגדיר את התקופה אשר ינותח, כלומר, 0 עד 600 שניות. לחלופין, לנתח את הנתונים בפחים, כלומר, 60 שניות.
- לאחר הוספת כל הרצועות, לחץ על הכרטיסיה ניתוח ובחר הפעל ניתוח כדי לנתח את הנתונים. הניתוח יפיק מספר תיקיות. הנתונים לניתוח יהיו בתיקייה TBLfiles . פתח קבצי נתונים אלה בגיליון אלקטרוני והשתמש בהם לניתוח נוסף, כלומר, השוואה זוגית או מדידות חוזרות ANOVA.
הערה: הניתוח יפיק גם תיקיות אחרות, כולל קבצי PS שיכללו תיאור של עמוד אחד של העכברים במהלך הבדיקה, המציג מפת עקבות והיכן התקבלו הזעזועים.
Representative Results
עכברים עם יכולת למידה מרחבית שלמה יראו ירידה במספר הזעזועים במהלך ניסויי רכישה עוקבים (איור 4A). באופן דומה, הזמן המרבי שבו נמנעים מאזור ההלם יגדל ככל שהעכבר ילמד לנווט בהצלחה הרחק מאזור ההלם (איור 4B). אולם עכברים שאינם מסוגלים ללמוד אסטרטגיית הימנעות יעילה יראו מספר קבוע של זעזועים בכל ניסוי רכישה (איור 4A). לעתים קרובות, עכברים שאינם מצליחים לזהות את אזור ההלם יקבלו זעזועים מרובים במהלך כל כניסה לאזור. מפות מעקב שימושיות כדי לספק דוגמאות לעכברים שלומדים להימנע מאזור ההלם (איור 4C) ולאלה שאינם מסוגלים להימנע מאזור ההלם (איור 4D). בשני המקרים, מפות עקבות אלה מייצגות את היום האחרון של הרכישה. העכבר באיור 4C קיבל רק 2 מכות חשמל, כפי שמיוצגות על-ידי שני המעגלים. כמו כן, שים לב שמפת המעקב מראה את העכבר מבלה את רוב הזמן בצד הנגדי של אזור ההלם המיוצג על ידי הטריז האדום. לעומת זאת, העכבר באיור 4D קיבל יותר זעזועים, ומפת העקבות חושפת דפוס לא מסודר. דוגמאות לעכברים שאינם מסוגלים ללמוד בהצלחה להימנע מאזור ההלם הן אלה שיש להם נוירוגנזה מופחתת בהיפוקמפוס בגלל גיל מבוגר יותר, כפי שמוצג על-ידי עכברים בני 18 חודשים (איור 4A,B- שונה מ-Blackmore et al., 20217), אבלציה כימית של נוירונים לא בשלים6 או נגעים בהיפוקמפוס (ראו Codd et al., 2020)8.
חשוב להבחין בין ניסוי לא מוצלח בגלל שהעכבר לא לומד לעומת כשל בהגדרת הציוד. שתי הסיבות הנפוצות ביותר לתוצאות גרועות כתוצאה מכשל בציוד הן מעקב לקוי אחר העכבר (איור 5A) או שהעכבר לא מקבל שוק. מעקב לקוי יכול למנוע מהעכבר לקבל זעזוע כאשר הוא נמצא באזור ההלם. לחלופין, מעקב לקוי יכול לגרום באופן לא מדויק לזעזוע כאשר העכבר אינו נמצא באזור. בשני המקרים, זה ימנע מהעכבר לפתח אסטרטגיית הימנעות יעילה. מעקב גרוע ניתן לפתור על ידי התאמת הסף בכרטיסייה "מכייל". מעקב גרוע מוגדר בדרך כלל כיותר מ-1000 פריימים פגומים במהלך תקופה של 10 דקות ומתרחש לעתים רחוקות מאוד. מעקב לקוי יכול להפוך לבעיה עם עכברים מזדקנים, שם התקרחות יכולה להתפתח. בעת קבלת שוק, העכבר יגיב או על ידי מתיחה או, לעיתים, קול. העכבר יזוז בדרך כלל, אם כי אפילו מעט, וניתן לראותו בתוכנת המעקב החי. כאשר העכבר נשאר דומם לחלוטין בתוך אזור הזעזועים, יוצג קו ברור של זעזועים (איור 5B). זה יכול להיות בגלל שקופסת ההלם לא מופעלת או שנתקעה בין הסורגים, מה שמקטין את המשרעת של הזעזוע המועבר לחיה.
איור 1: מנגנון APA, חדר התנהגות והגדרת אזור הלם. (A) דוגמה לזירת הבדיקה ולמערך החדרים. מנגנון APA מוגבה וממוקם במרכז החדר, מוקף ברמזים חזותיים חדשניים. רמזים חזותיים בשחור-לבן משמשים באותו גובה כמו הפלטפורמה. (B). פונקציית המטרה בכרטיסייה ניסוי מאפשרת מיסוך של הזירה כולה ויוצרת מיקום של אזור ההלם. אזור הלם, המיוצג על-ידי הטריז האדום, נוצר ב-270° בדוגמה זו. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: הגדרת APA עבור זני עכברים לבקנים. ניתן להגדיר את זירת APA עבור זנים לבקנים של עכברים, כגון BALB/c, על ידי בחירה באפשרות האור בכרטיסיה מעקב ויצירת רקע זירה שחור. עכבר לבקנים על רקע שחור משיג ניגודיות גבוהה ומציע מעקב עכבר טוב יותר. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: התאמת הסף למעקב אחר עכברים היא חיונית. יש להתאים את הסף כראוי כדי להבטיח מעקב טוב אחר בעלי חיים במהלך הניסוי. הסף מותאם על-ידי הזזת הקו האדום בחלונית הסף בכרטיסיה 'מכייל '. (A) דוגמה לבחירת סף טובה עם אזור כתום מלא ו- X כחול על האובייקט. (B) סף עלוב עם כתום מנוקד. מעקב לקוי מוביל לאובדן בעל חיים בזירה או מונע מהעכבר לקבל שוק חשמלי כאשר הוא נמצא באזור ההלם. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 4: השוואת ביצועים בין עכברים צעירים (10 שבועות) ומבוגרים יותר (18 חודשים) בפרדיגמת למידה של 5 ימים ובמפות עקבות. (A) העכברים בני 10 שבועות קיבלו הרבה פחות שוקים חשמליים בהשוואה לעכברים בני 18 חודשים במהלך 5 ימי בדיקה; שימו לב שההבדל במספר הזעזועים שהתקבלו היה מזערי ביום הראשון של הבדיקה בין הקבוצות, אך עכברים צעירים עם זיכרון תקין למדו להימנע מכניסה לאזור ההלם מהר יותר מאשר הקבוצה המבוגרת יותר. (B) זמן מקסימלי של הימנעות חושב כזמן המרבי שהוקדש למניעת הלם חשמלי במהלך 10 דקות הניסיון. העכברים הצעירים למדו במהירות להימנע מכניסה לאזור ההלם בהשוואה לעכברים מבוגרים יותר, מה שמרמז על כך שהעכברים הצעירים לומדים ביעילות. (C) העכבר במפת עקבות זו קיבל רק שני זעזועים, כפי שמיוצגים על ידי שני המעגלים בניסוי רכישה זה. עכבר זה גם בילה זמן רב יותר בזירה מול אזור ההלם, המיוצג על ידי הטריז האדום. (D) העכבר הזה קיבל יותר זעזועים ובילה זמן רב יותר קרוב לאזור ההלם, מה שמרמז על כך שלמידה מרחבית לא הושגה בעכבר הזה. מדידת ANOVA דו-כיוונית, חוזרת, עם מבחני בונפרוני לאחר הוק שימשו לבדיקת מובהקות. עמ<0.0001. לוחות A ו-B שונו מ-Blackmore et al.7. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 5: מפות מעקב מספקות מידע חשוב עבור כל עכבר במהלך כל ניסוי. (A) שים לב לקווים הישרים הקיימים בדוגמה זו של מעקב. זאת בשל תוכנת מעקב זיהוי שגוי של עכבר במהלך המשימה. (B) דוגמה למעקב טוב במהלך המשפט. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 6: מעקב אחר תצוגה חזותית ומפת חום בתוכניות שונות למעקב אחר בעלי חיים. הן (A) תוכנית 1 והן (B) תוכנית 2 מזהות את המיקום והתנועה של בעל החיים כדי ליצור חלקות מסלול כדי לבדוק חזותית אם החיה לומדת את המשימה או את ההשפעה של טיפול ניסיוני. שתי התוכניות מציגות עלילות מסלול זהות מחיה שלמדה את המשימה ביעילות. (ג) ניתן גם ליצור מפת חום, המאפשרת זיהוי נקודות חמות וקיבוץ נקודות הנתונים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
Discussion
לסיכום, מבחן הימנעות ממקום פעיל הוא מטלת למידה מרחבית יעילה שניתן להשתמש בה במגוון זני עכברים ובתנאי ניסוי. משימת APA מתגברת על מגבלות הקשורות לפרדיגמות למידה מרחביתאחרות 14, כגון MWM, שהוא מלחיץ עבור העכברים כפי שנמדד על ידי רמות קורטיזול9. ה-MWM גם אינו מתאים לעכברים זקנים, שם דווח שהם צפים במהלך משימה10. אף על פי שמבחני למידה מרחבית אחרים, כגון מבוך בארנס ומבחן מיקום עצמים חדשני, הם פחות מלחיצים, הם מוגבלים על ידי התדירות שבה ניתן לבצע בדיקות חוזרות על אותה קבוצת עכברים. לכן, היתרון העיקרי של משימת APA הוא שניתן להשתמש בה מספר פעמים מכיוון שניתן להתאים מספר פרמטרים כדי לשמור על חידוש. ואכן, השתמשנו במטלת APA עד 5 פעמים על אותה קבוצת עכברים כדי לבחון את ההשפעה של אבלציה בהיפוקמפוס ואת ההשפעה של תרגיל8 לאחר מכן. בכל אחד מהמקרים, הפרמטרים, כולל סיבוב הזירה, אזור ההלם והרמזים המרחביים, שונו בין המבחנים. זה היה יעיל להבטיח שהעכברים השתמשו ברמזי ניווט מרחביים כדי ללמוד מחדש את המשימה, כפי שמעידים חיות הביקורת, שהתחילו עם מספר גבוה של זעזועים ואז פחתו במהלך ימי הניסוי הבאים עבור כל תקופת ניסוי8. בדרך כלל, בסוף פרדיגמת בדיקה של 5 ימים, אנו לוקחים בחשבון שכל בעל חיים שקיבל יותר מ -10 מכות חשמל ביום האחרון או שיש לו הימנעות מקסימלית של פחות מ -60 שניות לא למד את הפרדיגמה.
מעבר ליכולת לשנות הגדרות בקלות כדי לאפשר סבבים מרובים של בדיקות מרחביות, משימת APA מבטיחה שעכברים חייבים להשתמש בניווט מרחבי כדי להימנע ביעילות מאזור ההלם. לדוגמה, בעלי חיים חייבים להשתמש ברמזים חיצוניים כדי לאתר ולהימנע מכניסה לאזור ההלם הנייח על ידי ניווט הרחק ממנו5. כאשר הזירה מסתובבת, בעלי חיים אינם מסוגלים להשתמש בגישה אידיוטית לניווט, והם גם אינם יכולים להשתמש ברמזים חיצוניים כגון ריח, מכיוון שרמזים אלה מסתובבים עם הזירה בעוד אזור ההלם והרמזים המרחביים נשארים נייחים5.
חשוב גם לוודא שהעכברים מורגלים כראוי לזירת החוקר וה-APA. גם עוצמת הזעזועים בכף הרגל צריכה להיות אופטימלית, מכיוון שגם עוצמת זעזועים נמוכה מדי וגם עוצמת זעזועים גבוהה מדי עלולות לפגוע ביכולתם של עכברים ללמוד ולבצע את המשימה5. עוצמת הזעזוע מוגדרת בדרך כלל ל- 0.5 mA ולא תעלה על 0.7 mA. עבור בעלי חיים שיש להם התנהגות מוגברת דמוית חרדה, שקול להפחית הן את עוצמת האור והן את עוצמת הזעזועים ברגל. חרדה מוגברת במהלך משימת APA יכולה להתבטא בקפיצות יתר, ריצה בלתי מבוקרת בתוך הזירה, או קיפאון ממושך. הפרוטוקול המתואר כאן השתמש בעוצמת הלם של 0.5 mA, אותה עוצמה שבה נעשה שימוש בעבר עם BALB/c, אשר ידוע כבעל התנהגות דמוית חרדה גבוהה יותר15.
כאן, אנו מתארים את תוכנת מעקב בעלי החיים שסופקה על ידי החברה שסיפקה את מתקן מניעת המקום הפעיל בשימוש. תוכנת מעקב וידאו חלופית מתאימה גם לניתוח ביצועים התנהגותיים. תוכניות אלה יכולות גם למדוד ולנתח במדויק את ביצועי העכבר במהלך משימות APA. תוכניות אלה מאפשרות ליצור מספר אזורים ומיקומים בתוך זירת APA כדי להעריך התנהגות. הגדרת הזירה עבור APA מורכבת מאזור הלם משולש אחד, שבו נמדדים מספר הכניסות, זמן הכניסה הראשונה והזמן המושקע באזור ההלם. ניתן להוסיף גם אזורים נוספים בתוך הזירה. לדוגמה, אנו יכולים להוסיף אזור מרכזי או אזור מול אזור ההלם כדי למדוד את הזמן המושקע, ואת המרחק שעבר באזורים אלה כאסטרטגיה של בעלי חיים כדי להימנע מהאזור המרתיע. תוכניות אלה עוקבות אחר מרכז המסה של העכבר, אשר נשמר לאחר מכן ומוצג מעל מסגרת הייחוס לבדיקה חזותית (איור 6A,B). לבסוף, אפשר גם ליצור מפת חום של צפיפות עבור ביצועים אישיים וקבוצתיים (איור 6C).
בעת ביצוע משימת APA, ישנם נושאים פוטנציאליים שיש לטפל בהם. לעיתים, יהיה צורך להוציא עכברים מהניתוח עקב אי היענות לאזור ההלם. כמו תמיד, יש לשקול החרגה רק כאשר הם עומדים בתנאים חריגים מוגדרים מראש, למשל, נופלים מחוץ ל-2 סטיות תקן מהממוצע. משימות התנהגותיות מורכבות כגון APA דורשות בדרך כלל ערכי N גבוהים של בעלי חיים. אנו מציעים לבצע ניתוח הספק כדי לחשב את גודל המדגם המתאים לפני ביצוע APA. זה יהיה תלוי בזן בשימוש ובקבוצות הטיפול. מניסיון, אנו מוצאים כי ערך n של 10 או יותר עבור כל קבוצה מספק מספיק כוח בעת ביצוע ניסויים APA. הבעיה העיקרית עם משימה זו היא הבטחת מעקב באיכות גבוהה של העכבר במהלך המשימה. יש להשתמש בשלב ההרגלה של המשימה כדי לאשר שזה קורה. עכברים שאינם מגיבים להלם חשמלי נובעים לעתים קרובות מסרגלי הרשת. לכן, חיוני לנקות את האסדה אחרי כל בעל חיים ולהסיר כל שתן או שתן. זה גם יפחית את הלחץ עבור בעלי החיים הבאים. משימת APA כוללת בדרך כלל פרדיגמה של 5 ימים, אשר עשויה להציג מגבלות מסוימות עבור מחקרים הכוללים התערבויות יעילות פחות מ -5 ימים; עם זאת, זיכרון לטווח קצר או רכישת למידה מרחבית עדיין ניתן להעריך עבור מחקרים כאלה באמצעות גישה של 30 דקות, מפגש יחיד.
לסיכום, מאמר זה מספק תיאור מפורט של האופן שבו ניתן להגדיר ולהשתמש בפרדיגמת הימנעות המקום הפעיל כדי לבחון את הלמידה המרחבית של עכברים. היכולת לשנות תנאים כך שניתן יהיה לבחון זני עכברים מרובים בצבעים שונים היא יתרון מובהק על פני בדיקות מרחביות מסורתיות יותר, כגון MWM. יתר על כן, שינוי של פרמטרים מרובים מאפשר בדיקות חוזרות, כך שניתן להשוות במדויק את השינויים בלמידה מרחבית במהלך פרדיגמות ניסוייות שונות או במהלך הזדקנות פיזיולוגית. בפרק זמן קצר, מבחן APA הוכח כחלופה מדויקת ויעילה ללמידה מרחבית תלוית היפוקמפוס. בעתיד, משימת APA יכולה לשמש כשיטה אמינה להערכת התערבויות טיפוליות או גופניות על התנהגות קוגניטיבית ומרחבית הן בעכברי בר והן בעכברים טרנסגניים.
Disclosures
למחברים אין מה לחשוף.
Acknowledgments
אנו מודים למתקן התנהגות בעלי החיים של מכון המוח של קווינסלנד (QBI) על הפיתוח והתחזוקה של המנגנון המתואר בכתב יד זה.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Constant Current Source CS02 | BioSignal Group | N/A | Acton, Massachusetts, United States |
| Control Box | BioSignal Group | N/A | Acton, Massachusetts, United States |
| Ethovision | Noldus | version 16 | Wageningen, Netherlands |
| Shock Scrambler | BioSignal Group | N/A | Acton, Massachusetts, United States |
| Track Analysis | BioSignal Group | version 2.2 | Acton, Massachusetts, United States |
| Tracker Programme | BioSignal Group | version: 2.36 | Acton, Massachusetts, United States |
References
- Cimadevilla, J. M., Fenton, A. A., Bures, J. Functional inactivation of dorsal hippocampus impairs active place avoidance in rats. Neurosci Lett. 285 (1), 53-56 (2000).
- Willis, E. F., Bartlett, P. F., Vukovic, J. Protocol for short- and longer-term spatial learning and memory in mice. Front Behav Neurosci. 11, 197 (2017).
- Blackmore, D. G., Brici, D., Walker, T. L. Protocol for three alternative paradigms to test spatial learning and memory in mice. STAR Protoc. 3 (3), 101500 (2022).
- Pastalkova, E., et al. Storage of spatial information by the maintenance mechanism of LTP. Science. 313 (5790), 1141-1144 (2006).
- Stuchlik, A., et al. Place avoidance tasks as tools in the behavioral neuroscience of learning and memory. Physiol Res. 62 (Suppl 1), S1-S19 (2013).
- Vukovic, J., et al. Immature doublecortin-positive hippocampal neurons are important for learning but not for remembering. J Neurosci. 33 (15), 6603-6613 (2013).
- Blackmore, D. G., et al. An exercise "sweet spot" reverses cognitive deficits of aging by growth-hormone-induced neurogenesis. iScience. 24 (11), 103275 (2021).
- Codd, L. N., Blackmore, D. G., Vukovic, J., Bartlett, P. F. Exercise reverses learning deficits induced by hippocampal injury by promoting neurogenesis. Sci Rep. 10 (1), 19269 (2020).
- Harrison, F. E., Hosseini, A. H., McDonald, M. P. Endogenous anxiety and stress responses in water maze and Barnes maze spatial memory tasks. Behav Brain Res. 198 (1), 247-251 (2009).
- van Praag, H., Shubert, T., Zhao, C., Gage, F. H. Exercise enhances learning and hippocampal neurogenesis in aged mice. J Neurosci. 25 (38), 8680-8685 (2005).
- Zhou, X. A., et al. Neurogenic-dependent changes in hippocampal circuitry underlie the procognitive effect of exercise in aging mice. iScience. 24 (12), 103450 (2021).
- Leinenga, G., Gotz, J. Scanning ultrasound removes amyloid-β and restores memory in an Alzheimer's disease mouse model. Sci Transl Med. 7 (278), 278ra33 (2015).
- Willis, E. F., et al. Repopulating microglia promote brain repair in an IL-6-dependent manner. Cell. 180 (5), 833-846 (2020).
- Lesburgueres, E., Sparks, F. T., O'Reilly, K. C., Fenton, A. A. Active place avoidance is no more stressful than unreinforced exploration of a familiar environment. Hippocampus. 26 (12), 1481-1485 (2016).
- Crawley, J. N. Behavioral phenotyping strategies for mutant mice. Neuron. 57 (6), 809-818 (2008).
