Barnes Maze Stratégies de test avec les petites et grandes des modèles de rongeurs

Summary

La terre sèche Barnes labyrinthe est largement utilisé pour mesurer la capacité de la navigation spatiale en réponse à des stimuli aversifs légèrement. Sur des jours consécutifs, la performance (par exemple, la latence pour localiser évasion cage) des sujets de contrôle améliore, indicatif de l'apprentissage et de la mémoire normale. Les différences entre les rats et les souris nécessitent appareils et méthodologie changements qui sont détaillées ici.

Abstract

L'apprentissage spatial et la mémoire des rongeurs de laboratoire est souvent évaluée par la capacité de navigation dans des labyrinthes, le plus populaire de qui sont les (Barnes) labyrinthes de l'eau et des terres arides. Amélioration des performances sur des sessions ou des essais est pensé pour refléter l'apprentissage et de la mémoire de l'emplacement évasion cage / plate-forme. Considéré comme moins stressant que les labyrinthes de l'eau, le labyrinthe Barnes est relativement simple conception d'un haut de forme circulaire avec plusieurs trous équidistants sur le bord de périmètre. Tous sauf un des trous sont à double fond ou aveugles fin, tandis que l'un mène à une cage d'échappement. Stimuli aversifs légèrement (par exemple, plafonnier lumineux) fournissent la motivation pour localiser la cage d'échappement. Latence de localiser la cage d'échappement peut être mesuré pendant la session, mais des effets supplémentaires nécessitent généralement l'enregistrement vidéo. De ces enregistrements vidéo, l'utilisation d'un logiciel de suivi automatisé peut générer une variété de paramètres qui sont semblables à celles produites dans des labyrinthes d'eau (par exemple </ Em> la distance parcourue, la vitesse / vitesse, le temps passé dans le quadrant correct, le temps passé en mouvement / repos, et la confirmation de latence). Type de stratégie de recherche (c.-à-aléatoire, serial ou directe) peut être classé comme bien. Barnes construction et d'essais labyrinthe méthodologies peuvent différer pour les petits rongeurs, tels que des souris, des rongeurs et des grands, tels que les rats. Par exemple, alors que les indices extra-labyrinthe sont efficaces pour les rats, les rongeurs sauvages plus petits peuvent exiger intra-labyrinthe des indices avec une barrière visuelle dans le labyrinthe. Stimuli appropriés doivent être identifiés qui motivent le rongeur pour localiser la cage d'échappement. Les deux Barnes et labyrinthes d'eau peuvent être de temps que 4-7 essais de test sont généralement nécessaires pour détecter amélioration de l'apprentissage et de la mémoire (par exemple, la performance des temps de latence plus courts ou des longueurs de trajet pour localiser la plate-forme d'évasion ou de la cage) et / ou des différences entre les groupes expérimentaux. Même ainsi, le labyrinthe Barnes est une évaluation comportementale largement utilisée mesurer les capacités de navigation spatiale etleur risque de perturbation par des manipulations génétiques, neuro-comportementaux, ou l'exposition médicament / substance toxique.

Introduction

L'apprentissage spatial et la mémoire chez les rongeurs de laboratoire a d'abord été évaluées chez des rats privés de nourriture qui naviguaient un dédale de ruelles pour trouver un renforçateur alimentaire ^1. Plusieurs décennies plus tard, un système de mémoire de référence spatiale a été proposé ^2. Contrairement à la mémoire de travail qui se réfère à la mémoire d'une session ou d'un procès test, la mémoire de référence correspond à la mémoire à travers des sessions ou des essais de test et est plus étroitement lié à la mémoire à long terme.

Plusieurs types de labyrinthes ont été développés comme des évaluations non invasives de cet apprentissage de l'hippocampe-dépendante spatial et la mémoire dans les petites et grandes rongeurs (par exemple labyrinthe d'eau, labyrinthe en T multiple, bras radial et labyrinthe labyrinthes de terre sèche) ^3-6. Ici, nous nous concentrons sur la plate-forme circulaire ou Barnes labyrinthe, décrite pour la première en 1979 par le Dr Carol Barnes ^7. Ce labyrinthe a été utilisée pour tester l'apprentissage de la navigation spatiale et de la mémoire dans un large éventail de modèles de rongeurs, notamment les rats (RaTTU norvegicus), souris (Mus musculus), souris sylvestres (Peromyscus maniculatus bairdii), les souris Californie (Peromyscus californicus), et les rongeurs hystricomorphes (par exemple, les octodons [octodon Octodon]) ^8-13. D'autres espèces évaluées en utilisant le labyrinthe Barnes comprennent blattes américaines (Periplaneta americana), ¹⁴ serpents de maïs (Elaphe guttata guttata) ^15,   reptiles squamates (par exemple, les lézards de côté-blotched [Uta stansburiana]) ^16, et les primates non humains (par exemple, les lémuriens de souris [Microcebus murinus]) ^17. Dans nos laboratoires, les performances du labyrinthe Barnes a été utilisé comme un indice de la neurotoxicité développementale après bisphénol A (BPA) ou de l'éthinylestradiol (EE2) exposition ^9-1113. Il est aussi couramment utilisé pour le comportement phénotypage de diverses souches de souris ^18-21, l'évaluation des effets du vieillissement ^7,22-28, et la définition de la maladie d'Alzheimer liéeicits dans des modèles animaux ^3,29-33, ainsi que les effets de l'exercice et les modifications alimentaires, de l'environnement, et métabolique ^34-42.

Un des principaux avantages de l'utilisation de Barnes labyrinthe est qu'il induit moins de stress dans les sujets relatifs à labyrinthes d'eau, tels que l'eau de Morris ^43, même si les deux peuvent induire une augmentation de courte durée à des concentrations de corticostérone plasmatiques chez des souris ^44. Comme un labyrinthe de la terre ferme, le labyrinthe Barnes peut être plus éthologique pertinentes pour les rongeurs terrestres ^45. Bien que les performances de labyrinthe d'eau a été montré pour être plus sensibles aux altérations génétiques chez la souris ^3,46,47, la performance en labyrinthe Barnes est plus sensible aux modifications de certaines autres ^48,49. Dans les modèles de rongeurs où l'utilisation du labyrinthe d'eau n'est pas possible, le labyrinthe Barnes peut fournir une évaluation de la fine de la rétention de la mémoire spatiale ^31. Les stimuli aversifs légèrement généralement utilisés dans le labyrinthe Barnes (feux lumineux), c'est à direcependant, ne peut pas fournir une motivation suffisante pour le rongeur pour localiser la cage d'échappement ^45. En outre, les rongeurs peuvent apprendre qu'aucune sanction se produit si elles n'entrent pas dans la cage d'échappement. Ainsi, au lieu de chercher activement pour la cage d'évacuation, certains rongeurs explorer activement le labyrinthe pour de longues durées de chaque essai. Comme examiné par Kennard et Woodruff-Pak ^24, cette exploration accrue permettra de prolonger le temps de latence pour localiser la cage d'échappement, la longueur du trajet, et d'augmenter le nombre d'erreurs. Ainsi, la mesure de plusieurs paramètres, y compris les temps de latence, taux d'erreur, le temps passé dans les quadrants correctes et incorrectes, la vitesse, le temps en mouvement, le temps de repos, et de la stratégie de recherche, peut collectivement fournir un meilleur indicateur de l'espace d'apprentissage de la navigation et de la mémoire capacité de chaque sujet ^{8 -10.} En outre, la performance peut être mesurée comme le temps de latence pour trouver la première cage d'échappement (mesure primaire) ou la latence pour entrer dans la cage d'échappement (mesure totale). Certains ont argued que les mesures primaires de performance sont un reflet plus précis de l'apprentissage spatial de mesures au total ^50. La plupart des études, y compris les exemples décrits ici, utiliser la latence pour entrer dans la cage d'échappement pour déterminer le taux d'erreur et de la stratégie de recherche. En outre, certains systèmes de logiciels de suivi ont un système de détection de corps en trois points qui permet de mesurer les fréquences de renifler les trous vs incorrectes correctes. Enfin, le labyrinthe doit être nettoyé avec de l'éthanol entre les essais pour éliminer les signaux olfactifs qui pourraient fournir des indices ou prouver gênant pour animaux ultérieures.

Barnes conceptions de labyrinthe varier, mais en général ont chacun 12 ou 20 trous d'échappement potentiels, dont un seul conduit à la maison ou une cage d'échappement. La cage d'échappement peut être situé directement sous le trou d'évacuation sur le dessus du labyrinthe (pour des labyrinthes sans murs) ou intégré dans le mur d'enceinte du labyrinthe. Les repères peuvent varier en taille d'environ 16,5 cm de hauteur ou de la largeur (dans la maze) à une ligne horizontale de 21,6 cm de largeur placées du sol au plafond de la paroi de la chambre à l'extérieur du labyrinthe. Figures 1-5 montrent des exemples de Barnes conceptions de labyrinthe pour les espèces Peromyscus (figure 1) et les rats (figures 2-5). Bouchons ou faux fonds doivent couvrir les trous de nonescape pour empêcher l'animal de tomber hors du labyrinthe. Taille de la chambre d'essai peut varier (~ 20 m ^2), mais il doit être suffisamment grand pour fournir suffisamment d'espace pour le labyrinthe, habituer les animaux à la salle, pouvant accueillir un ordinateur avec vidéo set-up (le cas échéant), et un lieu pour l'expérimentateur de s'asseoir à une distance (au moins 122 cm ~) à partir de l'appareil de labyrinthe de telle sorte que leur présence n'interfère pas avec la performance de l'animal. Affectation de l'emplacement de la cage d'échappement doit être équilibrée entre les groupes de traitement et le sexe. Alors que les procédures spécifiques décrites ici ne comprennent pas tourner le labyrinthe entre les essais pour décourager l'utilisation des intra-labyrinthe odeur indices, certaines étudesintégrer cette procédure ^50. Dans nos procédures, le labyrinthe est nettoyé avec de l'éthanol entre les essais pour éliminer les odeurs repères.

En localisant la cage d'évacuation, trois types de stratégies de recherche ont été définis (à l'origine appelés «modèles» de Barnes ^7): 1) aléatoires, définies sur le plan opérationnel que des recherches localisées de trous séparés par des chemins qui traversent le centre du labyrinthe, 2) de série, définis comme une recherche systématique de trous consécutifs dans un sens horaire ou antihoraire, et 3) direct ou spatiale, définie comme la navigation directement au quadrant correct sans traverser le centre du labyrinthe plus d'une fois et avec trois ou moins d'erreurs. En général, à des tests répétés, rongeurs progressent généralement à travers les stratégies de recherche dans l'ordre indiqué (au hasard, de série, et direct) ^51. Un essai de sonde sans la cage d'échappement peut également être utilisée comme mesure supplémentaire de la mémoire ^50.

Le protocole et représentantrésultats ici ont été élaborés pour deux types de rongeurs (petits rongeurs appelés Peromyscus espèces contraire) et les rats. Bien que ces procédures générales peuvent aussi tenir des souris consanguines et / ou consanguine (Mus musculus), d'autres études doivent être consultés sur les différences de méthodologie potentiels pour ces dernières espèces ^18-21.

Protocol

Une. Barnes procédure Maze pour les petits rongeurs Allumez les lumières aériennes au-dessus du labyrinthe et le lieu «Ne pas retourner" signes à l'extérieur de la porte du laboratoire. Apportez souris dans leurs cages normales de la chambre d'essai d'environ 30 minutes avant le début du premier procès pour permettre l'accoutumance. Si la pièce est calme, il peut ne pas être nécessaire d'inclure un bruit blanc, sinon cette mesure de précaution peut être considé…

Representative Results

Souris sylvestres mâles sexuellement matures dépendent amélioré la capacité de navigation spatiale pour trouver des partenaires potentiels de reproduction, qui sont largement diffusés dans l'environnement. Tant l'exposition prénatale et des adultes à la testostérone sont essentiels dans l'organisation et l'activation de ce comportement de mâle adulte plus tard 53. En tant que tel, il a été supposé que l'exposition précoce à perturbateurs endocriniens pourrait perturber ce tr…

Discussion

Les étapes critiques dans les tests de labyrinthe Barnes comprennent: 1) fournir le stimulus légèrement aversion propre à motiver l'animal pour localiser la cage d'évacuation, 2) assurer des conditions uniformes sont maintenus à travers les essais sur les animaux (par exemple, la durée du test, essai personnel, lutte contre le bruit externe, et d'autres stimuli qui pourraient affecter la performance), 3) si les essais sont la vidéo enregistrée, optimiser et assurer l'enregistrement de v…

Materials

NOTE: Those items that are for small rodents only are bolded. Those items that are for large rodents only are italicized. Items neither bolded nor italicized are for both.
Barnes Maze platform with 12 or 20 escape holes every 30°. For rats, each hole is 10.5 cm in diameter and 4 cm from the maze top edge. For use with automated tracking programs, a black top for white rodents or a white top for pigmented rodents is needed. For mice and rats, this circular top is 95 and 122 cm in diameter, respectively.	US Plastics Corp, Lima, OH	42625	This is the top of the Barnes Maze and the surface that the rodent is placed upon. It can be constructed from a variety of materials (e.g. Plexiglas), but for endocrine disruptor work, polypropylene BPA-free material is optimal. One of the holes leads to the an escape cage; all other holes are blind-ending or false-bottomed. For the rat maze, small slides on the underside of the maze platform allow the escape cage and false bottoms to slide in.
2" Polypropylene pipe plug (24) 2" 90° Black polypropylene elbow (12) 2" x 6" Polypropylene pipe nipple (1)	US Plastics Corp, Lima, OH	30724 32086 30712	These are only necessary for the small rodent (e.g. mouse) Barnes Maze. These adaptations are either blind-ending tubes/elbows or one of the tubes is connected to the pipe nipple that then leads to the escape cage.
False bottoms for rat Barnes Maze			These were custom made of ABS plastic and vacuum molded for the rat maze apparatus.
Circular aluminum wall/barrier (50 cm high) around the maze	Ace Hardware, Columbia, MO		In the case of small rodents (e.g. mice), this barrier prevents them from falling off the maze; the rat apparatus generally does not require this. The wall may not be needed for laboratory mice that are relatively tame.
Support stand for maze platform top	US Plastics Corp, Lima, OH	42625	The stand supports the maze platform top such that it is elevated above the floor (typically, 70-100 cm) to motivate the rodent to locate the escape cage. The stand can be constructed of any material.
White noise	SleepMate Sound Conditioner, Marpac, Rocky Point, NC	980A	Background noise may be used to block out peripheral acoustic cues that may confound Barnes Maze testing across trials and animals
Light fixtures and 300-500 watt bulbs encased in aluminum shells. For example, Utilitech 500-watt halogen portable work lights.	Ace Hardware or Lowes		Bright lights provide a mildly aversive stimulus which motivate the rodent to locate the escape cage. The lights are generally suspended ~150 cm above the maze top.
Escape cage. For small rodents, this can be a polypropylene cage (27.8 x 7.5 x 13 cm).	Ancare, Bellmore, NY	N40 PP	The rat escape cage here was custom built and has a ramp leading into the escape cage.
Opaque tube (rats only) (27 cm diameter; 23 cm height) with a piece of thick cardboard to cover the top.			The tube is placed in the center of the maze and the rat is placed into the tube from the top which is covered with the cardboard. A handle on the outside of the tube allows easier lifting of the tube, which then begins the trial. The tube can be constructed of any material, but should be opaque.
High resolution video camera (e.g. Panasonic Digital Video Camera)	Panasonic, Secaucus, NJ	ICV19458	The video camera is positioned overhead and records trials for later analysis.
Extra- or intra-maze geometric cues made of high quality cardboard construction paper	Any office supply store, such as Staples.		These visual cues orient the animal within the maze environment, providing cues as to the spatial location of the escape cage; in rats, extra-maze cues on the walls work well, whereas in small rodents that require a wall around the maze, intra-maze cues must be used.
Black curtain to surround the maze (small rodents only)	Any fabric and crafts store, such as Jo-Ann Fabrics		A black curtain is used in small rodents (especially wild species, e.g. Peromyscus) to maintain attention within the maze confines.
70% ethanol	Fisher Scientific	BP2818-4	After each trial, the maze top and escape cage are cleaned to eliminate potential odor cues for consecutively tested rodents.
Tracking software program, such as Ethovision, and computer with appropriate video card and substantial (1 TB or more) hard-drive space. Alternatively, videos can be recorded directly to the computer for later analysis using a program such as Win TV (Hauppauge Computer Works, Inc.).	Noldus (Leesburg, VA)		Tracking software is required to analyze trials for latency to locate the escape cage, velocity, distance traveled, time spent resting, time spent moving, time spent in the correct versus incorrect quadrants, time spent around the escape hole, number of errors or entries into incorrect holes, and overall search strategy employed to find the escape cage.
External hard drives, such as Seagate or WD, with a minimum 1- 2 TB of memory	Any office supply store, such as Staples.		Videorecordings should be backed up in at least one separate location.
Videorecording program, e.g. WinTV program	Hauppauge Computer Works, Inc., Hauppauge, NY		If tracking software is not available at the time of the testing, the trials should be video-recorded for later analysis