Sinir Devresi Temelini Bellek Oluşumunda Diseksiyon için Yenidoğan Sıçanlarda bir Lateralize Koku Öğrenme Modeli
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 başarıyla gezinmek veya kendi ortamında hayatta kalmak için mümkün olmaz onsuz kemirgenlerde primer duyu yöntemidir. Bu 1 beslemek için annelerini bulmak için koku alma duyusunu kullanmak için, ilk doğum sonrası hafta boyunca görmeniz ne duymak ne yenidoğan yavrular, için özellikle önemlidir. Sonuç olarak, yenidoğan sıçan yavrular basit deneysel manipülasyonlar ile kokuları tercih klimalı edilebilir. Uyaranların çeşitli iç içe geçme çevre 2,3, süt emzirme 4-6, okşayarak ve dokunma uyarısına 7 de dahil olmak üzere yeni yenidoğanlarda kokulara koşullandırılmış tepkileri (Koşullu uyarı, TH), indükleme koşulsuz uyarıcı (UCS) olarak kullanılmaktadır 12, kuyruk tutam 13, anne tükürük 13, hafif bir ayak şok 14-18, ve intrakranial beyin stimülasyonu 19. Bu çalışmada köklü bir erken koku tercihi paradigma istihdam edildiği bu durumda nane bir koku, bennane, 24 saat sonra 10,11,20 için bir tercih üretilmesi amacıyla dokunma uyarısına birlikte s. Bu kokular hafızası esas olarak koku ampuller (OB) 21-23 ve ön piriform korteks (APC), 24,25 de dahil olmak üzere, sağlam koku devresi bağlıdır.
Erken koku tercihi öğrenme Deneysel araştırmalar derinleşti ve bir memeli hafıza moleküler ve fizyolojik temellerinin anlayışımızı genişlettik. Bu memeli model, bellek mekanizmaları okuyan birçok avantajı vardır. İlk olarak, UCS sinyalinin nöral kaynakları tespit edilmiştir. Yukarıda belirtildiği gibi, çeşitli uyarıcılar sırayla 22,27,28 öğrenmeyi desteklemek hücresel ve fizyolojik etkilere neden OB ve aPC'ye birden adrenoreseptörler aktive odağı coeruleus norepinefrin salınımını 26 uyarırlar. İkincisi, bellek destek mekanizmaları iyi tanımlanmış laminer sinir yapıları yer almaktadır.yenidoğan sıçanlarda koku devrenin basitlik sinaptik plastisite ile ilgili karmaşık süreçleri ortaya çıkarmak için birlikte ideal bir çerçeve ile araştırmacılar sağlar. Diğer yapılar 29 arasında OB ve ipsilateral lateral koku yolu (LOT) ile piriform korteks (PC) dönüş projesi çerçevesinde bu mitral / sorguçlu hücrelerin mitral / tüylü hücreler üzerine koku epiteli projede koku alma duyu nöronları (OSN). OSN OB 30,31 sinapsların ve LOT aPC'ye içinde 24,25 sinapsların sinaptik öğrenme destekleyen değişiklikler ve bellek için kritik loci olarak tespit edilmiştir. Üçüncü olarak, sıçanlarda erken yaşta, koku girişler kolayca lateralize edilebilir. Her aPC'ye bu kez beyaz cevher tam post-natal gün 12 (PD12) 32'de oluşturulan ön komissura'da aracılığıyla ikili koku bilgilere erişimi vardır. PD 12 önce, koku girişli tek tıkanıklığı naris 24,25,31,33,34 <aracılığıyla OB ve aPC'nin ipisilateral izole edilebilir/ Sup>. Tek naris tıkanıklığı açık naris gelen koku hafıza oluşumuna olanak ve 12 33 pd önce tıkalı naris aynı bellek önler. Koku hafızası hem OB ve aPC'ye dahil ipsilateral hemisferde izole edilir. Bu nedenle, her sıçan yavru öğrenme ve fizyolojisini destekleyen için kendi kontrol edilebilir.
Bu çalışmada, lateralize ilk koku tercih öğrenme protokol verilmektedir. Bu yöntem, böylece gerekli hayvan sayısını ve genel varyasyonu de azaltarak, intra-hayvan kontrolü 24,25,31 sağlayarak koku öğrenmenin temelini nöral mekanizmaları çalışmak için güçlü bir araç olarak hizmet vermektedir. Tıkanıklığı naris gres ya da burun tıkacın uygulanan ve en az stres veya hayvana zarar çıkarılabilir olması ile tersine çevrilebilir. Burada öncelikle, erken koku tercihi eğitim ve test prosedürleri ayrıntılı bir nos tek naris tıkanıklığı kullanarak lateralizan protokolü odaklanarak, tarif edilmektedire fiş. Sonra sonuçlar koku girişini izole ve lateralizan koku belleği üreten tek tıkanıklığı naris etkinliğini göstermek için sunulmaktadır. Son olarak, hem öğrenim hem de destek bellek ifade oluşturmak koku sistemi fizyolojik değişiklikleri incelemek için bu lateralizan öğrenme modelini kullanarak potansiyelleri tartışılmıştır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kritik bir zaman penceresi içinde sıçan yavrularında lateralizan koku, öğrenme ve bellek modeli ilk Hall ve arkadaşları tarafından kurulmuştur. Çalışmaların 33,34,36 bir dizi, onlar bir koku tercih bellek sıçan yavrularının PH 6 az bir naris için koku + süt eşleşmeleri tarafından lateralize olabileceğini gösterdi. Tercih bellek aynı naris eğitim ve test sırasında açık olduğunda sağlam, ancak tıkalı naris bloke edilmemiş ve kontrol edilmiş olduğu zaman gözlemlenmemiştir….
Disclosures
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 |
References
- 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).
