JoVE Journal > Behavior
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Behavior

Het gebruik van de Puzzle Box als een manier om te beoordelen van de werkzaamheid van Environmental Enrichment

Published: December 29, 2014
doi:
10.3791/52225
, , ,
1Discipline of Physiology,University of Sydney, 2Bosch Animal Behavioural Facility,University of Sydney

Summary

Environmental enrichment provides a potential protective effect against neurodegenerative disorders. Currently, however, there is no easy way of determining the efficacy of enrichment procedures. This protocol describes a simple “Puzzle Box” method for assessing an animal’s cognitive function, in order to reveal the effectiveness of environmental enrichment.

Abstract

Environmental enrichment can dramatically influence the development and function of neural circuits. Further, enrichment has been shown to successfully delay the onset of symptoms in models of Huntington’s disease 1-4, suggesting environmental factors can evoke a neuroprotective effect against the progressive, cellular level damage observed in neurodegenerative disorders. The ways in which an animal can be environmentally enriched, however, can vary considerably. Further, there is no straightforward manner in which the effects of environmental enrichment can be assessed: most methods require either fairly complicated behavioral paradigms and/or postmortem anatomical/physiological analyses. This protocol describes the use of a simple and inexpensive behavioral assay, the Puzzle Box 5-7 as a robust means of determining the efficacy of increased social, sensory and motor stimulation on mice compared to cohorts raised in standard laboratory conditions. This simple problem solving task takes advantage of a rodent’s innate desire to avoid open enclosures by seeking shelter. Cognitive ability is assessed by adding increasingly complex impediments to the shelter’s entrance. The time a given subject takes to successfully remove the obstructions and enter the shelter serves as the primary metric for task performance. This method could provide a reliable means of rapidly assessing the efficacy of different enrichment protocols on cognitive function, thus paving the way for systematically determining the role specific environmental factors play in delaying the onset of neurodevelopmental and neurodegenerative disease.

Introduction

Omgevingsverrijking (EE) kan worden gedefinieerd als omgeving dat dieren met verhoogde kans op sociale interactie, motorische activiteit en sensorische stimulatie groter dan gebruikelijk ervaren in een standaard laboratorium environment.EE voorzien is aangetoond consequent invloed op het gedrag van dieren, totstandbrenging veranderingen, zoals vermindering van stress en angst-gerelateerde activiteit 8-10, verbeterde prestaties in leer- en geheugentaken 8,11, vroeg begin van de motorische coördinatie en verkennende activiteit 11, veranderingen in de moederlijke zorg 8 evenals de weerstand tegen verslavende stoffen 12- 15. Verder is EE geopenbaard om de effecten van neurodegeneratieve aandoeningen verbeteren, vertragen van het begin en het verminderen van de ernst van de symptomen bij diermodellen van Huntington 1-4,16, Parkinson 17 en ziekte van Alzheimer 18.

Deze veranderingen corverband met de anatomische en moleculaire veranderingen EE bekend induceren gehele hersenen. Dieren die in verrijkte omgevingen, van de vroege stadia van ontwikkeling te laten zien een groot aantal neurale veranderingen, zoals toegenomen gewicht hersenen en corticale dikte, dendritische vertakkingen 9,2-22 en synaptische dichtheid 23. EE zowel de omvang en het tijdstip van groeifactor expressie 9,24-30, waarvan is aangetoond bijdragen aan versnelde ontwikkeling van zintuiglijke 25,26,28,29, geheugensteuntje 30, alsook motorische circuits 31,32 veranderen.

Vorige werk heeft onthuld soms tegenstrijdige bevindingen bij het ​​onderzoek naar de invloed van EE, zonder rekening te houden met de verschillende soorten dieren en omgevingen gebruikt worden binnen de afzonderlijke studies 9,24,27,30. Momenteel is er geen consistente en eenvoudige gedragstaak die kan worden gebruikt om de effectiviteit van verschillende EE paradigma verschillende stammen en spec metenies van de dieren.

De Puzzle Box taak is ontworpen als een eenvoudige test om te bepalen inheemse probleem van een dier oplossend vermogen 7. Dieren geplaatst in de open ruimte zijn verplicht om te verwijderen belemmerende materialen gelegen in een kleine opening om toegang te krijgen tot een overdekte regio / onderdak. Elk vak wordt gegeven drie onderzoeken met dezelfde obstructie om drie verschillende cognitieve eigenschappen te beoordelen. De eerste proef levert een basislijn indicatie van inherente of inheemse probleemoplossend vermogen. De tweede proef, op dezelfde dag, geeft een indicatie van het vermogen van het dier te verbeteren en dus versterken strategieën voor het verwijderen van de specifieke obstructie. De derde proef, uitgevoerd op de volgende dag, inzicht in het vermogen van de patiënt te behouden en herinneren de geleerde oplossing van de taak.

De motivatie voor het oplossen van deze "obstructie puzzels" door de dieren kan worden gevarieerd, potentieeloproepen van een aangeboren verlangen om open velden vermijden en schuilen, evenals een inherent rijden hun omgeving 6,7 verkennen. De talrijke potentiële gedrags onderliggende factoren de wens om de puzzel Box lossen stelt verschillende gebieden van de hersenen zijn betrokken bij de bemiddeling taken. Eerder werk heeft aangetoond dat in muriene modellen van schizofrenie, de prefrontale cortex en de hippocampus betrokken zijn bij het ​​verwerven van deze taak 5. Een laesie bij ratten bleek ook een groot aantal hersengebieden betrokken in Puzzel Box prestaties, waaronder diverse thalamuskernen, de hypothalamus, het cerebellum en limbische structuren. Samen vormen deze bevindingen wijzen erop dat de uitoefening van dit probleem oplossen taak behelst een gastheer van neurale structuren in verband met cognitieve functie.

De puzzel doos is met succes gebruikt om het probleem oplossend vermogen van muizen, alsook cognitieve gebreken vertoont door m beoordelenurine modellen van schizofrenie 5-7. Prestaties op de taak is aangetoond dat het zeer consistent te zijn, correleren met resultaten van andere cognitieve gedragstesten 6. Het doel van dit werk was dus aan de Puzzle Box taak aan te passen aan een eenvoudige en betrouwbare middel van het vaststellen van de effectiviteit van EE geworden.

Protocol

Ethische verklaring: Alle procedures werden goedgekeurd door de Animal Ethics Committee van de Universiteit van Sydney en gelijkvormig aan National Health en Medical Research Council van Australië richtlijnen. Procedures werden uitgevoerd op C57 / BL6J muizen die werden gehouden op de Universiteit van Sydney Bosch Knaagdieren Facility. Alle muizen werden gehuisvest in een voldoende geventileerde kamer bij 21 ° C omgevingstemperatuur op een 12 uur licht-donker cyclus met lichten aan om 0600 uur in individueel geventile…

Representative Results

De hier beschreven resultaten zijn een representatieve steekproef, met gegevens uit verschillende cohorten bestaande uit verschillende nesten. Alle gedragstesten werd uitgevoerd tussen 0700 en 1100 uur, met gerandomiseerde testen orde van dieren binnen een cohort. Dieren die in een verrijkte omgeving (n = 14, 7 vrouwen en 7 mannen) nam aanzienlijk minder tijd om de obstructie taken binnen de Puzzle Box dan die welke binnen een standaard omgeving te lossen (n = 15, 7 vrouwen en 8 mannen) (zie Figuur 3) (…

Discussion

De gepresenteerde gegevens tonen aan dat de puzzel box effectief kan worden gebruikt om het effect van EE beoordelen. Muizen getogen in verrijkte omgevingen consequent nam aanzienlijk minder tijd om obstructie puzzels op te lossen binnen dit gedrags test dan dieren die binnen de standaard laboratorium omstandigheden deed. Bovendien, dit verschil was het meest prominent in de eerste proef voor drie van de vier geteste omstandigheden, suggereert EE heeft een grotere invloed op natieve probleemoplossend vermogen van het di…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

The authors have no acknowledgements.

Materials

Black Acrylic Board 750 x 280 mm
White Acrylic Board 280 x 250 mm
White Acrylic Board 280 x 250 mm
White Acrylic Board 750 x 250 mm
White Acrylic Board 750 x 250 mm
White Acrylic Board 150 x 280 mm
White Acrylic Board 280 x 250 mm with a 40 x 40 mm "door" cut into one side
Underpass 3 pieces of 40 x 120 mm plexiglass or acrylic
Note: If unable to access acrylic board, plexiglass or similar non-porous material will suffice.
Webcam Logitech C210 Fix to roof with electrical tape. Alternatively, use a tripod.
VirtualDub v1.10.4 VirtualDub N/A  Software for recording behaviour videos. Input from webcam.
TopScan v 3.0 CleverSys Inc. N/A  Software for automated top-view tracking and analysis of mouse behaviour. Captured videos are analysed post-hoc.
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Hockly, E., et al. Environmental enrichment slows disease progression in R6/2 Huntington’s disease mice. Ann Neurol. 51, 235-242 (2002).
  2. Spires, T. L., et al. Environmental enrichment rescues protein deficits in a mouse model of Huntington’s disease, indicating a possible disease mechanism. J Neurosci. 24, 2270-2276 (2004).
  3. van Dellen, A., Blakemore, C., Deacon, R., York, D., Hannan, A. J. Delaying the onset of Huntington’s in mice. Nature. 404, 721-722 (2000).
  4. van Dellen, A., Cordery, P. M., Spires, T. L., Blakemore, C., Hannan, A. J. Wheel running from a juvenile age delays onset of specific motor deficits but does not alter protein aggregate density in a mouse model of Huntington’s disease. BMC neuroscience. 9, 34 (2008).
  5. Ben Abdallah, N. M., et al. The puzzle box as a simple and efficient behavioral test for exploring impairments of general cognition and executive functions in mouse models of schizophrenia. Exp Neurol. 227, 42-52 (2011).
  6. Galsworthy, M. J., et al. Assessing reliability, heritability and general cognitive ability in a battery of cognitive tasks for laboratory mice. Behav Genet. 35, 675-692 (2005).
  7. Galsworthy, M. J., Paya-Cano, J. L., Monleon, S., Plomin, R. Evidence for general cognitive ability (g) in heterogeneous stock mice and an analysis of potential confounds. Genes Brain Behav. 1, 88-95 (2002).
  8. Sparling, J. E., Mahoney, M., Baker, S., Bielajew, C. The effects of gestational and postpartum environmental enrichment on the mother rat: A preliminary investigation. Behav Brain Res. 208, 213-223 (2010).
  9. Turner, C. A., Lewis, M. H. Environmental enrichment: effects on stereotyped behavior and neurotrophin levels. Physiol Behav. 80, 259-266 (2003).
  10. Turner, C. A., Lewis, M. H., King, M. A. Environmental enrichment: effects on stereotyped behavior and dendritic morphology. Dev Psychobiol. 43, 20-27 (2003).
  11. Turner, C. A., Yang, M. C., Lewis, M. H. Environmental enrichment: effects on stereotyped behavior and regional neuronal metabolic activity. Brain Res. 938, 15-21 (2002).
  12. Simonetti, T., Lee, H., Bourke, M., Leamey, C. A., Sawatari, A. Enrichment from birth accelerates the functional and cellular development of a motor control area in the mouse. PLoS One. 4, e6780 (2009).
  13. El Rawas, R., Thiriet, N., Lardeux, V., Jaber, M., Solinas, M. Environmental enrichment decreases the rewarding but not the activating effects of heroin. Psychopharmacology (Berl). 203, 561-570 (2009).
  14. Solinas, M., Chauvet, C., Thiriet, N., El Rawas, R., Jaber, M. Reversal of cocaine addiction by environmental enrichment). Proc Natl Acad Sci U S A. 105, 17145-17150 (2008).
  15. Solinas, M., Thiriet, N., Chauvet, C., Jaber, M. Prevention and treatment of drug addiction by environmental enrichment. Progress in neurobiology. 92, 572-592 (2010).
  16. Solinas, M., Thiriet, N., El Rawas, R., Lardeux, V., Jaber, M. Environmental enrichment during early stages of life reduces the behavioral, neurochemical, and molecular effects of cocaine. Neuropsychopharmacology. 34, 1102-1111 (2009).
  17. Kondo, M., et al. Environmental enrichment ameliorates a motor coordination deficit in a mouse model of Rett syndrome–Mecp2 gene dosage effects and BDNF expression. Eur J Neurosci. 27, 3342-3350 (2008).
  18. Faherty, C. J., Raviie Shepherd, K., Herasimtschuk, A., Smeyne, R. J. Environmental enrichment in adulthood eliminates neuronal death in experimental Parkinsonism. Brain Res Mol Brain Res. 134, 170-179 (2005).
  19. Gortz, N., et al. Effects of environmental enrichment on exploration, anxiety, and memory in female TgCRND8 Alzheimer mice. Behav Brain Res. 191, 43-48 (2008).
  20. Bennett, E. L., Diamond, M. C., Krech, D., Rosenzweig, M. R. Chemical and Anatomical Plasticity Brain. Science. 146, 610-619 (1964).
  21. Krech, D., Rosenzweig, M. R., Bennett, E. L. Effects of environmental complexity and training on brain chemistry. J Comp Physiol Psychol. 53, 509-519 (1960).
  22. Rosenzweig, M. R., Krech, D., Bennett, E. L., Diamond, M. C. Effects of environmental complexity and training on brain chemistry and anatomy: a replication and extension. J Comp Physiol Psychol. 55, 429-437 (1962).
  23. Faherty, C. J., Kerley, D., Smeyne, R. J. A Golgi-Cox morphological analysis of neuronal changes induced by environmental enrichment. Brain Res Dev Brain Res. 141, 55-61 (2003).
  24. Globus, A., Rosenzweig, M. R., Bennett, E. L., Diamond, M. C. Effects of differential experience on dendritic spine counts in rat cerebral cortex. J Comp Physiol Psychol. 82, 175-181 (1973).
  25. Greenough, W. T., Volkmar, F. R. Pattern of dendritic branching in occipital cortex of rats reared in complex environments. Exp Neurol. 40, 491-504 (1973).
  26. Li, S., Tian, X., Hartley, D. M., Feig, L. A. The environment versus genetics in controlling the contribution of MAP kinases to synaptic plasticity. Current biology : CB. 16, 2303-2313 (2006).
  27. Angelucci, F., et al. Increased concentrations of nerve growth factor and brain-derived neurotrophic factor in the rat cerebellum after exposure to environmental enrichment. Cerebellum. 8, 499-506 (2009).
  28. Cancedda, L., et al. Acceleration of visual system development by environmental enrichment. J Neurosci. 24, 4840-4848 (2004).
  29. Guzzetta, A., et al. Massage accelerates brain development and the maturation of visual function. J Neurosci. 29, 6042-6051 (2009).
  30. Ickes, B. R., et al. Long-term environmental enrichment leads to regional increases in neurotrophin levels in rat brain. Exp Neurol. 164, 45-52 (2000).
  31. Landi, S., Ciucci, F., Maffei, L., Berardi, N., Cenni, M. C. Setting the pace for retinal development: environmental enrichment acts through insulin-like growth factor 1 and brain-derived neurotrophic factor. J Neurosci. 29, 10809-10819 (2009).
  32. Landi, S., et al. Retinal functional development is sensitive to environmental enrichment: a role for BDNF. FASEB J. 21, 130-139 (2007).
  33. Pham, T. M., et al. Changes in brain nerve growth factor levels and nerve growth factor receptors in rats exposed to environmental enrichment for one year. Neuroscience. 94, 279-286 (1999).
  34. Pham, T. M., Soderstrom, S., Winblad, B., Mohammed, A. H. Effects of environmental enrichment on cognitive function and hippocampal NGF in the non-handled rats. Behav Brain Res. 103, 63-70 (1999).
  35. Sale, A., Berardi, N., Maffei, L. Enrich the environment to empower the brain. Trends Neurosci. 32, 233-239 (2009).
  36. Sale, A., et al. Maternal enrichment during pregnancy accelerates retinal development of the fetus. PLoS One. 2, e1160 (2007).
  37. Wolansky, M. J., Cabrera, R. J., Ibarra, G. R., Mongiat, L., Azcurra, J. M. Exogenous NGF alters a critical motor period in rat striatum. Neuroreport. 10, 2705-2709 (1999).
  38. Wolansky, M. J., Paratcha, G. C., Ibarra, G. R., Azcurra, J. M. Nerve growth factor preserves a critical motor period in rat striatum. J Neurobiol. 38, 129-136 (1999).
  39. Thompson, R., Huestis, P. W., Crinella, F. M., Yu, J. Brain mechanisms underlying motor skill learning in the rat. Am. J. Phys. Med. Rehabil. 69 (4), 191-197 (1990).
  40. Lipina, T. V., Palomo, V., Gil, C., Martinez, A., Roder, J. C. Dual inhibitor of PDE7 and GSK-3-VP1.15 acts as antipsychotic and cognitive enhancer in C57BL/6J mice. Neuropharmacology. 64, 205-214 (2013).
  41. Carlier, P., Jamon, M. Observational learning in C57BL/6j mice. Behav Brain Res. 174, 125-131 (2006).
  42. Cole, B. J., Jones, G. H. Double dissociation between the effects of muscarinic antagonists and benzodiazepine receptor agonists on the acquisition and retention of passive avoidance. Psychopharmacology (Berl). 118, 37-41 (1995).
  43. Woodside, B. L., Borroni, A. M., Hammonds, M. D., Teyler, T. J. NMDA receptors and voltage-dependent calcium channels mediate different aspects of acquisition and retention of a spatial memory task). Neurobiol Learn Mem. 81, 105-114 (2004).
  44. Ben Abdallah, N. M., M, N., et al. Impaired long-term memory retention: common denominator for acutely or genetically reduced hippocampal neurogenesis in adult mice. Behav Brain Res. 252, 275-286 (2013).
  45. Viola, G. G., et al. Influence of environmental enrichment on an object recognition task in CF1 mice. Physiol Behav. 99, 17-21 (2010).
  46. Schrijver, N. C., Bahr, N. I., Weiss, I. C., Wurbel, H. Dissociable effects of isolation rearing and environmental enrichment on exploration, spatial learning and HPA activity in adult rats. Pharmacol Biochem Behav. 73, 209-224 (2002).
  47. Kempermann, G., Gast, D., Gage, F. H. Neuroplasticity in old age: sustained fivefold induction of hippocampal neurogenesis by long-term environmental enrichment. Ann Neurol. 52, 135-143 (2002).
  48. Hattori, S., et al. Enriched environments influence depression-related behavior in adult mice and the survival of newborn cells in their hippocampi. Behav Brain Res. 180, 69-76 (2007).
  49. Barbelivien, A., et al. Environmental enrichment increases responding to contextual cues but decreases overall conditioned fear in the rat. Behav Brain Res. 169, 231-238 (2006).
  50. Sousa, N., Almeida, O. F., Wotjak, C. T. A hitchhiker’s guide to behavioral analysis in laboratory rodents. Genes Brain Behav. 5 Suppl 2, 5-24 (2006).
  51. Clelland, C. D., et al. A functional role for adult hippocampal neurogenesis in spatial pattern separation. Science. 325, 210-213 (2009).
  52. Jentsch, J. D., et al. Dysbindin modulates prefrontal cortical glutamatergic circuits and working memory function in mice. Neuropsychopharmacology. 34, 2601-2608 (2009).
  53. Zhao, J., et al. Retinoic acid isomers facilitate apolipoprotein E production and lipidation in astrocytes through the RXR/RAR pathway. J Biol Chem. , (2014).
  54. Perez, H. J., et al. Neuroprotective effect of silymarin in a MPTP mouse model of Parkinson’s disease. Toxicology. 319C, 38-43 (2014).

Tags

Environmental EnrichmentPuzzle BoxBehavioral AssayNeurodegenerative DiseaseCognitive FunctionProblem SolvingShelter-seeking BehaviorRodent
check_url/52225?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
O’Connor, A. M., Burton, T. J., Leamey, C. A., Sawatari, A. The Use of the Puzzle Box as a Means of Assessing the Efficacy of Environmental Enrichment. J. Vis. Exp. (94), e52225, doi:10.3791/52225 (2014).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image