概要

استخدام صندوق لغز كوسيلة لتقييم فعالية إثراء البيئة

Published: December 29, 2014
doi:

概要

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

تخصيب البيئي (EE) يمكن تعريفها بأنها المناطق المحيطة بها التي تقدم الحيوانات مع زيادة فرصة للتفاعل الاجتماعي، النشاط الحركي، وزيادة التحفيز الحسي من عادة من ذوي الخبرة في environment.EE المختبر القياسية وقد تبين أن تؤثر على الدوام سلوك الحيوانات، وبذلك حول التغييرات مثل الحد من الإجهاد والنشاط المتعلقة القلق 8-10، وتحسين الأداء في مهام التعلم والذاكرة 8،11، وقت مبكر من بداية التنسيق الحركي والنشاط الاستكشافي 11، والتغيرات في رعاية الأمومة 8 وكذلك مقاومة المواد المسببة للإدمان 12- 15. وعلاوة على ذلك، تم كشف EE للتخفيف من آثار الاضطرابات العصبية، وتأخير ظهور وخفض شدة الأعراض في النماذج الحيوانية من هنتنغتون 1-4،16 والشلل الرعاش ومرض 17 18 مرض الزهايمر.

هذه التغييرات مجلس النوابتتصل مع التعديلات التشريحية والجزيئية هو معروف EE للحث جميع أنحاء الدماغ. الحيوانات التي تربى في بيئات غنية من المراحل الأولى من التنمية وتبين عدد لا يحصى من التغيرات العصبية، بما في ذلك زيادة الوزن الدماغ وسمك القشرية، شجيري المتفرعة 9،2-22 وكثافة متشابك 23. EE يمكن أن يغير كلا من مستوى وتوقيت عامل النمو التعبير 9،24-30، وهو ما ثبت للمساهمة في تسريع تطوير الحسية 25،26،28،29، 30 ذاكري، وكذلك الدوائر المحرك 31،32.

وقد كشف العمل السابق في النتائج الأوقات متناقضة عند التحقيق في تأثير EE، دون الأخذ بعين الاعتبار أنواع مختلفة من الحيوانات والبيئات المستخدمة في الدراسات الفردية 9،24،27،30. حاليا، ليس هناك مهمة متسقة وبسيطة السلوكية التي يمكن استخدامها لقياس فعالية مختلف نماذج EE في سلالات مختلفة والمواصفاتالمنشأ من الحيوانات.

وقد تم تصميم هذه المهمة صندوق لغز بمثابة اختبار بسيط لتحديد المشكلة الأم الحيوان وحل القدرة 7. مطلوبة الحيوانات وضعها في منطقة مفتوحة لإزالة المواد التي تقع داخل فتحة صغيرة من أجل الوصول إلى غطت المنطقة / المأوى عرقلة. يعطى كل موضوع ثلاث تجارب مع نفس العرقلة من أجل تقييم ثلاث سمات المعرفية المختلفة. المحاكمة الأولى غلة مؤشر أساسي من حل مشكلة القدرة الكامنة أو الأم. المحاكمة الثانية، تشغيل في نفس اليوم، ويعطي بعض المؤشرات على قدرة الحيوان إلى تحسين وبالتالي تعزيز استراتيجيات لإزالة انسداد محددة. المحاكمة الثالثة، التي أجريت في اليوم التالي، توفر نظرة ثاقبة على قدرة هذا الموضوع إلى الاحتفاظ بها وأذكر الحل علمت لهذه المهمة.

الدافع من أجل حل هذه "الألغاز عرقلة" من قبل الحيوانات يمكن أن تختلف، ويحتملويجسد الرغبة الفطرية لتجنب الحقول المفتوحة والبحث عن ملجأ، فضلا عن محرك الأصيل في استكشاف المناطق المحيطة بها 6،7. والعديد من السائقين السلوكية المحتملة الكامنة وراء الرغبة في حل لغز صندوق يوحي بأن تشارك مناطق مختلفة من الدماغ في التوسط أداء المهمة. وقد أظهرت الأعمال السابقة أن في نماذج الفئران من مرض انفصام الشخصية، وتشارك في قشرة الفص الجبهي وكذلك الحصين في الحصول على هذه المهمة 5. وقد كشفت دراسة آفة في الفئران أيضا عدد كبير من مناطق الدماغ تشارك في أداء صندوق لغز، بما في ذلك مختلف النوى المهادية، ما تحت المهاد، والمخيخ، والهياكل الحوفي. معا، وهذه النتائج تشير إلى أن الانخراط في حل هذه المشكلة المهمة ينطوي على مجموعة من الهياكل العصبية المرتبطة الوظيفة الإدراكية.

وقد استخدم في الإطار لغز بنجاح لتقييم قدرة الفئران حل المشكلة، وكذلك العجز المعرفي التي أظهرتها منماذج البول الفصام 5-7. وقد تبين الأداء على المهمة أن تكون متسقة للغاية، وترتبط بشكل جيد مع نتائج الاختبارات السلوكية المعرفية الأخرى 6. وكان الهدف من هذا العمل وبالتالي على التكيف مع مهمة صندوق لغز لتصبح وسيلة بسيطة وموثوق بها لتحديد فعالية EE.

Protocol

بيان الأخلاق: تمت الموافقة على جميع الإجراءات من قبل لجنة الأخلاقيات الحيوان من جامعة سيدني ويتفق مع مجلس البحوث الطبية في أستراليا المبادئ التوجيهية الوطنية للصحة و. تم تنفيذ الإجراءات على الفئران C57 / BL6J التي كانت تربى في جامعة سيدني بوش القوارض مرفق. وتم إيواء جميع…

Representative Results

النتائج الموصوفة هنا هي عينة تمثيلية، مع بيانات مأخوذة من عدة أفواج تتكون من الفضلات المختلفة. وقد أجريت جميع التجارب السلوكية بين 0700 و 1100 ساعة، مع العشوائية أجل اختبار الحيوانات ضمن فوج. الحيوانات التي تربى في بيئة غنية (ن = 14، 7 من الإناث و 7 ذكور) استغرقت وقتا أقل بكث?…

Discussion

وتظهر البيانات المقدمة أن الإطار لغز يمكن استخدامها بشكل فعال لتقييم أثر EE. الفئران التي أثيرت في بيئات غنية استغرق باستمرار وقتا أقل بشكل ملحوظ في حل الألغاز عرقلة داخل هذا الاختبار السلوكي مما فعل الحيوانات التي تربى في ظروف المختبر القياسية. وعلاوة على ذلك، كان ه?…

開示

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.

参考文献

  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. 神経科学. 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).

Play Video

記事を引用
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).

View Video