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行動学

L'uso del Puzzle Box come un mezzo per valutare l'efficacia di arricchimento ambientale

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

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

L'arricchimento ambientale (EE) può essere definita come un ambiente che forniscono gli animali con maggiori opportunità di interazione sociale, attività motoria, e una maggiore stimolazione sensoriale del solito vissuto in un environment.EE standard di laboratorio ha dimostrato di influire in modo coerente il comportamento degli animali, determinando modifiche come la riduzione dello stress e l'ansia di attività legate 8-10, il miglioramento delle prestazioni in compiti di apprendimento e memoria 8,11, insorgenza precoce di coordinazione motoria e l'attività esplorativa 11, cambiamenti di cure materne 8 nonché resistenza alle sostanze stupefacenti 12- 15. Inoltre, EE è stato rivelato per migliorare gli effetti delle malattie neurodegenerative, ritardando l'insorgenza e diminuire la gravità dei sintomi in modelli animali di Huntington di 1-4,16, Parkinson 17 e malattia di Alzheimer 18.

Questi cambiamenti COrrelazione con le alterazioni anatomiche e molecolari EE è noto per indurre in tutto il cervello. Animali allevati in ambienti arricchiti dalle prime fasi di sviluppo mostrano una miriade di cambiamenti neurali, tra cui un aumento di peso del cervello e lo spessore corticale, dendritica ramificazione 9,2-22 e la densità sinaptica 23. EE può alterare sia il livello e la tempistica di espressione del fattore di crescita 9,24-30, che ha dimostrato di contribuire allo sviluppo accelerato sensoriale 25,26,28,29, mnemonico 30, nonché circuiti motori 31,32.

Il lavoro precedente ha rivelato a risultati contraddittori momenti in cui si esamini l'impatto di EE, senza tener conto dei diversi tipi di animali e ambienti utilizzati all'interno dei singoli studi 9,24,27,30. Attualmente, non esiste compito comportamentale coerente e semplice che può essere utilizzato per misurare l'efficacia di diversi paradigmi EE in ceppi diversi e specIES di animali.

Il compito Puzzle Box è stato concepito come un semplice test per determinare problema nativa di un animale solving 7. Gli animali posti in zona aperta sono tenuti a rimuovere ostacolare materiali situati all'interno di una piccola apertura per poter accedere a una coperta regione / rifugio. Ciascun soggetto è dato tre prove con lo stesso ostruzione per valutare tre diversi attributi cognitive. La prima prova si ottiene un indicazione di base di capacità di problem solving intrinseca o nativa. La seconda prova, eseguire lo stesso giorno, dà qualche indicazione della capacità dell'animale di migliorare e rafforzare le strategie per rimuovere l'ostruzione specifica in tal modo. La terza prova, condotta il giorno seguente, permette di comprendere meglio la capacità del soggetto di trattenere e richiamare la soluzione imparato al compito.

La motivazione per risolvere questi "enigmi ostruzione" di animali può essere variata, potenzialmenteevocando un innato desiderio di evitare campi aperti e cercare riparo, così come un'unità intrinseca di esplorare l'ambiente circostante 6,7. La moltitudine di potenziali conducenti comportamentali alla base del desiderio di risolvere il puzzle Box suggerisce che diverse aree del cervello sono coinvolte nella mediazione prestazioni compito. Il lavoro precedente ha mostrato che in modelli murini di schizofrenia, corteccia prefrontale e l'ippocampo sono coinvolti nell'acquisizione di questo compito 5. Uno studio della lesione nei ratti ha rivelato anche un gran numero di regioni cerebrali coinvolte nella prestazione Puzzle Box, tra cui vari nuclei del talamo, l'ipotalamo, il cervelletto, e le strutture limbiche. Insieme, questi risultati indicano che impegnarsi in questo problem solving compito comporta una serie di strutture neurali associate alla funzione cognitiva.

Il Puzzle Box è stato utilizzato con successo per valutare la capacità di problem solving di topi, così come deficit cognitivi esposto da mmodelli di urina di schizofrenia 5-7. Prestazioni del compito ha dimostrato di essere altamente coerente, e correlare bene con risultati di altri test cognitivi comportamentali 6. L'obiettivo di questo lavoro è stato quindi di adattare il compito Puzzle Box per diventare un mezzo semplice ed affidabile per determinare l'efficacia di EE.

Protocol

Dichiarazione etica: Tutte le procedure sono state approvate dal comitato della University of Sydney Etica Animale ed adeguato alle Sanitario Nazionale e medicina Research Council di linee guida in Australia. Le procedure sono state effettuate su topi C57 / BL6J che sono stati allevati presso l'Università di Sydney Bosch roditore strumento. Tutti i topi sono stati alloggiati in un unico locale sufficientemente ventilato in 21 ° C di temperatura ambiente in un ciclo luce-buio 12 ore con le luci alle 0600 ore in gab…

Representative Results

I risultati qui descritti sono un campione rappresentativo, con i dati provenienti dalle diverse coorti composte da diverse cucciolate. Tutti i test comportamentali è stato condotto tra il 0700 e 1100 ore, con ordine sperimentazione casuale di animali all'interno di una coorte. Animali sollevate in un ambiente arricchito (n = 14, 7 femmine e 7 maschi) hanno significativamente meno tempo per risolvere i compiti ostruzione all'interno della scatola Puzzle di quelle sollevate in un ambiente standard (n = 15, 7 fem…

Discussion

I dati presentati dimostrano che il Puzzle Box può essere utilizzato in modo efficace per valutare l'impatto di EE. Topi allevati in ambienti arricchiti sempre preso molto meno tempo per risolvere i puzzle di ostruzione all'interno di questa analisi comportamentale che ha animali allevati all'interno di condizioni standard di laboratorio. Inoltre, questa differenza era più importante nella prima prova per tre delle quattro condizioni testate, suggerendo EE ha una maggiore influenza sulla native capacità d…

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.
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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).

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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).
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