Summary

Double-H labyrint: en robust Behavioral test för Lärande och minne hos gnagare

Published: July 08, 2015
doi:

Summary

The goal of this protocol is to investigate spatial cognition in rodents. The double-H water maze is a novel test, which is particularly useful to elucidate the different components of learning, consolidation and memory, as well as the interplay of memory systems.

Abstract

Rumslig kognition forskning hos gnagare använder typiskt användningen av labyrintuppgifter, vars attribut varierar från en labyrint till nästa. Dessa uppgifter varierar beroende på deras beteende flexibilitet och önskad minnes varaktighet, antalet mål och vägar, och även den övergripande uppgiften komplexitet. En confounding inslag i många av dessa uppgifter är bristen på kontroll över den strategi som används av gnagare för att nå målet, t.ex. allocentric (deklarativa liknande) eller egocentriska (processuella) baserade strategier. Den dubbel H labyrint är en ny vatten flykt minne uppgift som behandlar denna fråga, genom att låta försöksledaren att styra vilken typ av strategi lärt sig under utbildningstiden. Den dubbla-H-labyrint är en transparent anordning, som består av ett centralt gränden med tre armar som skjuter ut på båda sidor, tillsammans med en flyktplattform nedsänkt i änden på en av dessa armar.

Råttor kan tränas med hjälp av en allocentric strategi genom att växla stkonst ställning i labyrinten på ett oförutsägbart sätt (se protokoll 1, §4.7), vilket kräver dem att lära sig placeringen av plattform som bygger på de tillgängliga allothetic ledtrådar. Alternativt kan en egocentrisk lärande strategi (protokoll 2, §4.8) kan användas genom att släppa råttorna från samma position under varje försök, tills de lär sig den processuella mönster krävs för att nå målet. Denna uppgift har visat att möjliggöra bildandet av stabila minnesspår.

Minnet kan sonderas efter utbildningsperioden på ett vilseledande sond rättegång, där utgångsläget för råttor suppleanter. Efter en egocentrisk lärande paradigm, råttor gripa typiskt en allocentric baserad strategi, men bara när deras första uppfattning om extra labyrint signaler skiljer sig markant från sin ursprungliga plats. Denna uppgift är idealiskt för att utforska effekterna av droger / störningar på allocentric / egocentrisk minnesprestanda, liksom samspelet mellan these två minnessystem.

Introduction

Hos djur lärande medieras huvudsakligen av hippocampal- och striatala baserade minnessystem 1,2, som spelar centrala roller när det gäller plats-och procedur-minne, respektive. Förhållandet mellan dessa två system är komplexa, och de är kända för att interagera med varandra i kooperativ eller konkurrerande sätt 1,3. Dessutom har studier visat att påverkan av endera av dessa minnessystem på djurens beteende kan öka till följd av avsaknad av eller skada på det andra systemet 4-7. Båda dessa system är anslutna till prefrontala cortex via thalamus.

Många neurologiska störningar och neurodegenerativa sjukdomar kan påverka rumslig kognition hos människor, som förlitar sig på samspelet mellan formella och deklarativa minnessystem. Exempel innefattar Parkinsons sjukdom (PS), Huntingtons sjukdom (HD) 8-10, Alzheimers sjukdom (AD) 11-14, samtamyotrofisk lateralskleros (ALS) 15. Djurmodeller, som är relevanta för dessa sjukdomar kan framkallas genom olika läkemedelsbehandlingar som blockerar vissa receptorer 16, samt genom riktade skador. När sådana djur används med rumsliga minnesuppgifter, kan en värdefull insikt vinnas i de underliggande mekanismerna i samband med dessa sjukdomar, samt olika behandlingsalternativ.

Det finns många olika typer av rumsliga minnesuppgifter hos gnagare, som tillsammans är utformade för att utvärdera specifika aspekter av inlärning och minne, samt effekterna av potentiella behandlingar för olika sjukdomar 17,18. Dessa uppgifter kan kännetecknas av antalet mål och vägar, graden av beteende flexibilitet för att lösa uppgiften, minnes varaktighet eller försening, liksom valet av strategi som används för att lösa uppgiften. Ett bra resultat kan förvärvas på grundval av externa signaler eller landmärken som används för att orienteradjuret mot målet (en allocentric eller plats strategi). Alternativt kan en gnagare utveckla en strategi som bygger på kroppsliga riktning och ledtrådar med avseende på riktningen för att flytta in (en egocentrisk eller formella strategi), t.ex. om en råtta vet att målet är en vänstersväng, följt av en högersväng , då finns det lite behov av en allocentric eller plats strategi. Maze uppgifter ofta variera beroende på graden av flexibilitet som erbjuds till gnagare lösa dem. Till exempel i Morris Water Maze, en torr version av den senare (t.ex. 19) eller Barnes labyrint (t.ex. 20), finns det potentiellt oändliga vägar råttan kan vidta för att nå målet. I Morris Water Maze, till exempel placeringen av målet kan läras baserat på externa landmärken eller ledtrådar (allocentric strategi), eller genom att helt enkelt simma i cirklar mot mitten tills plattformen hittas (egocentrisk strategi) 21. Vissa uppgifter har flera måloch en hög grad av flexibilitet, såsom kon-fältövning 22 eller Olton radiella labyrint 23. I andra änden av skalan finns uppgifter, som erbjuder begränsad flexibilitet för att nå målet, t.ex. Stone labyrint, eller alternerande version av T-labyrinten. Dessa uppgifter ger endast en rätt sätt att nå målet och underlätta framväxten av kognitiva rutiner som främst styrs av striatum baserade procedurminnessystem.

Den dubbel H labyrint är en ny rumslig minne testa apparat, som designades för att låta försöksledaren att styra vilken typ av strategi som lärt av gnagare för att lösa uppgiften 24. Bestående av tre parallella run armar som skärs av en vinkelrät central korridor och är den dubbla-H-labyrinten en vatten flykt uppgift där gnagare lär sig att nå en flyktplattform som är nedsänkt i ett av labyrinten platser. Under utbildningen kan en procedur strategi tas fram genom att upprätthålla than samma start och mål platser i hela. Alternativt kan en allocentric strategi tas fram genom att växla startplatsen i en slumpmässig ordning, vilket kräver råttan att lära placeringen av dolda plattform som bygger på miljö signaler som den har att göra i en vattenlabyrint. Detta övervinner ett hinder finns i många olika labyrint uppgifter, i vilken laboratoriet har annars lite kontroll över den typ av strategi som gnagare utnyttja. Detta är viktigt med tanke på att effekterna av vissa kognitionsförstärkande läkemedelskandidater är beroende av hippocampus baserade plats-minnessystem, vilket således uppkomsten av kognitiva rutiner eller procedurer kan förväxla tolkningen av beteendeobservationer när djur, exempelvis övergång från allocentric till procedurminnet under utbildning. På liknande sätt kan det vara önskvärt att utvärdera effekterna av läkemedel och behandlingar på procedurminnet, utan påverkan av allocentric platsbaserade minne. Slutligen denna anordningkan användas för att studera kooperativ eller konkurrerande interaktioner mellan dessa minnessystem, och under vilka förutsättningar gnagare kan växla från ett system till ett annat.

Protocol

1. Allmänna överväganden Detta protokoll har godkänts av Animal Care och användning kommittén av Universitetssjukhuset Freiburg (samma för Strasbourg). Synskärpa är nödvändig för att fullgöra i tester av spatial inlärning. Gnagare med nedsatt visuella system är alltså inte lämpliga. Dessutom måste belysningen vara tillräcklig för att råttorna att se de olika signaler som ligger på omgivande väggar. Det är nyttigt att utnyttja grundläggande formade (kvadrat, cirkel, tri…

Representative Results

Egocentrisk Learning Strategy En studie genomfördes för att fastställa huruvida den valda minnesstrategi råttor ändringar baserat på förändringar av deras perspektiv av externa miljö signaler, efter en egocentrisk lärande paradigm 25. Råttor tränades under 4 dagar (4 försök / dag) för att nå ett mål arm ligger på NE, och testades därefter på den femte dagen med hjälp av en missvisande sond rättegång, där startarmen var antingen flyttade 60 cm till vänster <em…

Discussion

Kommentarer till studie Design och analys

Sedan dess utformning, har dubbel-H labyrint använts i ett antal beteendeförsök på råttor, som tillsammans var avsedda att studera egocentriska och / eller allocentric svar hos råttor under normala 24,25 och förändrade 26-29 hjärntillstånd. De senare studierna ingår striatal djuphjärnstimulering (DBS) 26, djurmodeller av neurologiska sjukdomar 27,28, samt bilaterala inaktiveringar av olika Cortico-…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Detta arbete stöddes av universitetet i Strasbourg och Neurex-neurovetenskap Rhin Network (post-doc stipendium till RP) och BrainLinks-BrainTools Cluster of Excellence finansieras av det tyska Research Foundation (DFG, bevilja EXC 1086). Vi tackar Nadja Martini för teknisk experthjälp.

Materials

Rats or Mice Charles River
Towels for drying University Hospital 1 / animal
Water ~200 L / day
Skim milk powder Grocery store 250 g / 200 L water
Garden Hose Hardware store
Drying rack for towels Hardware store
Kinect camera Kinect
PC computer any
[header]
Double H Maze, (plexiglass) (Custom-Built)
External lateral walls, 1600 × 350 × 6 mm 2
Internal lateral walls, 706 × 350 × 6 mm 8
Central corridor panels, 500 × 350 × 6 mm 4
Arm extremities, 188 × 350 × 6 mm 6
Guillotine doors, 187 × 350 × 6 mm 3
Extremity covers, 200 × 250 mm 6
Crossbars, 200 × 40 mm 6
[header]
Double-H Maze Platform (to be ballasted) Double-H Maze Platform (to be ballasted) (Custom-Built)
Metal platform, 100 mm diameter × 150 mm 2
Platform cover, 100 mm diameter × 6mm 2

Referências

  1. Izquierdo, I., et al. The connection between the hippocampal and the striatal memory systems of the brain: a review of recent findings. Neurotoxicity Research. 10 (2), 113-121 (2006).
  2. Albouy, G., et al. Both the hippocampus and striatum are involved in consolidation of motor sequence memory. Neuron. 58 (2), 261-272 (2008).
  3. Albouy, G., et al. Interaction between Hippocampal and Striatal Systems Predicts Subsequent Consolidation of Motor Sequence Memory. Plos One. 8 (3), (2013).
  4. Chang, Q., Gold, P. E. Intra-hippocampal lidocaine injections impair acquisition of a place task and facilitate acquisition of a response task in rats. Behav Brain Res. 144 (1-2), 19-24 (2003).
  5. McDonald, R. J., Hong, N. S., Devan, B. D. The challenges of understanding mammalian cognition and memory-based behaviours: an interactive learning and memory systems approach. Neurosci Biobehav Rev. 28 (7), 719-745 (2004).
  6. Packard, M. G. Anxiety cognition, and habit: a multiple memory systems perspective. Brain Res. 1293, 121-128 (2009).
  7. Packard, M. G., McGaugh, J. L. Inactivation of hippocampus or caudate nucleus with lidocaine differentially affects expression of place and response learning. Neurobiol Learn Mem. 65 (1), 65-72 (1996).
  8. Lawrence, A. D., et al. Executive and mnemonic functions in early Huntington’s disease. Brain. 119 (Pt 5), 1633-1645 (1996).
  9. Lawrence, A. D., Watkins, L. H., Sahakian, B. J., Hodges, J. R., Robbins, T. W. Visual object and visuospatial cognition in Huntington’s disease: implications for information processing in corticostriatal circuits. Brain. 123 (Pt 7), 1349-1364 (2000).
  10. Walker, F. O. Huntington’s disease. Lancet. 369 (9557), 218-228 (2007).
  11. Cushman, L. A., Stein, K., Duffy, C. J. Detecting navigational deficits in cognitive aging and Alzheimer disease using virtual reality). Neurology. 71 (12), 888-895 (2008).
  12. Liu, L., Gauthier, L., Gauthier, S. Spatial disorientation in persons with early senile dementia of the Alzheimer type. A`m J Occup Ther. 45 (1), 67-74 (1991).
  13. Mapstone, M., Steffenella, T. M., Duffy, C. J. A visuospatial variant of mild cognitive impairment: getting lost between aging and AD. Neurology. 60 (5), 802-808 (2003).
  14. Vliet, E. C., et al. The neuropsychological profiles of mild Alzheimer’s disease and questionable dementia as compared to age-related cognitive decline. J Int Neuropsychol Soc. 9 (5), 720-732 (2003).
  15. Hanagasi, H. A., et al. Cognitive impairment in amyotrophic lateral sclerosis: evidence from neuropsychological investigation and event-related potentials. Brain Res Cogn Brain Res. 14 (2), 234-244 (2002).
  16. Robbins, T. W., Murphy, E. R. Behavioural pharmacology: 40+ years of progress, with a focus on glutamate receptors and cognition. Trends Pharmacol Sci. 27 (3), 141-148 (2006).
  17. Paul, C. M., Magda, G., Abel, S. Spatial memory: Theoretical basis and comparative review on experimental methods in rodents. Behav Brain Res. 203 (2), 151-164 (2009).
  18. Hodges, H. Maze procedures: the radial-arm and water maze compared. Brain Res Cogn Brain Res. 3 (3-4), 167-181 (1996).
  19. Kesner, R. P., Farnsworth, G., Kametani, H. Role of parietal cortex and hippocampus in representing spatial information. Cereb Cortex. 1 (5), 367-373 (1991).
  20. Barnes, C. A. Memory deficits associated with senescence: a neurophysiological and behavioral study in the rat. J Comp Physiol Psychol. 93 (1), 74-104 (1979).
  21. Whishaw, I. Q., Cassel, J. C., Jarrad, L. E. Rats with fimbria-fornix lesions display a place response in a swimming pool: a dissociation between getting there and knowing where. J Neurosci. 15 (8), 5779-5788 (1995).
  22. Staay, F. J., Raaijmakers, W. G., Lammers, A. J., Tonnaer, J. A. Selective fimbria lesions impair acquisition of working and reference memory of rats in a complex spatial discrimination task. Behav Brain Res. 32 (2), 151-161 (1989).
  23. Olton, R. S., Samuelson, R. J. Remembrance of places past: Spatial memory in rats. J Exp Psych. 2 (2), 97-116 (1976).
  24. Pol-Bodetto, S., et al. The double-H maze test, a novel, simple, water-escape memory task: acquisition, recall of recent and remote memory, and effects of systemic muscarinic or NMDA receptor blockade during training. Behav Brain Res. 218 (1), 138-151 (2011).
  25. Cassel, R., Kelche, C., Lecourtier, L., Cassel, J. -. C. The match/mismatch of visuo-spatial cues between acquisition and retrieval contexts influences the expression of response vs. place memory in rats. Behavioural Brain Research. 230 (2), 333-342 (2012).
  26. Schumacher, A., de Vasconcelos, A. P., Lecourtier, L., Moser, A., Cassel, J. C. Electrical high frequency stimulation in the dorsal striatum: Effects on response learning and on GABA levels in rats. Behavioural Brain Research. 222 (2), 368-374 (2011).
  27. Lecourtier, L., et al. Intact neurobehavioral development and dramatic impairments of procedural-like memory following neonatal ventral hippocampal lesion in rats. Neurociência. 207, 110-123 (2012).
  28. Kirch, R. D., et al. Early deficits in declarative and procedural memory dependent behavioral function in a transgenic rat model of Huntington’s disease. Behav Brain Res. 239, 15-26 (2013).
  29. Cholvin, T., et al. The ventral midline thalamus contributes to strategy shifting in a memory task requiring both prefrontal cortical and hippocampal functions. J Neurosci. 33 (20), 8772-8783 (2013).
  30. Hooge, R., De Deyn, P. P. Applications of the Morris water maze in the study of learning and memory. Brain Res Brain Res Rev. 36 (1), 60-90 (2001).
check_url/pt/52667?article_type=t

Play Video

Citar este artigo
Kirch, R. D., Pinnell, R. C., Hofmann, U. G., Cassel, J. The Double-H Maze: A Robust Behavioral Test for Learning and Memory in Rodents. J. Vis. Exp. (101), e52667, doi:10.3791/52667 (2015).

View Video