اختبار تجنب المكان النشط (APA) ، وهو مهمة تعلم مكاني فعالة ومتعددة الاستخدامات وقابلة للتكرار للفئران
Summary
هنا ، نقدم بروتوكولا لاختبار تجنب المكان النشط ، وهو نموذج تعلم مكاني يعتمد على الحصين مصمم للقوارض. يسمح تغيير المعلمات الرئيسية بإعادة اختبار قبل وبعد العلاج أو بمرور الوقت.
Abstract
تم اختبار التعلم المكاني المعتمد على الحصين في القوارض باستخدام مجموعة متنوعة من الطرق. وتشمل هذه المهام متاهة موريس المائية (MWM) ومتاهة Y وموقع الكائن الجديد (NOL). في الآونة الأخيرة ، تم تطوير مهمة تجنب المكان النشط (APA) كبديل لهذه الأساليب التقليدية. في مهمة APA ، يجب على الفئران استخدام الإشارات المكانية الموضوعة حول ساحة دوارة لتجنب منطقة صدمة ثابتة. نظرا للمعلمات المتعددة التي يمكن تعديلها ، فقد ثبت أن مهمة APA هي نهج متعدد الاستخدامات. يفسح المجال للاستخدام طوليا وبشكل متكرر لنفس المجموعة من الفئران. هنا ، نقدم بروتوكولا مفصلا لإجراء مهمة APA بنجاح. نسلط الضوء أيضا على مناهج APA البديلة التي يمكن استخدامها لفحص المكونات المختلفة للتعلم المكاني. نحن نصف عمليات جمع البيانات وتحليلها. تتم مناقشة الخطوات الحاسمة أثناء مهمة APA لزيادة احتمالية إجراء الاختبار بنجاح. تتميز مهمة APA بالعديد من المزايا مقارنة باختبارات التنقل المكاني التقليدية. من المناسب استخدامه مع الفئران المسنة أو تلك التي تعاني من الأنماط الظاهرية للأمراض مثل مرض الزهايمر. يمكن تغيير تعقيد المهمة بسهولة ، مما يسمح باختبار مجموعة واسعة من سلالات الماوس. علاوة على ذلك ، فإن مهمة APA مناسبة لاختبار التي خضعت لعملية جراحية أو تدخلات تجريبية قد تكون أثرت على الوظيفة الحركية أو العصبية ، مثل السكتة الدماغية أو إصابات الدماغ.
Introduction
يعد تجنب المكان النشط (APA) أداة فعالة لاختبار التعلم المكاني المعتمد على الحصين في القوارض1،2،3،4. أثناء مهمة APA ، يتم وضع في ساحة دوارة ويطلب منه استخدام الإشارات المرئية لتوجيه نفسه وتجنب منطقة الصدمةالمكروهة 5. يضمن دوران الساحة أن الماوس غير قادر على استخدام نهج غبي للملاحة ، ولا يمكن استخدام علامات الرائحة ، حيث تدور هذه الإشارات على المنصة بينما تظل منطقة الصدمة ثابتة5. يسمح تغيير سرعة واتجاه الساحة ، بالإضافة إلى موقع منطقة الصدمة والإشارات البصرية ، بإعادة اختبار الفئران عدة مرات6،7،8. تقدم APA العديد من المزايا المميزة مقارنة بمتاهة موريس المائية (MWM) ، وهي واحدة من أكثر اختبارات التعلم المكاني استخداما. الأهم من ذلك ، أن الفئران لديها نفور من السباحة وتجد مهمة MWM مرهقة للغاية9. علاوة على ذلك ، تم الإبلاغ عن طفو الفئران المسنة أثناء مهمة MWM10 ، مما يجعلها غير مناسبة كمهمة تعلم مكاني في كثير من الحالات. علاوة على ذلك ، نظرا لأن مهمة MWM تتطلب منصة مخفية مغمورة للفئران لتحديد موقعها أثناء الاختبار. هذا يستلزم أن يكون الماء معتما ، والذي يتحقق عادة عن طريق إضافة الطلاء الأبيض. يتطلب تتبع وتحليلها أثناء المهام السلوكية تباينا كافيا بين الموضوع والمناطق المحيطة ، باستثناء سلالات معينة من الفئران مثل Swiss أو BALB / c من الاختبار في MWM. في مهمة APA ، يتم التحايل على هذه المشكلة من خلال إضافة البلاستيك الأسود تحت الشبكة.
تم تصميم نماذج APA متعددة لاختبار التعلم المكاني ، مما يدل على فائدته كأداة سلوكية فعالة. على سبيل المثال ، يتم اكتساب التعلم المكاني والاحتفاظ به وتوحيده عادة عن طريق الاختبار اليومي للحيوانات التي يمكن أن تتراوح من 3-5 أيام6،7،11،12. يتم قياس الذاكرة والتعلم من خلال مقارنة عدد الصدمات التي يتم تلقيها كل يوم اكتساب. الوقت حتى المدخل الأول والحد الأقصى للوقت لتجنب منطقة الصدمة هي أيضا معلمات مهمة يمكن استخدامها لتحديد التغييرات في القدرة على التعلم أثناء المهمة. بدلا من ذلك ، يمكن اختبار الذاكرة العاملة المكانية عن طريق إجراء جلسة APA واحدة مدتها 30 دقيقة 2,13 حيث يتم قياس التعلم المكاني على أنه تغييرات داخل الجلسة من خلال مقارنة الأداء ، مثل رقم الصدمة ، في صناديق 5 دقائق.
في هذه المقالة ، نصف مهمة APA ونسلط الضوء على الميزات الرئيسية التي يجب مراعاتها عند إجراء اختبار التعلم المكاني هذا.
Protocol
Representative Results
Discussion
في الختام ، يعد اختبار تجنب المكان النشط مهمة تعلم مكانية فعالة يمكن استخدامها في مجموعة متنوعة من سلالات الفئران والظروف التجريبية. تتغلب مهمة APA على القيود المرتبطة بنماذج التعلم المكاني الأخرى14 ، مثل MWM ، وهو أمر مرهق للفئران كما تم قياسه بمستويات الكورتيزول9. كما أن MWM غير مناسب للفئران المسنة ، حيث تم الإبلاغ عن أنها تطفو أثناء المهمة10. على الرغم من أن اختبارات التعلم المكاني الأخرى ، مثل متاهة بارنز واختبار موقع الكائن الجديد ، أقل إرهاقا ، إلا أنها محدودة بعدد المرات التي يمكن فيها إجراء الاختبار المتكرر على نفس المجموعة من الفئران. لذلك ، فإن الميزة الرئيسية لمهمة APA هي أنه يمكن استخدامها عدة مرات حيث يمكن تعديل العديد من المعلمات للحفاظ على الجدة. في الواقع ، لقد استخدمنا مهمة APA حتى 5 مرات على نفس المجموعة من الفئران لفحص تأثير استئصال الحصين والتأثير اللاحق للتمرين8. في كل حالة ، تم تغيير المعلمات ، بما في ذلك دوران الساحة ومنطقة الصدمة والإشارات المكانية ، بين الاختبارات. كان هذا فعالا في ضمان استخدام الفئران لإشارات الملاحة المكانية لإعادة تعلم المهمة كما يتضح من الضابطة التي تبدأ بعدد كبير من الصدمات ثم تتناقص خلال أيام الاختبار اللاحقة لكل فترةاختبار 8. عادة ، في نهاية نموذج الاختبار لمدة 5 أيام ، نعتبر أن أي تلقى أكثر من 10 صدمات في اليوم الأخير أو لديه تجنب أقصى أقل من 60 ثانية لم يتعلم النموذج.
بالإضافة إلى القدرة على تعديل الإعدادات بسهولة للسماح بجولات متعددة من الاختبار المكاني ، تضمن مهمة APA أنه يجب على الفئران استخدام التنقل المكاني لتجنب منطقة الصدمة بشكل فعال. على سبيل المثال ، يجب على استخدام إشارات خارجية لتحديد موقع منطقة الصدمة الثابتة وتجنب دخولها عن طريق التنقل بعيدا عنها5. نظرا لأن الساحة تدور ، لا تستطيع استخدام نهج غبي للملاحة ، ولا يمكنها استخدام إشارات خارجية مثل الرائحة لأن هذه الإشارات تدور مع الساحة بينما تظل منطقة الصدمة والإشارات المكانية ثابتة5.
من المهم أيضا التأكد من أن الفئران معتادة بشكل مناسب على الباحث وساحة APA. يجب أيضا تحسين شدة صدمة القدم ، حيث يمكن أن تؤثر شدة الصدمة المنخفضة جدا والعالية جدا على قدرة الفئران على التعلم وأداء المهمة5. عادة ما يتم ضبط شدة الصدمة على 0.5 مللي أمبير ويجب ألا تتجاوز 0.7 مللي أمبير. بالنسبة للحيوانات التي زادت من سلوكها الشبيه بالقلق ، فكر في تقليل شدة الضوء وشدة صدمة القدم. يمكن أن يظهر القلق المتزايد أثناء مهمة APA إما على شكل قفز مفرط أو تشغيل غير منضبط داخل الساحة أو تجميد طويل. استخدم البروتوكول الموصوف هنا شدة صدمة تبلغ 0.5 مللي أمبير ، وهي نفس الشدة التي تم استخدامها سابقا مع BALB / c ، والتي من المعروف أن لديها سلوكا شبيها بالقلقأعلى 15.
هنا ، نصف برنامج تتبع الذي توفره الشركة التي قدمت جهاز تجنب المكان النشط المستخدم. برنامج تتبع الفيديو البديل مناسب أيضا لتحليل الأداء السلوكي. يمكن لهذه البرامج أيضا قياس أداء الماوس وتحليله بدقة أثناء مهام APA. تسمح هذه البرامج بإنشاء عدة مناطق ومواقع داخل ساحة APA لتقييم السلوك. يتكون إعداد الساحة ل APA من منطقة صدمة مثلثة واحدة ، حيث يتم قياس عدد المداخل ووقت الدخول لأول مرة والوقت المستغرق في منطقة الصدمة. يمكن أيضا إضافة مناطق إضافية داخل الساحة. على سبيل المثال ، يمكننا إضافة منطقة مركزية أو منطقة مقابلة لمنطقة الصدمة لقياس الوقت المستغرق ، والمسافة المقطوعة في تلك المناطق كاستراتيجية حيوانية لتجنب المنطقة المكروهة. تتعقب هذه البرامج مركز كتلة الماوس ، والذي يتم حفظه وعرضه بعد ذلك فوق الإطار المرجعي للفحص البصري (الشكل 6A ، B). أخيرا ، من الممكن أيضا إنشاء خريطة حرارية للكثافة للأداء الفردي والجماعي (الشكل 6C).
عند إجراء مهمة APA ، هناك مشكلات محتملة تحتاج إلى معالجة. في بعض الأحيان ، يجب استبعاد الفئران من التحليل بسبب عدم الاستجابة لمنطقة الصدمة. كما هو الحال دائما ، يجب النظر في الاستبعاد فقط عندما يستوفون الشروط الشاذة المحددة مسبقا ، على سبيل المثال ، الوقوع خارج 2 انحرافات معيارية عن المتوسط. تتطلب المهام السلوكية المعقدة مثل APA عادة قيم N عالية للحيوانات. نقترح إجراء تحليل للطاقة لحساب حجم العينة المناسب قبل إجراء APA. هذا يعتمد على السلالة المستخدمة ومجموعات العلاج. من التجربة ، نجد أن قيمة n 10 أو أكثر لكل مجموعة توفر طاقة كافية عند إجراء تجارب APA. المشكلة الرئيسية في هذه المهمة هي ضمان تتبع عالي الجودة للماوس أثناء المهمة. يجب استخدام مرحلة التعود على المهمة لتأكيد حدوث ذلك. غالبا ما تكون الفئران التي لا تستجيب للصدمة بسبب scat بين قضبان الشبكة. لذلك ، من الضروري تنظيف الحفارة بعد كل حيوان وإزالة أي سكات أو بول. هذا سوف يقلل أيضا من الضغط على التي تليها. تتضمن مهمة APA عادة نموذجا مدته 5 أيام ، والذي قد يمثل بعض القيود على الدراسات التي تتضمن تدخلات فعالة أقل من 5 أيام ؛ ومع ذلك ، لا يزال من الممكن تقييم الذاكرة قصيرة المدى أو اكتساب التعلم المكاني لمثل هذه الدراسات باستخدام نهج 30 دقيقة لجلسة واحدة.
باختصار ، تقدم هذه المقالة وصفا تفصيليا لكيفية إعداد واستخدام نموذج تجنب المكان النشط لاختبار التعلم المكاني للفئران. تعد القدرة على تغيير الظروف بحيث يمكن اختبار سلالات الماوس المتعددة ذات الألوان المختلفة ميزة واضحة على الاختبارات المكانية الأخرى الأكثر تقليدية مثل MWM. علاوة على ذلك ، يسمح تعديل المعلمات المتعددة بتكرار الاختبار بحيث يمكن مقارنة التغييرات في التعلم المكاني بدقة خلال النماذج التجريبية المختلفة أو أثناء الشيخوخة الفسيولوجية. في فترة زمنية قصيرة ، ثبت أن اختبار APA بديل دقيق وفعال للتعلم المكاني المعتمد على الحصين. في المستقبل ، يمكن استخدام مهمة APA كطريقة موثوقة لتقييم التدخلات العلاجية أو التمارين على السلوك المعرفي والمكاني في كل من الفئران البرية والمحورة وراثيا.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نشكر مرفق سلوك التابع لمعهد كوينزلاند للدماغ (QBI) على تطوير وصيانة الجهاز الموصوف في هذه المخطوطة.
Materials
| Constant Current Source CS02 | BioSignal Group | N/A | Acton, Massachusetts, United States |
| Control Box | BioSignal Group | N/A | Acton, Massachusetts, United States |
| Ethovision | Noldus | version 16 | Wageningen, Netherlands |
| Shock Scrambler | BioSignal Group | N/A | Acton, Massachusetts, United States |
| Track Analysis | BioSignal Group | version 2.2 | Acton, Massachusetts, United States |
| Tracker Programme | BioSignal Group | version: 2.36 | Acton, Massachusetts, United States |
References
- Cimadevilla, J. M., Fenton, A. A., Bures, J. Functional inactivation of dorsal hippocampus impairs active place avoidance in rats. Neurosci Lett. 285 (1), 53-56 (2000).
- Willis, E. F., Bartlett, P. F., Vukovic, J. Protocol for short- and longer-term spatial learning and memory in mice. Front Behav Neurosci. 11, 197 (2017).
- Blackmore, D. G., Brici, D., Walker, T. L. Protocol for three alternative paradigms to test spatial learning and memory in mice. STAR Protoc. 3 (3), 101500 (2022).
- Pastalkova, E., et al. Storage of spatial information by the maintenance mechanism of LTP. Science. 313 (5790), 1141-1144 (2006).
- Stuchlik, A., et al. Place avoidance tasks as tools in the behavioral neuroscience of learning and memory. Physiol Res. 62 (Suppl 1), S1-S19 (2013).
- Vukovic, J., et al. Immature doublecortin-positive hippocampal neurons are important for learning but not for remembering. J Neurosci. 33 (15), 6603-6613 (2013).
- Blackmore, D. G., et al. An exercise "sweet spot" reverses cognitive deficits of aging by growth-hormone-induced neurogenesis. iScience. 24 (11), 103275 (2021).
- Codd, L. N., Blackmore, D. G., Vukovic, J., Bartlett, P. F. Exercise reverses learning deficits induced by hippocampal injury by promoting neurogenesis. Sci Rep. 10 (1), 19269 (2020).
- Harrison, F. E., Hosseini, A. H., McDonald, M. P. Endogenous anxiety and stress responses in water maze and Barnes maze spatial memory tasks. Behav Brain Res. 198 (1), 247-251 (2009).
- van Praag, H., Shubert, T., Zhao, C., Gage, F. H. Exercise enhances learning and hippocampal neurogenesis in aged mice. J Neurosci. 25 (38), 8680-8685 (2005).
- Zhou, X. A., et al. Neurogenic-dependent changes in hippocampal circuitry underlie the procognitive effect of exercise in aging mice. iScience. 24 (12), 103450 (2021).
- Leinenga, G., Gotz, J. Scanning ultrasound removes amyloid-β and restores memory in an Alzheimer’s disease mouse model. Sci Transl Med. 7 (278), 278ra33 (2015).
- Willis, E. F., et al. Repopulating microglia promote brain repair in an IL-6-dependent manner. Cell. 180 (5), 833-846 (2020).
- Lesburgueres, E., Sparks, F. T., O’Reilly, K. C., Fenton, A. A. Active place avoidance is no more stressful than unreinforced exploration of a familiar environment. Hippocampus. 26 (12), 1481-1485 (2016).
- Crawley, J. N. Behavioral phenotyping strategies for mutant mice. Neuron. 57 (6), 809-818 (2008).
