Die Doppel-H Maze: A Robust Verhaltenstest für Lernen und Gedächtnis in Nagetiere
Özet
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
Raumwahrnehmung Forschung bei Nagern verwendet typischerweise die Verwendung von Labyrinth Aufgaben, deren Attribute variieren von einem Labyrinth zum nächsten. Diese Aufgaben sind je nach ihren Verhaltensflexibilität und erforderliche Speicherdauer, die Anzahl der Ziele und Wege, und auch der Gesamtaufgabenkomplexität. Eine verwirrende Funktion in viele dieser Aufgaben ist der Mangel an Kontrolle über die von den Nagetieren eingesetzt werden, um das Ziel, zum Beispiel allozentrischen (deklarative-like) oder egozentrisch (Verfahrens) basierte Strategien zu erreichen Strategie. Die Doppel-H-Labyrinth ist ein neuartiges wasser Flucht Speicher Aufgabe, die dieses Problem behebt, indem es dem Versuchsleiter, die Art der Strategie während der Ausbildung gelernt zu lenken. Das Doppel-H-Labyrinth ist eine transparente Vorrichtung, die aus einem Zentraldurchgang mit drei Armen an beiden Seiten vorstehen, zusammen mit einem Fluchtplattform am Ende eines dieser Arme taucht besteht.
Ratten können mit Hilfe eines allozentrischen Strategie durch Wechseln der st trainiert werdenKunst Position im Labyrinth in unvorhersehbarer Weise (siehe Protokoll 1, § 4.7), wodurch ihnen zu verlangen, um die Position der Plattform auf der Grundlage der verfügbaren allothetic Cues erlernen. Alternativ kann eine egozentrische Lernstrategie (Protokoll 2; §4.8) kann durch Lösen der Ratten von der gleichen Position bei jedem Versuch verwendet werden, bis sie die Verfahrensmuster erforderlich ist, um das Ziel zu erreichen lernen. Diese Aufgabe ist nachgewiesen worden, für die Bildung von stabilen Erinnerungsspuren zu ermöglichen.
Speicher nach der Ausbildungszeit in einer irreführenden Sonde Studie untersucht werden, in dem die Startposition für die Ratten Stellvertreter. Nach einer egozentrischen Lernparadigma, Ratten in der Regel greifen, um eine allozentrischen basiertes Strategiespiel, aber nur, wenn ihre anfängliche Blick auf die außer Labyrinth Cues unterscheidet sich deutlich von ihrer ursprünglichen Position. Diese Aufgabe ist ideal geeignet, um die Auswirkungen von Drogen / Störungen auf allozentrischen / egozentrisch Gedächtnisleistungen sowie die Interaktionen zwischen th erkundenese beiden Speichersystemen.
Introduction
Bei Tieren wird das Lernen hauptsächlich von den hippocampal- und Striatum-basierte Speichersysteme 1,2, die eine zentrale Rolle in Bezug auf Platzierung und verfahrens-Speicher spielen bzw. vermittelt. Die Beziehung zwischen diesen beiden Systemen ist komplex, und sie bekannt sind, um miteinander in kooperativer oder Wettbewerbs Manieren 1,3 interagieren. Darüber hinaus haben Studien gezeigt, dass der Einfluss eines dieser Speichersysteme auf das Verhalten der Tiere kann nach dem Fehlen oder die Beschädigung des anderen Systems 4-7 erhöhen. Beide Systeme sind an den präfrontalen Kortex über den Thalamus verbunden.
Zahlreiche neurologische Störungen und neurodegenerative Erkrankungen können räumliche Kognition bei Menschen, die auf dem Zusammenspiel von prozeduralen und deklarativen Gedächtnisses Systeme stützen sich beeinflussen. Beispiele schließen die Parkinson-Krankheit (PD), Huntington-Krankheit (HD) 8-10, Alzheimer-Krankheit (AD) 11-14 sowieAmyotrophe Lateralsklerose (ALS) 15. Tiermodelle, die zu diesen Erkrankungen relevant sind, können durch verschiedene Medikamente, die bestimmte Rezeptoren 16 zu blockieren, sowie durch gezielte Läsionen induziert werden. Wenn diese Tiere mit räumlicher Speicheraufgaben verwendet, kann eine wertvolle Einsicht in die zugrundeliegenden Mechanismen auf diese Störungen, sowie verschiedene Behandlungsoptionen zusammen gewonnen werden.
Es gibt viele verschiedene Typen von räumlichen Gedächtnisaufgaben bei Nagetieren, die gemeinsam sind für bestimmte Aspekte von Lernen und Gedächtnis sowie die Auswirkungen möglicher Behandlungen für verschiedene Erkrankungen 17,18 beurteilen. Diese Aufgaben können durch die Anzahl der Ziele und Wege, den Grad der Verhaltensflexibilität bei der Lösung der Aufgabe, die Speicherdauer oder Verzögerung, sowie die Wahl der Strategie bei der Lösung der Aufgabe verwendeten unterscheiden. Eine gute Leistung kann auf der Grundlage externer Signale oder Sehenswürdigkeiten, die verwendet werden, um zu orientieren erworben werdendas Tier auf das Ziel (eine allozentrischen oder Platz-Strategie). Alternativ kann ein Nagetier, eine Strategie, die auf körperliche Richtung und Hinweise in Bezug auf die Richtung zu bewegen, in (eine egozentrische oder Verfahrensstrategie), zum Beispiel basiert zu entwickeln, wenn eine Ratte, weiß, dass das Ziel ist, eine Linkskurve, gefolgt von einer Rechtskurve , dann gibt es wenig Bedarf an einem allozentrischen oder Ort Strategie. Maze Aufgaben unterscheiden sich oft von dem Grad der Flexibilität, um das Nagetier in ihrer Lösung angeboten basiert. Zum Beispiel in der Morris Wasser-Labyrinth, eine trockene Version des letzteren (zB 19) oder der Barnes Labyrinth (zB 20), gibt es potentiell unendlichen Strecken die Ratte ergreifen können, um das Ziel zu erreichen. In der Morris Wasser-Labyrinth zum Beispiel die Lage des Ziels basierend auf externe Landmarken oder Cues (allozentrischen Strategie) gelernt werden, oder indem Sie einfach schwimmen im Kreis in Richtung Zentrum, bis die Plattform gefunden (egozentrisch Strategie) 21. Bestimmte Aufgaben haben mehrere Zieleund ein hohes Maß an Flexibilität, wie der kegelVorgangsFeld 22 oder Olton radiale Labyrinth 23. Am anderen Ende der Skala sind Aufgaben, die in das Ziel zu erreichen, beispielsweise der Stein Labyrinth oder das alternierende Version des T-Labyrinth begrenzte Flexibilität. Diese Aufgaben stellen nur eine richtige Art, das Ziel zu erreichen und die Entstehung von kognitiven Routinen, die hauptsächlich durch das Striatum basierten Verfahrensspeichersystem geregelt sind zu erleichtern.
Das Doppel-H-Labyrinth ist eine neuartige räumliche Speichertesteinrichtung, die entwickelt wurde, um es dem Experimentator, die Art der Strategie, die von Nagetieren in der Lösung dieser Aufgabe 24 gelernt ist direkt. Bestehend aus drei parallelen Armen Lauf durch einen senkrechten zentralen Durchgang geschnitten werden, ist die Doppel-H-Labyrinth ein wasserFlucht Aufgabe, bei Nagetieren lernen, ein Escape-Plattform, die in einer der Positionen Labyrinth eintaucht erreichen. Während des Trainings kann eine Verfahrensstrategie durch die Aufrechterhaltung t entwickelt werdener dieselbe Start- und Ziel Standorten. Alternativ kann ein allozentrischen Strategie durch Wechseln der Startposition in zufälliger Reihenfolge, und erfordern somit die Ratte den Ort des verborgenen Plattform basierend auf Umweltreize zu lernen, wie es in einem Wasserlabyrinth tun hat entwickelt werden. Dies überwindet ein in vielen unterschiedlichen Tasks vorhanden Labyrinth Hindernis in ein Experimentator nur wenig Kontrolle über die Art der Strategie, Nagetieren verwenden anderweitig. Dies ist wichtig, wenn man bedenkt, dass die Wirkungen bestimmter Kognition verstärkende Wirkstoffkandidaten verlassen sich auf die hippokampalen basierten Ortsspeichersystems, wodurch die Entstehung von kognitiven Routinen oder Prozeduren können die Interpretation der Verhaltensbeobachtungen verwechseln, wenn Tiere, zum Beispiel Umschalten von allozentrischen um prozedurale Gedächtnis im Laufe der Ausbildung. In ähnlicher Weise kann es wünschenswert sein, die Auswirkungen von Medikamenten und Behandlungen auf prozedurale Gedächtnis beurteilen zu können, ohne den Einfluss von allozentrischen Ort-basierte Speicher. Schließlich ist diese Vorrichtungkann genutzt werden, um die kooperative oder kompetitive Wechselwirkungen zwischen diesen Speichersystemen, und die Bedingungen für die Nagetiere können von einem System zum anderen wechseln zu studieren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kommentare zu den Studiendesign und Analyse
Seit der Gründung hat sich die Doppel-H-Labyrinth in einer Reihe von Verhaltensexperimente in Ratten, die wurden gemeinsam unter normalen 24,25 konzipiert, egozentrisch und / oder allozentrischen Reaktionen bei Ratten untersucht und verändert 26-29 Gehirnzustände verwendet worden. Letztere Studien umfassen Striatum Tiefenhirnstimulation (DBS) 26. Tiermodellen neurologischer Erkrankungen 27,28, sowie bilat…
Açıklamalar
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von der Universität Straßburg und Neurex-Neuroscience Oberrhein Network (Post-Doc-Stipendium an RP) und durch BrainLinks-Braintools Exzellenzcluster durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, Förderkennzeichen EXC 1086). Wir bedanken uns bei Nadja Martini für technische Unterstützung durch Experten.
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 |
Referanslar
- 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).
- Albouy, G., et al. Both the hippocampus and striatum are involved in consolidation of motor sequence memory. Neuron. 58 (2), 261-272 (2008).
- Albouy, G., et al. Interaction between Hippocampal and Striatal Systems Predicts Subsequent Consolidation of Motor Sequence Memory. Plos One. 8 (3), (2013).
- 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).
- 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).
- Packard, M. G. Anxiety cognition, and habit: a multiple memory systems perspective. Brain Res. 1293, 121-128 (2009).
- 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).
- Lawrence, A. D., et al. Executive and mnemonic functions in early Huntington’s disease. Brain. 119 (Pt 5), 1633-1645 (1996).
- 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).
- Walker, F. O. Huntington’s disease. Lancet. 369 (9557), 218-228 (2007).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Hodges, H. Maze procedures: the radial-arm and water maze compared. Brain Res Cogn Brain Res. 3 (3-4), 167-181 (1996).
- Kesner, R. P., Farnsworth, G., Kametani, H. Role of parietal cortex and hippocampus in representing spatial information. Cereb Cortex. 1 (5), 367-373 (1991).
- 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).
- 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).
- 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).
- Olton, R. S., Samuelson, R. J. Remembrance of places past: Spatial memory in rats. J Exp Psych. 2 (2), 97-116 (1976).
- 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).
- 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).
- 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).
- Lecourtier, L., et al. Intact neurobehavioral development and dramatic impairments of procedural-like memory following neonatal ventral hippocampal lesion in rats. Nörobilim. 207, 110-123 (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
