Vigtigheden af at skelne mellem allocentriske og egocentriske søgestrategier i Hippocampal-afhængige paradigmer for rumlig hukommelse hos gnavere: Få mere ud af dine data

Spatial memory and navigation paradigms

Der findes et stort udvalg af adfærdstest for både gnavere og mennesker, der giver et mål for rumlig hukommelse og navigation . Generelt anvender forsøg med rumlig hukommelse hos gnavere labyrinter, der har et målområde, som dyrene skal finde, lære og huske. Disse mål kan være positive forstærkninger som f.eks. belønninger i form af mad, flugt fra negative stimuli som f.eks. vand eller skarpt lys eller et resultat af instinktiv adfærd som f.eks. udforskningsdrift. Test af menneskers rumlige hukommelse udføres på den anden side for det meste på virtual reality-opsætninger, der skaber kontrollerede tredimensionelle miljøer, hvor forskeren normalt forklarer målene for forsøgspersonen. På det seneste er der blevet taget skridt til at kombinere aspekter fra både dyre- og menneskeforsøg for at øge ligheden og dermed overførbarheden af disse forsøg. Der er blevet udviklet virtual reality-versioner af gnaverforsøg til mennesker, og virtual reality- og berøringsskærmsopsætninger til gnavere, der er udviklet ud fra tilsvarende forsøg til mennesker, er også blevet populære . Det er forskelligt, hvilken type test der anvendes til at skelne allocentriske og egocentriske referencerammer og søgestrategier i rumlige hukommelsesopgaver for gnavere, alt efter hvilken type test der er tale om. Nogle opgaver er udformet med henblik på at tilskynde til anvendelse af en enkelt strategi, og derfor afspejler præstationen på den pågældende opgave, hvor vigtig den pågældende referenceramme er. Andre opgaver kan gennemføres med en kombination af allocentriske og egocentriske strategier, og der er behov for efterfølgende analyser eller sondeprøver for at udlede underskud eller præferencer i disse referencerammer. Overvejelser om, hvilke typer af rumlig navigation der testes, og ekstra skridt til at adskille disse strategier overses ofte på trods af den relative lethed, hvormed sådanne foranstaltninger kan gennemføres. Nedenfor diskuterer vi populære labyrintapparater, der anvendes til at undersøge rumlig hukommelse og forskellige tests, kontroller og analyser, der kan hjælpe med at skelne egocentrisk og allocentrisk navigation.

Rumlig hukommelse kan undersøges gennem en række tests på labyrinter såsom Y-labyrint, osteplade labyrint, Morris vandlabyrint, stjerne labyrint, Barnes labyrint, radial arm labyrint og T-labyrint. Disse labyrinter omfatter undersøgelse af en række rumlige hukommelsesfunktioner, herunder langtids-, korttids- og arbejdshukommelse, samt kognitiv fleksibilitet. Test, der undersøger allocentriske referencerammer, omfatter brugen af statiske visuelle signaler, som gnaverne kan bruge til at udvikle et kognitivt kort. Der gøres en indsats for at minimere proximale signaler og skabe åbne, uhindrede rum for at undgå ikke-allocentriske strategier. Det modsatte er tilfældet for egocentriske opgaver, hvor visuelle signaler minimeres eller gøres irrelevante (ukorrekte eller tilfældige). Den mest nøjagtige måde at teste egocentriske strategier på er at udføre en test i mørke, hvilket sikrer fjernelse af visuelle distale signaler, der kan bruges til allocentriske strategier . Mange apparater, der anvendes til at undersøge egocentrisk navigation, begrænser bevægelser til smalle kanaler eller arme for at skabe særskilte valgpunkter, hvor egocentriske strategier tilskyndes .

T-maze (figur 2A), der er konstrueret i form af et stort “T”, er et simpelt apparat, der anvendes til at undersøge arbejdshukommelse og kortvarig rumlig hukommelse. På grund af labyrintens form har gnaveren kun to muligheder, en 90-graders drejning til venstre eller til højre, når den forlader startarmen. T-labyrinten kan være uden lokkemad, med lokkemad eller ved hjælp af negative stimuli for at fremme udforskningen af labyrinten . Generelt er en af armene korrekt (uudforsket, belønnet med mad/vand, der indeholder en flugtplatform), og det er den, man lærer, når hukommelsen er intakt. Interne og eksterne visuelle signaler kan bruges til at undersøge navigationsstrategien . Kort sagt kan dyrene trænes med tilstedeværelsen af visuelle signaler uden for labyrinten og et visuelt signal inden for labyrinten. Man kan nå målarmen ved enten at huske at dreje i den rigtige retning, bevæge sig hen imod eller undgå det intra-maze-signal eller bevæge sig til det rigtige område i forhold til de statiske eksterne signaler. Når dyrene har tilegnet sig opgaven med succes, kan de testes på prøveforsøg, hvor de systematisk skifter signalerne eller den korrekte drejeretning, så de nu er ukorrekte. Det blev faktisk påvist, at rotter har en generel præference for en retningsbaseret strategi i T-maze, hvilket tyder på, at dette apparat tilskynder til egocentrisk navigation . Ved hjælp af lignende visuelle cue-manipulationer på T-maze blev det vist, at transgene mus, der udtrykker en Alzheimers sygdom-relateret mutation, har specifikke allocentriske stedindlæringsunderskud i mangel af en generel forstyrrelse i indlæring og hukommelse, hvilket understreger vigtigheden af at medtage disse sondeprøver, når det er muligt .

Y-maze (figur 2B) fungerer stort set på samme måde som en T-maze; apparatet er dog udformet i en Y-form med tre lige store arme i 120 grader fra hinanden. Ubetjente forsøg er populære på dette apparat, idet man stoler på dyrets medfødte præference for at udforske tidligere uudforskede områder. Korttidshukommelsen kan testes ved at blokere adgangen til en af armene i testens første fase og observere den tid, der bruges i den pågældende arm i anden fase, hvor alle tre arme kan tilgås. Der er en variabel forsinkelse mellem faserne for at kontrollere belastningen af korttidshukommelsen i forbindelse med opgaven. Denne nye armpræferenceopgave er en test for allocentrisk rumlig hukommelse, da gnaverne bruger både intra- og extra-maze-signaler til at huske placeringen af den nye arm. Arbejdshukommelsen kan også testes ved at lade dyret frit udforske alle tre arme og observere, om de vælger at gå ind i den arm, de senest har udforsket, eller om de skifter og går ind i den mere nye arm – dette kaldes spontan alternation. Spontan alternation kan også undersøges på T-maze; men da armene i Y-maze er lige store (og hver især kan blive til nye startarme), kan alternationen løbende måles uden konstant interaktion med forsøgspersonen. Ændring af protokollen til at omfatte lokkede arme og inkludere eller fjerne brugen af proximale og distale signaler giver mulighed for undersøgelse af allocentriske og egocentriske strategier .

Biel-vandlabyrinten blev udviklet af William Biel og er konstrueret af flere T-labyrinter, der er forbundet med hinanden for at skabe en labyrint, hvor gnavere skal navigere fra “Start” til “Mål” for at undslippe labyrinten. Labyrinten køres i synligt lys, og der gives ingen eksplicitte distale signaler; desuden er labyrinten dækket af en stor beholder for at minimere adgangen til både distale og proximale signaler. Parametre, der anvendes til at måle egocentrisk navigation, omfatter fejl på tværs af forsøgene og flugtlængde. Denne labyrint havde imidlertid begrænsninger med hensyn til udformning og sværhedsgrad, især at den blev kørt i synligt lys, hvilket kunne give distale eller proximale signaler fra kassen over hovedet . Cincinnati-vandlabyrinten (CWM) er en udvidelse af Biel-vandlabyrinten. Det er en kompleks labyrintvandlabyrint, der består af ni indbyrdes forbundne T-mazes (figur 3). En forsøgsgnaver skal komme fra position A til position B og er motiveret af sit overlevelsesinstinkt til at forlade vandet. Den er udformet til at anvende egocentriske søgestrategier baseret på labyrintens fysiske dimensioner og udformning, der skaber ni valgpunkter (i stedet for seks i Biel-vandlabyrinten) ved krydsninger, hvor gnaverne skal dreje til venstre eller højre. CWM’en er konstrueret af et akrylmateriale, så væggene er glatte, og der er ingen proximale signaler til rådighed. Bredden af kanalerne sikrer, at gnaveren ikke kan klatre op ad labyrintens vægge, og at testen udføres i mørke under infrarødt lys kan fungere som en dobbelt forsikring mod brugen af visuelle signaler . Generelt er antallet af fejl, antallet af startretur og latenstid til flugt de vigtigste parametre, der er rapporteret for denne labyrint.

Den radiale armlabyrint(RAM) består af et centralt cirkulært område, hvorfra flere arme stråler udad. Gnaveres rumlige hukommelse måles ved evnen til at huske placeringen af lokaliserede arme med lokkemad ved hjælp af fremtrædende stikord omkring labyrintrummet (allocentrisk) eller et egocentrisk fokuseret paradigme, der anvender tvungen armindgang. Her følger et eksempel på et egocentrisk paradigme med RAM. I dette tilfælde har labyrinten automatiske døre, der åbnes og lukkes for at give dyret adgang til labyrinten. Dyret starter i en arm, og når forsøget starter, åbnes to tilstødende arme til startarmen for at konstruere en Y-form. Der vil være en madbelønning for enden af den ene arm, som for hver mus er bestemt til enten venstre eller højre. Den labyrintarm, som dyret går ind i, bliver den nye startarm, som dyret er begrænset til i et mellemforsøgsinterval. Efter et intertrialinterval åbnes to arme, der støder op til den nye startarm, hvor retningen af armen (venstre eller højre) er korrekt med en belønning i form af mad. Forsøget fortsætter på denne måde og kræver, at dyret navigerer i labyrinten i forhold til sin egen position . Ved at begrænse adgangen til kun tre arme (ud over den oprindelige startarm) ad gangen sikrer dette, at dyret ikke anvender en ikke-egocentrisk strategi. Hvis f.eks. alle RAM-arme var tilgængelige, kunne dyret anvende den serielle strategi med at gå ind i hver arm i rækkefølge for at finde fødebelønningen. For RAM’en rapporteres målinger som f.eks. antallet af fejl og rang af den første fejl for at angive hukommelsespræstationen. RAM kan bruges til at undersøge både egocentriske og allocentriske søgestrategier, men den armløse Morris-vandlabyrint blev standarden for allocentrisk testning, hvor det åbne uigennemsigtige vand fungerer som en maske for både valgpunkter for at lære en bestemt sekvens og for lugtesansen. I modsætning til de bevæbnede designs af egocentriske tests er labyrinter, der er rettet mod allocentriske rumlige strategier, designet til at være åbne og fri for intra-maze objekter/kanter, der kan fungere som valgpunkter .

Den Barnes labyrint er baseret på gnavernes præference for mørke, lukkede rum. Det er en åben cirkulær labyrint med huller i hele omkredsen (figur 4). Under et af disse huller er målet “målboks”, som udgør et lille lukket rum for gnaveren. Under afprøvningen oversvømmes labyrinten med skarpt lys, lyde og/eller luftstråler for at skabe motivation til at finde målet. Der er placeret distale signaler rundt omkring i rummet for at hjælpe gnaveren med at navigere. Antallet af fejl, flugtforsinkelse og søgestrategier rapporteres almindeligvis som et mål for den rumlige hukommelsespræstation . Manipulationer med visuelle signaler i Barnes labyrinten viser, at distale signaler er mere fremtrædende end proximale signaler, idet dyr, der er trænet uden distale signaler (med en markør ved målstedet), viser dårligere præstationer . Denne opgave har således en tendens til at fremme allocentriske strategier.

Morris vandlabyrint (MWM)har været en integreret del af neurovidenskabelig forskning som en guldstandard ved test af rumlig hukommelse hos gnavere siden dens indførelse (Morris et al. ). MWM anvender et stort, cirkulært bassin med uigennemsigtigt vand og en skjult flugtplatform (figur 5A). Flere distale signaler er placeret rundt omkring i labyrinten for at hjælpe gnaveren med at nå den skjulte platform, som de bruger til at flygte. De fleste protokoller udføres over flere dage med flere forsøg pr. dag, og selv om den skjulte platformsposition forbliver den samme, ændres forsøgsdyrets startposition ofte for at minimere egocentriske strategier. Hvis startpositionen holdes ensartet, og forsøget udføres i mørke uden eksterne signaler, kan gnaverne imidlertid gennemføre MWM ved hjælp af en egocentrisk strategi . Efter træningen fjernes flugtplatformen, og referencehukommelsen testes. Dyrene forventes at tilbringe en øget mængde tid i den kvadrant, hvor målet tidligere var. Målets placering kan også ændres for at undersøge omvendt indlæring og kognitiv fleksibilitet. Den vigtigste motivation for gnaveren til at navigere i labyrinten er at undslippe vandet. Den største fordel ved MWM ved afprøvning af allocentriske søgestrategier er, at de visuelle og olfaktoriske signaler inden for labyrinten fjernes ved hjælp af uigennemsigtigt vand. Maskering af alle tilgængelige olfaktoriske signaler er nemlig absolut nødvendig på grund af gnavernes stærke lugtesans og brugen af lugtesansen i deres navigation . Vandet i MWM kan imidlertid også være en ulempe, især når der arbejdes med mus, fordi de ikke er naturlige svømmere i naturen og bliver stressede i vandet .

Den tørre ostebordslabyrint (CBM)(Figur 5B) er en tør udgave af MWM og er på samme måde en test af den rumlige langtidshukommelse samt et mål for kognitiv fleksibilitet. CBM’en er en ensartet cirkulær arena med brønde, der kan lokkes. Brøndene udstråler i linjer jævnt fra midten af brættet. Der er anbragt rumlige stikord rundt om CBM’en. Gnaverne fratages mad i hele forsøgsperioden for at motivere dem til at finde madbelønningen. Placeringen af den lokaliserede brønd er forskellig for hvert dyr og holdes konstant på tværs af forsøg og dage for hver enkelt mus. Dyrene skal lære at bruge de rumlige signaler, der er placeret rundt om labyrinten, til at finde den lokkede brønd fra startområdet i midten for at modtage belønningen, og det forventes, at de anvender allocentriske søgestrategier. Efter at dyret har fundet frem til målstedet, ændres placeringen af fødebelønningen, og dyret skal derefter anvende en ny indlæringsstrategi (omvendt). Dette er et mål for kognitiv fleksibilitet og tester dyrets evne til at ignorere den oprindelige placering af belønningen og lære den nye placering af den anden belønning. Sammenlignet med MWM, som er baseret på overlevelsesmotivation, er CBM baseret på sultedrift. Begge opgaver involverer distale signaler til at lede musen til dens mål, hvad enten det er platformen i MWM eller madbelønningen i CBM. Disse forskellige motivationer kan påvirke gnavernes kognitive behandling. MWM er blevet kritiseret for at være unødigt stressende, idet forsøgsdyret skal anvende undgåelseslæring. CBM indebærer positiv forstærkning i form af fødevarebelønning, selv om fødevarebegrænsning kan give en lignende stress. Der er nogle argumenter for, at positiv forstærkning måske ikke er tilstrækkelig til at tilskynde forsøgsdyrene til at lære, sammenlignet med en test som MWM, hvor negative konsekvenser skal undgås. Det kan være, at hver test giver en anden vinkel på undersøgelsen af kognition. Panisk stress kan være skadeligt for en effektiv indlæring eller en stærkere drivkraft i forhold til fodermangel. Den største fordel ved MWM med hensyn til at udpege allocentriske og egocentriske strategier er, at det er en renere allocentrisk labyrint. I MWM’en minimerer brugen af uigennemsigtigt vand, som gnaverne skal svømme igennem, tilgængeligheden af valgpunkter og olfaktoriske signaler. Til sammenligning er CBM en labyrint, som kræver, at gnaverne ikke kun navigerer ved hjælp af de distale cues, men også rundt om brøndene. Gnaverne kan derfor inddrage disse brønde i deres navigationsstrategi – noget, som de ikke kan gøre i MWM. Dette kunne give gnaverne mulighed for at anvende ikke-allocentriske strategier som f.eks. den serielle strategi. Dette spørgsmål om detektering af nævnte egocentriske kontra allocentriske søgestrategier diskuteres yderligere i det følgende afsnit.

Stjernelabyrinten (figur 6), der er designet af Rondi-Reig et al. , er en specialbygget vandlabyrint, der gør det muligt at skelne mellem allocentriske og egocentriske søgestrategier. Det er en cirkulær vandlabyrint bestående af fem vandkanaler, der danner en central pentagon, og fem vandkanaler stråler ud fra denne pentagon. Væggene i labyrinten har en ensartet farve, og vandet er gjort uigennemsigtigt. Målet med labyrinten er at finde den skjulte platform for at undslippe. Ved analysen af allocentrisk navigation er der adgang til ekstra labyrinter på væggene. Denne labyrint giver mulighed for flere protokoller til at teste allocentrisk eller egocentrisk navigation. Den første protokol, “versionen med flere strategier”, er udformet med henblik på at undersøge den spontane navigationsstrategi, som gnaveren anvender. I den anden protokol undersøges egocentrisk navigation ved at opstille labyrinten således, at en sekvens af retningsbevægelser sender gnaveren til flugtplatformen. Den sidste protokol kræver, at gnaverne skal bruge de tilvejebragte rumlige signaler til at flygte fra tilfældigt tildelte startpunkter . Denne labyrint er en fantastisk opsætning, da den giver mulighed for at belyse individuelle søgestrategier, og da det er en vandlabyrint, kontrollerer den lige motivation og muligheder .