Die Bedeutung der Unterscheidung zwischen allozentrischen und egozentrischen Suchstrategien in Paradigmen des räumlichen Gedächtnisses von Nagetieren, die vom Hippocampus abhängig sind: Holen Sie mehr aus Ihren Daten heraus

Raumgedächtnis- und Navigationsparadigmen

Es gibt eine Vielzahl von Verhaltenstests sowohl für Nagetiere als auch für Menschen, die ein Maß für das Raumgedächtnis und die Navigation liefern. Im Allgemeinen werden bei Tests zum räumlichen Gedächtnis von Nagetieren Labyrinthe verwendet, die einen Zielbereich haben, den die Tiere finden, lernen und sich merken müssen. Bei diesen Zielen kann es sich um positive Verstärkungen wie Futterbelohnungen handeln, um die Flucht vor negativen Reizen wie Wasser oder grellem Licht oder um das Ergebnis eines instinktiven Verhaltens wie des Erkundungstriebs. Tests des menschlichen räumlichen Gedächtnisses hingegen werden meist in virtuellen Umgebungen durchgeführt, in denen kontrollierte dreidimensionale Umgebungen geschaffen werden, deren Ziele dem Probanden normalerweise vom Forscher erklärt werden. In jüngerer Zeit wurden Schritte unternommen, um Aspekte aus Tier- und Humantests zu kombinieren, um die Ähnlichkeit und damit die Übertragbarkeit dieser Tests zu erhöhen. Es wurden Virtual-Reality-Versionen von Nagetierversuchen für Menschen entwickelt, und Virtual-Reality- und Touchscreen-Setups für Nagetiere, die auf der Grundlage menschlicher Entsprechungen entwickelt wurden, sind ebenfalls sehr beliebt. Die Unterscheidung zwischen allozentrischen und egozentrischen Bezugsrahmen und Suchstrategien, die in räumlichen Gedächtnisaufgaben für Nagetiere verwendet werden, unterscheidet sich je nach Art des Tests. Einige Aufgaben sind so konzipiert, dass sie den Einsatz einer einzigen Strategie fördern, so dass die Leistung bei dieser Aufgabe die Bedeutung dieses speziellen Bezugsrahmens widerspiegelt. Andere Aufgaben können mit einer Kombination aus allozentrischen und egozentrischen Strategien bewältigt werden, und es bedarf nachfolgender Analysen oder Probetests, um auf Defizite oder Präferenzen bei diesen Bezugsrahmen zu schließen. Die Überlegung, welche Arten der räumlichen Navigation getestet werden, und zusätzliche Schritte zur Unterscheidung dieser Strategien werden oft übersehen, obwohl die Durchführung solcher Maßnahmen relativ einfach ist. Im Folgenden werden gängige Labyrinthe zur Untersuchung des räumlichen Gedächtnisses sowie verschiedene Tests, Kontrollen und Analysen erörtert, die zur Unterscheidung zwischen egozentrischer und allozentrischer Navigation beitragen können.

Das räumliche Gedächtnis kann durch eine Vielzahl von Tests an Labyrinthen wie dem Y-Labyrinth, dem Käsebrett-Labyrinth, dem Morris-Wasserlabyrinth, dem Stern-Labyrinth, dem Barnes-Labyrinth, dem Radialarm-Labyrinth und dem T-Labyrinth untersucht werden. Diese Labyrinthe umfassen die Untersuchung einer Reihe von räumlichen Gedächtnisleistungen, einschließlich des Langzeit-, Kurzzeit- und Arbeitsgedächtnisses, sowie der kognitiven Flexibilität. Tests, die allozentrische Bezugsrahmen untersuchen, beinhalten die Verwendung statischer visueller Hinweise, die der Nager nutzen kann, um eine kognitive Karte zu entwickeln. Es wird versucht, proximale Hinweise zu minimieren und offene, ungehinderte Räume zu schaffen, um nicht-allozentrische Strategien zu vermeiden. Das Gegenteil ist bei egozentrischen Aufgaben der Fall, bei denen visuelle Hinweise minimiert oder irrelevant (falsch oder zufällig) gemacht werden. Die genaueste Art, egozentrische Strategien zu testen, besteht darin, einen Test im Dunkeln durchzuführen, wodurch sichergestellt wird, dass visuelle distale Hinweise, die für allozentrische Strategien verwendet werden könnten, entfernt werden. Viele Geräte, die zur Untersuchung der egozentrischen Navigation verwendet werden, beschränken die Bewegungen auf schmale Kanäle oder Arme, um eindeutige Auswahlpunkte zu schaffen, an denen egozentrische Strategien gefördert werden.

Das T-Labyrinth (Abbildung 2A) ist ein einfaches Gerät, das zur Untersuchung des räumlichen Arbeits- und Kurzzeitgedächtnisses verwendet wird und die Form eines großen „T“ hat. Aufgrund der Form des Labyrinths stehen den Nagetieren beim Verlassen des Startarms nur zwei Möglichkeiten zur Verfügung, nämlich eine 90-Grad-Links- oder Rechtsdrehung. Das T-Labyrinth kann ungeködert, geködert oder mit negativen Reizen versehen sein, um die Erkundung des Labyrinths zu fördern. In der Regel ist einer der Arme der richtige (unerforscht, mit Futter/Wasser belohnt, mit Fluchtplattform) und wird bei intaktem Gedächtnis erlernt. Interne und externe visuelle Hinweise können verwendet werden, um die Navigationsstrategie zu testen. Kurz gesagt, können die Tiere mit visuellen Hinweisen außerhalb des Labyrinths und einem visuellen Hinweis innerhalb des Labyrinths trainiert werden. Das Erreichen des Zielarms kann dadurch erreicht werden, dass sie sich entweder daran erinnern, sich in die richtige Richtung zu drehen, sich in Richtung des Intra-Labyrinth-Hinweises zu bewegen oder diesem auszuweichen, oder sich im Verhältnis zu den statischen externen Hinweisen in den richtigen Bereich zu bewegen. Nach erfolgreicher Bewältigung der Aufgabe können die Tiere in Probeversuchen getestet werden, bei denen die Hinweise oder die korrekte Drehrichtung systematisch geändert werden, so dass sie nun falsch sind. Es hat sich gezeigt, dass Ratten im T-Labyrinth insgesamt eine richtungsbasierte Strategie bevorzugen, was darauf hindeutet, dass dieses Gerät die egozentrische Navigation fördert. Unter Verwendung ähnlicher visueller Hinweise im T-Labyrinth wurde gezeigt, dass transgene Mäuse, die eine mit der Alzheimer-Krankheit zusammenhängende Mutation exprimieren, spezifische Defizite beim allozentrischen Ortslernen aufweisen, ohne dass eine allgemeine Störung des Lernens und des Gedächtnisses vorliegt, was unterstreicht, wie wichtig es ist, diese Sondentests einzubeziehen, wenn dies möglich ist.

Das Y-Labyrinth (Abbildung 2B) funktioniert ähnlich wie ein T-Labyrinth, allerdings ist das Gerät Y-förmig gestaltet und hat drei gleiche Arme, die in einem Winkel von 120 Grad zueinander stehen. Bei diesem Gerät sind Tests ohne Köder sehr beliebt, da sie sich auf die angeborene Vorliebe der Tiere stützen, zuvor unerforschte Bereiche zu erkunden. Das Kurzzeitgedächtnis kann getestet werden, indem der Zugang zu einem der Arme in der ersten Phase des Tests blockiert wird und die in diesem Arm verbrachte Zeit in der zweiten Phase, in der alle drei Arme zugänglich sind, beobachtet wird. Es gibt eine variable Verzögerung zwischen den Phasen, um die Belastung des Kurzzeitgedächtnisses durch die Aufgabe zu kontrollieren. Diese Aufgabe zur Bevorzugung eines neuen Arms ist ein Test für das allozentrische räumliche Gedächtnis, da die Nagetiere sowohl Hinweise innerhalb als auch außerhalb des Labyrinths verwenden, um sich die Position des neuen Arms zu merken. Das Arbeitsgedächtnis kann auch getestet werden, indem man die Tiere alle drei Arme frei erkunden lässt und beobachtet, ob sie sich für den zuletzt erkundeten Arm entscheiden oder ob sie abwechselnd den neueren Arm betreten – dies wird als spontane Abwechslung bezeichnet. Spontane Abwechslung kann auch im T-Labyrinth untersucht werden; da die Arme des Y-Labyrinths jedoch gleich sind (und jeweils zu neuen Startarmen werden können), kann die Abwechslung kontinuierlich und ohne ständige Interaktion mit dem Versuchsleiter gemessen werden. Durch die Modifizierung des Protokolls, um geköderte Arme einzubeziehen und die Verwendung von proximalen und distalen Hinweisen einzuschließen oder zu entfernen, können allozentrische und egozentrische Strategien untersucht werden.

Das Bieler Wasserlabyrinth wurde von William Biel entwickelt und besteht aus mehreren T-Labyrinthen, die miteinander verbunden sind, um ein Labyrinth zu schaffen, in dem Nagetiere vom „Start“ zum „Ziel“ navigieren müssen, um dem Labyrinth zu entkommen. Das Labyrinth wird bei sichtbarem Licht durchlaufen, und es werden keine expliziten distalen Hinweise gegeben; außerdem wird das Labyrinth durch einen großen Behälter abgedeckt, um den Zugang zu distalen und proximalen Hinweisen zu minimieren. Zu den Parametern, die zur Messung der egozentrischen Navigation herangezogen werden, gehören die Fehler über alle Versuche hinweg und die Fluchtlatenz. Dieses Labyrinth wies jedoch Einschränkungen hinsichtlich des Designs und des Schwierigkeitsgrads auf, vor allem, weil es bei sichtbarem Licht betrieben wurde, das distale oder proximale Hinweise von der darüber liegenden Box liefern konnte. Das Cincinnati-Wasserlabyrinth (CWM) ist eine Erweiterung des Bieler Wasserlabyrinths. Es handelt sich um ein komplexes Labyrinth-Wasserlabyrinth, das aus neun miteinander verbundenen T-Labyrinthen besteht (Abbildung 3). Ein Versuchsnager muss von Position A zu Position B gelangen und wird durch seinen Überlebensinstinkt motiviert, das Wasser zu verlassen. Das Labyrinth ist so konzipiert, dass es egozentrische Suchstrategien anwendet, die auf den physischen Abmessungen und der Gestaltung des Labyrinths beruhen, die neun Auswahlpunkte (statt sechs im Bieler Wasserlabyrinth) an Kreuzungen schaffen, an denen die Nager nach links oder rechts abbiegen müssen. Das CWM ist aus einem Acrylmaterial gebaut, so dass die Wände glatt sind und keine proximalen Hinweise vorhanden sind. Die Breite der Kanäle stellt sicher, dass die Nagetiere die Wände des Labyrinths nicht erklimmen können, und die Durchführung des Tests im Dunkeln unter Infrarotlicht kann als doppelte Versicherung gegen die Verwendung visueller Hinweise dienen. Im Allgemeinen sind die Anzahl der Fehler, die Anzahl der Startrückläufe und die Latenzzeit bis zur Flucht die wichtigsten Parameter, die für dieses Labyrinth angegeben werden.

Das Radialarmlabyrinth (RAM) besteht aus einem zentralen kreisförmigen Bereich, von dem aus mehrere Arme nach außen verlaufen. Das räumliche Gedächtnis von Nagetieren wird anhand der Fähigkeit gemessen, sich an die Lage der geköderten Arme zu erinnern, und zwar durch die Verwendung von auffälligen Hinweisen im Labyrinthraum (allozentrisch) oder in einem egozentrisch ausgerichteten Paradigma, bei dem die Arme erzwungen werden. Es folgt ein Beispiel für ein egozentrisches Paradigma mit dem RAM. In diesem Fall verfügt das Labyrinth über automatische Türen, die sich öffnen und schließen, um dem Tier den Zugang zu ermöglichen. Das Tier beginnt in einem Arm, und sobald das Experiment beginnt, werden zwei an den Startarm angrenzende Arme geöffnet, um eine Y-Form zu bilden. Am Ende des einen Arms befindet sich eine Futterbelohnung, die für jede Maus entweder links oder rechts liegt. Der vom Tier betretene Labyrintharm wird zum neuen Startarm, auf den das Tier während eines Intertrial-Intervalls beschränkt ist. Nach einem Intertrial-Intervall werden zwei an den neuen Startarm angrenzende Arme geöffnet, wobei die Richtung des Arms (links oder rechts) mit einer Futterbelohnung korrigiert wird. Der Versuch wird auf diese Weise fortgesetzt, wobei das Tier das Labyrinth in Bezug auf seine eigene Position navigieren muss. Durch die Begrenzung des Zugangs auf jeweils nur drei Arme (zusätzlich zum ursprünglichen Startarm) wird sichergestellt, dass das Tier keine nicht-egozentrische Strategie anwendet. Wären beispielsweise alle Arme des RAM verfügbar, könnte das Tier die serielle Strategie anwenden und jeden Arm nacheinander betreten, um die Futterbelohnung zu finden. Für das RAM werden Messungen wie die Anzahl der Fehler und der Rang des ersten Fehlers gemeldet, um die Gedächtnisleistung anzuzeigen. Während mit dem RAM sowohl egozentrische als auch allozentrische Suchstrategien untersucht werden können, wurde das armlose Morris-Wasserlabyrinth zum Standard für allozentrische Tests, wobei das offene, undurchsichtige Wasser als Maske sowohl für die Auswahlpunkte zum Erlernen einer bestimmten Sequenz als auch für den Geruchssinn dient. Im Gegensatz zu den bewaffneten Labyrinthen egozentrischer Tests sind Labyrinthe, die auf allozentrische räumliche Strategien abzielen, offen und frei von Objekten/Kanten innerhalb des Labyrinths, die als Auswahlpunkte fungieren können.

Das Barnes-Labyrinth basiert auf der Vorliebe der Nager für dunkle, geschlossene Räume. Es handelt sich um ein offenes, kreisförmiges Labyrinth mit Löchern am Rande (Abbildung 4). Unter einem dieser Löcher befindet sich das „Zielkästchen“, das dem Nagetier einen kleinen geschlossenen Raum bietet. Während des Tests wird das Labyrinth mit hellen Lichtern, Geräuschen und/oder Luftdüsen beleuchtet, um die Nager zu motivieren, das Ziel zu finden. Um den Nagetieren die Orientierung zu erleichtern, werden im Raum entfernte Hinweise angebracht. Die Anzahl der Fehler, die Latenzzeit beim Entkommen und die Suchstrategien werden üblicherweise als Maß für die Leistung des räumlichen Gedächtnisses angegeben. Manipulationen an visuellen Hinweisen im Barnes-Labyrinth zeigen, dass distale Hinweise auffälliger sind als proximale Hinweise, wobei Tiere, die ohne distale Hinweise trainiert wurden (mit einer Markierung am Zielort), schlechtere Leistungen zeigten. Somit neigt diese Aufgabe dazu, allozentrische Strategien zu fördern.

Das Morris-Wasserlabyrinth (MWM) ist seit seiner Einführung ein fester Bestandteil der neurowissenschaftlichen Forschung als Goldstandard bei der Prüfung des räumlichen Gedächtnisses bei Nagetieren (Morris et al. ). Beim MWM wird ein großes, kreisförmiges Becken mit undurchsichtigem Wasser und einer versteckten Fluchtplattform verwendet (Abbildung 5A). Um das Labyrinth herum sind mehrere distale Hinweise angebracht, die den Nagetieren helfen sollen, die versteckte Plattform zu erreichen, die sie zur Flucht benutzen. Die meisten Protokolle werden über mehrere Tage durchgeführt, mit mehreren Versuchen pro Tag, und während die Position der versteckten Plattform gleich bleibt, wird die Startposition des Versuchstiers oft geändert, um egozentrische Strategien zu minimieren. Wenn die Startposition jedoch konstant gehalten wird und der Test im Dunkeln ohne äußere Hinweise durchgeführt wird, können die Nager den MWM mit einer egozentrischen Strategie absolvieren. Nach dem Training wird die Fluchtplattform entfernt, und das Referenzgedächtnis wird getestet. Es wird erwartet, dass die Tiere mehr Zeit in dem Quadranten verbringen, in dem sich zuvor das Ziel befand. Der Ort des Ziels kann auch geändert werden, um das Umkehrlernen und die kognitive Flexibilität zu untersuchen. Die Hauptmotivation für das Nagetier, durch das Labyrinth zu navigieren, besteht darin, dem Wasser zu entkommen. Der Hauptvorteil des MWM beim Testen allozentrischer Suchstrategien besteht darin, dass die visuellen und olfaktorischen Hinweise innerhalb des Labyrinths durch die Verwendung von undurchsichtigem Wasser entfernt werden. Die Maskierung aller verfügbaren olfaktorischen Hinweise ist aufgrund des ausgeprägten Geruchssinns der Nagetiere und der Verwendung des Geruchssinns bei der Navigation zwingend erforderlich. Das Wasser im MWM kann jedoch auch ein Nachteil sein, insbesondere bei der Arbeit mit Mäusen, da diese in freier Wildbahn keine natürlichen Schwimmer sind und im Wasser gestresst werden.

Das Käsebrettlabyrinth (CBM) (Abbildung 5B) ist eine trockene Version des MWM und ist ebenfalls ein Test des räumlichen Langzeitgedächtnisses sowie ein Maß für kognitive Flexibilität. Das CBM ist ein gleichmäßiges kreisförmiges Feld mit Vertiefungen, die mit Ködern versehen werden können. Die Vertiefungen erstrecken sich in gleichmäßigen Linien von der Mitte des Spielfelds aus. Um die CBM herum sind räumliche Hinweise angebracht. Den Nagetieren wird für die Dauer des Versuchs Futter vorenthalten, um sie zu motivieren, die Futterbelohnung zu finden. Die Position des Köderbrunnens ist für jedes Tier unterschiedlich und wird für jede einzelne Maus über Versuche und Tage hinweg konstant gehalten. Die Tiere sollen lernen, die räumlichen Hinweise rund um das Labyrinth zu nutzen, um den Köderschacht vom Startbereich in der Mitte aus zu finden, um die Belohnung zu erhalten, und es wird erwartet, dass sie allozentrische Suchstrategien anwenden. Nach Erreichen des Zielortes wird der Ort der Futterbelohnung geändert, und das Tier muss dann eine neue Lernstrategie anwenden (Umkehrung). Dies ist ein Maß für die kognitive Flexibilität und testet die Fähigkeit des Tieres, die ursprüngliche Position der Belohnung zu ignorieren und die neue Position der zweiten Belohnung zu lernen. Im Vergleich zur MWM, die auf Überlebensmotivation beruht, stützt sich die CBM auf den Hungertrieb. Bei beiden Aufgaben werden distale Hinweise verwendet, um die Maus zu ihrem Ziel zu führen, sei es die Plattform bei der MWM oder die Futterbelohnung bei der CBM. Diese unterschiedlichen Motivationen könnten die kognitive Verarbeitung der Nagetiere beeinflussen. MWM wurde als übermäßig stressig kritisiert, da die Versuchstiere Vermeidungslernen anwenden müssen. Bei der CBM kann der Nahrungsentzug zwar einen ähnlichen Stress auslösen, aber die Belohnung durch das Futter ist eine positive Verstärkung. Es gibt einige Argumente dafür, dass die positive Verstärkung möglicherweise nicht ausreicht, um die Versuchstiere zum Lernen anzuregen, im Vergleich zu einem Test wie dem MWM, bei dem negative Konsequenzen vermieden werden müssen. Es mag sein, dass jeder Test einen anderen Blickwinkel auf die Untersuchung der Kognition bietet. Panikartiger Stress kann dem effektiven Lernen oder einem stärkeren Antrieb im Vergleich zum Futterentzug abträglich sein. Der Hauptvorteil des MWM im Hinblick auf das Herausarbeiten allozentrischer und egozentrischer Strategien besteht darin, dass es sich um ein saubereres allozentrisches Labyrinth handelt. Im MWM wird durch die Verwendung von undurchsichtigem Wasser, durch das die Nager schwimmen müssen, die Verfügbarkeit von Auswahlpunkten und Geruchshinweisen minimiert. Im Vergleich dazu ist die CBM ein Labyrinth, bei dem die Nagetiere nicht nur anhand der distalen Hinweise navigieren müssen, sondern auch um die Vertiefungen herum. Daher können die Nagetiere diese Vertiefungen in ihre Navigationsstrategie einbeziehen – etwas, das bei der MWM nicht möglich ist. Dies könnte den Nagetieren die Möglichkeit bieten, nicht-allozentrische Strategien, wie z. B. die serielle Strategie, anzuwenden. Dieses Problem der Erkennung von egozentrischen und allozentrischen Suchstrategien wird im folgenden Abschnitt weiter erörtert.

Das von Rondi-Reig et al. entworfene Star-Labyrinth (Abbildung 6) ist ein speziell entwickeltes Wasserlabyrinth, das die Unterscheidung von allozentrischen und egozentrischen Suchstrategien ermöglicht. Es handelt sich um ein kreisförmiges Wasserlabyrinth, das aus fünf Wasserkanälen besteht, die ein zentrales Fünfeck bilden, und fünf Wasserkanäle, die von diesem Fünfeck ausgehen. Die Wände des Labyrinths haben eine einheitliche Farbe, und das Wasser ist undurchsichtig. Das Ziel des Labyrinths ist es, die versteckte Plattform zu finden, um zu entkommen. Bei der Analyse der allozentrischen Navigation werden extra Labyrinth-Hinweise an den Wänden zur Verfügung gestellt. Der Aufbau dieses Labyrinths ermöglicht mehrere Protokolle, um allozentrische oder egozentrische Navigation zu testen. Das erste Protokoll, die „Version mit mehreren Strategien“, dient der Untersuchung der spontanen Navigationsstrategie, die von den Nagetieren angewendet wird. Das zweite Protokoll untersucht die egozentrische Navigation, indem es das Labyrinth so einrichtet, dass eine Abfolge von Richtungsbewegungen das Nagetier zur Fluchtplattform schickt. Das letzte Protokoll verlangt von den Nagetieren, dass sie die bereitgestellten räumlichen Hinweise nutzen, um von zufällig zugewiesenen Startpunkten zu entkommen. Dieses Labyrinth eignet sich hervorragend für die Untersuchung individueller Suchstrategien, und da es sich um ein Wasserlabyrinth handelt, sind Motivation und Chancengleichheit gewährleistet.