Allosentristen ja egosentristen hakustrategioiden erottamisen merkitys jyrsijöiden hippokampuksesta riippuvaisissa avaruusmuistiparadigmoissa: Getting More Out of Your Data

Spatiaalisen muistin ja navigoinnin paradigmat

Se on suuri valikoima käyttäytymistestejä sekä jyrsijöille että ihmisille, jotka mittaavat spatiaalista muistia ja navigointia . Yleensä jyrsijöiden avaruudellisen muistin testeissä käytetään sokkelolaitteita, joissa on tavoitealue, joka eläinten on löydettävä, opittava ja muistettava. Nämä päämäärät voivat olla positiivisia vahvistuksia, kuten ruokapalkintoja, pakenemista negatiivisilta ärsykkeiltä, kuten vedeltä tai kirkkaalta valolta, tai vaistomaisen käyttäytymisen, kuten tutkimushalun, tulosta. Ihmisten avaruudellisen muistin testaaminen sen sijaan suoritetaan useimmiten virtuaalitodellisuusasetelmissa, jotka luovat kontrolloituja kolmiulotteisia ympäristöjä, joissa tutkija yleensä selittää tutkittavalle tavoitteet. Viime aikoina on pyritty yhdistämään eläinkokeiden ja ihmiskokeiden näkökohtia, jotta testit olisivat samankaltaisempia ja siten helpommin siirrettävissä. Ihmisille on kehitetty virtuaalitodellisuusversioita jyrsijöiden testeistä, ja myös jyrsijöille tarkoitetut virtuaalitodellisuus- ja kosketusnäyttöasetelmat, jotka on kehitetty ihmisten vastaavista testeistä, ovat tulleet suosituiksi. Jyrsijöiden avaruudellisissa muistitehtävissä käytettävien allokeskeisten ja egosentristen viitekehysten ja hakustrategioiden erottaminen toisistaan vaihtelee testityypin mukaan. Jotkin tehtävät on suunniteltu niin, että ne kannustavat käyttämään yhtä strategiaa, joten suorituskyky kyseisessä tehtävässä heijastaa kyseisen viitekehyksen tärkeyttä. Toiset tehtävät voidaan suorittaa allokeskeisten ja egosentristen strategioiden yhdistelmällä, ja myöhempiä analyysejä tai koetestejä tarvitaan näiden viitekehysten puutteiden tai mieltymysten päättelemiseksi. Usein ei oteta huomioon sitä, minkä tyyppistä avaruudellista navigointia testataan, eikä näiden strategioiden erottamiseksi tarvittavia lisätoimia, vaikka tällaisten toimenpiteiden toteuttaminen on suhteellisen helppoa. Seuraavassa käsitellään suosittuja sokkelolaitteita, joita käytetään avaruudellisen muistin tutkimiseen, sekä erilaisia testejä, kontrolleja ja analyysejä, jotka voivat auttaa erottamaan egosentrisen ja allokeskeisen navigoinnin.

Avaruudellista muistia voidaan tutkia erilaisilla testeillä sokkeloissa, kuten Y-sokkelo, juustolautalabyrintti, Morrisin vesilabyrintti, Tähtilabyrintti, Barnesin labyrintti, säteittäisen käsivarren labyrintti ja T-sokkelo. Näissä sokkeloissa tutkitaan erilaisia avaruudellisen muistin osa-alueita, kuten pitkäaikaista, lyhytkestoista ja työmuistia sekä kognitiivista joustavuutta. Allokentrisia viitekehyksiä tutkivissa testeissä käytetään staattisia visuaalisia vihjeitä, joiden avulla jyrsijä voi kehittää kognitiivisen kartan. Proksimaaliset vihjeet pyritään minimoimaan ja luomaan avoimia, esteettömiä tiloja ei-allosentristen strategioiden välttämiseksi. Toisin on egosentrisissä tehtävissä, joissa visuaaliset vihjeet minimoidaan tai niistä tehdään epäolennaisia (virheellisiä tai satunnaisia). Tarkin tapa testata egosentrisiä strategioita on suorittaa testi pimeässä, jolloin varmistetaan sellaisten visuaalisten distaalisten vihjeiden poistaminen, joita voitaisiin käyttää allokeskeisiin strategioihin . Monet laitteet, joita käytetään egosentrisen navigoinnin tutkimiseen, rajoittavat liikkeet kapeisiin kanaviin tai käsivarsiin luodakseen erillisiä valintapisteitä, joissa egosentrisiä strategioita rohkaistaan .

T- labyrintti, joka on rakennettu isolla kirjoitetun ”T:n” muotoon (kuva 2A), on yksinkertainen laite, jota käytetään työskentely- ja lyhytkestoisen avaruudellisen muistin tutkimiseen. Labyrintin muodon vuoksi jyrsijällä on vain kaksi vaihtoehtoa, 90 asteen käännös vasemmalle tai oikealle, kun se lähtee lähtövarresta. T-labyrintti voi olla syöttämätön, syötillä varustettu tai siinä voidaan käyttää negatiivisia ärsykkeitä labyrintin tutkimiseen. Yleensä toinen varsi on oikea (tutkimaton, ruoka- tai vesipalkittu, pakoalustan sisältävä), ja se opitaan, jos muisti on ehjä. Sisäisiä ja ulkoisia visuaalisia vihjeitä voidaan käyttää navigointistrategian tutkimiseen. Lyhyesti sanottuna eläimiä voidaan kouluttaa sokkelon ulkopuolisten visuaalisten vihjeiden ja sokkelon sisäisen visuaalisen vihjeen avulla. Tavoitekäsi voidaan saavuttaa joko muistamalla kääntyä oikeaan suuntaan, liikkumalla kohti sokkelon sisäistä vihjettä tai väistämällä sitä tai liikkumalla oikealle alueelle suhteessa staattisiin ulkoisiin vihjeisiin. Tehtävän onnistuneen omaksumisen jälkeen eläimiä voidaan testata koekokeilla, joissa vihjeitä tai oikeaa kääntymissuuntaa vaihdetaan järjestelmällisesti niin, että ne ovat nyt virheellisiä. Rotilla osoitettiinkin olevan yleinen mieltymys suuntapohjaiseen strategiaan T-sokkelossa, mikä viittaa siihen, että tämä laite kannustaa egosentriseen navigointiin. Käyttämällä samanlaisia visuaalisia vihjeiden manipulointeja T-sokkelossa Alzheimerin tautiin liittyvää mutaatiota ilmentävillä siirtogeenisillä hiirillä osoitettiin olevan spesifisiä allokeskeisen paikan oppimisen puutteita ilman yleistä häiriötä oppimisessa ja muistissa, mikä korostaa näiden koetustestien sisällyttämisen tärkeyttä, kun se on mahdollista .

Y-sokkelo (kuva 2B) toimii pitkälti samalla tavalla kuin T-sokkelo; laite on kuitenkin suunniteltu Y-muotoiseksi, ja siinä on kolme samanarvoista vartta, jotka on sijoitettu 120 asteen päähän toisistaan. Syötteettömät testit ovat suosittuja tässä laitteessa, koska ne perustuvat eläimen luontaiseen mieltymykseen tutkia aiemmin tutkimattomia alueita. Lyhytkestoista muistia voidaan testata estämällä pääsy yhteen käsivarteen testin ensimmäisessä vaiheessa ja tarkkailemalla kyseisessä käsivarressa vietettyä aikaa toisessa vaiheessa, jossa kaikki kolme käsivartta ovat käytettävissä. Vaiheiden välillä on vaihteleva viive, jolla kontrolloidaan tehtävän lyhytkestoisen muistin kuormitusta. Tämä uuden käsivarren mieltymystehtävä on allokeskeisen avaruudellisen muistin testi, koska jyrsijät käyttävät sekä sokkelin sisäisiä että sen ulkopuolisia vihjeitä muistaakseen uuden käsivarren sijainnin. Työmuistia voidaan testata myös antamalla eläimen tutkia vapaasti kaikkia kolmea käsivartta ja tarkkailemalla, valitsevatko eläimet viimeksi tutkittua käsivartta vai menevätkö ne vuorotellen uudempaan käsivarteen – tätä kutsutaan spontaaniksi vuorotteluksi. Spontaania vuorottelua voidaan tutkia myös T-sokkelossa; koska Y-sokkelon käsivarret ovat kuitenkin samanarvoisia (ja niistä jokaisesta voi tulla uusi aloitusvarsi), vuorottelua voidaan mitata jatkuvasti ilman jatkuvaa tutkijan vuorovaikutusta. Protokollan muuttaminen siten, että siihen sisällytetään syötinvarret ja että proksimaalisten ja distaalisten vihjeiden käyttö sisällytetään tai poistetaan, mahdollistaa allokeskeisten ja egosentristen strategioiden tutkimisen.

Bielin vesilabyrintin kehitti William Biel, ja se on rakennettu useista T- labyrintteista, jotka yhdistyvät toisiinsa luodakseen labyrintin, jossa jyrsijöiden on suunnistettava ”aloituspaikalta” ”päämäärään” paetakseen labyrintistä. Labyrintti toimii näkyvässä valossa, eikä siinä anneta selviä distaalisia vihjeitä; lisäksi labyrintti on peitetty suurella säiliöllä, jotta sekä distaaliset että proksimaaliset vihjeet olisivat mahdollisimman vähän saatavilla. Egosentrisen navigoinnin mittaamiseen käytettäviä parametreja ovat virheet kokeiden välillä ja pakenemisen viive. Tämän labyrintin suunnittelussa ja vaikeustasossa oli kuitenkin rajoituksia, joista tärkein oli se, että sitä käytettiin näkyvässä valossa, mikä saattoi antaa distaalisia tai proksimaalisia vihjeitä yläpuolella olevasta laatikosta. Cincinnatin vesilabyrintti (CWM) on Bielin vesilabyrintin laajennus. Se on monimutkainen labyrinttimainen vesilabyrintti, joka koostuu yhdeksästä toisiinsa yhdistetystä T-labyrintistä (kuva 3). Koejyrsijän on päästävä paikasta A paikkaan B, ja sen selviytymisvaisto motivoi sitä poistumaan vedestä. Se on suunniteltu käyttämään egokeskeisiä hakustrategioita, jotka perustuvat sokkelon fyysisiin mittoihin ja rakenteeseen, joka luo yhdeksän valintakohtaa (Bielin vesilabyrintin kuuden sijasta) risteyksiin, joissa jyrsijöiden on käännyttävä vasemmalle tai oikealle. CWM on rakennettu akryylimateriaalista, joten seinät ovat sileät, eikä proksimaalisia vihjeitä ole saatavilla. Kanavien leveys varmistaa, että jyrsijä ei voi kiivetä labyrintin seiniä pitkin, ja testin suorittaminen pimeässä infrapunavalossa voi toimia kaksinkertaisena vakuutuksena visuaalisten vihjeiden käyttöä vastaan. Yleensä virheiden määrä, aloituspalautusten määrä ja pakenemisen viive ovat tärkeimmät parametrit, jotka raportoidaan tästä sokkelosta.

Säteittäinen käsivarsi labyrintti (RAM) koostuu keskeisestä pyöreästä alueesta, josta useat käsivarret säteilevät ulospäin. Jyrsijöiden avaruudellista muistia mitataan kyvyllä muistaa syötillä varustettujen käsivarsien sijainti käyttämällä silmiinpistäviä vihjeitä labyrinttihuoneen ympärillä (allokeskeinen) tai egosentriseen keskittyvällä paradigmalla, jossa käytetään pakotettua käsivarteen pääsyä. Seuraavassa on esimerkki egosentrisestä paradigmasta, jossa käytetään RAM-muistia. Tässä tapauksessa sokkelossa on automaattiset ovet, jotka avautuvat ja sulkeutuvat, jotta eläin pääsee sisään. Eläin aloittaa yhdestä haarasta, ja kun koe alkaa, kaksi aloitushaaran viereistä haaraa avataan Y-muodon rakentamiseksi. Toisen käsivarren päässä on ruokapalkinto, joka on määritelty kullekin hiirelle joko vasemmalle tai oikealle. Eläimen syöttämästä labyrinttihaarasta tulee uusi aloitushaara, johon eläin on rajoitettu kokeiden välisen ajan. Intertrial-välin jälkeen avataan kaksi uuden aloitushaaran viereistä haaraa, ja oikea suunta (vasen tai oikea) korjataan ruokapalkinnolla. Koe jatkuu tällä tavalla ja vaatii eläintä navigoimaan sokkelossa suhteessa omaan sijaintiinsa. Rajoittamalla pääsyn vain kolmeen käsivarteen (alkuperäisen aloitusvarsin lisäksi) kerrallaan varmistetaan, että eläin ei käytä ei-egosentristä strategiaa. Jos esimerkiksi kaikki RAM-varret olisivat käytettävissä, eläin voisi käyttää sarjastrategiaa, jossa se menisi jokaiseen varteen peräkkäin löytääkseen ruokapalkinnon. RAM-muistia varten raportoidaan mittauksia, kuten virheiden lukumäärä ja ensimmäisen virheen sijoitus, jotka osoittavat muistin suorituskyvyn. Vaikka RAM-muistia voidaan käyttää sekä egosentristen että allokeskeisten hakustrategioiden tutkimiseen, kädettömästä Morrisin vesilabyrintistä tuli allokeskeisen testauksen standardi, jossa avoin läpinäkymätön vesi toimii maskina sekä valintakohteille, joiden avulla opitaan asetetun sarjan opettelu, että hajulle. Toisin kuin egosentristen testien aseistetut mallit, sokkelit, jotka kohdistuvat allokeskeisiin tilastrategioihin, suunnitellaan avoimiksi ja vapaiksi sokkelin sisäisistä esineistä/reunoista, jotka voivat toimia valintapisteinä.

Barnesin sokkelo perustuu jyrsijöiden mieltymykseen pimeisiin, suljettuihin tiloihin. Se on avoin ympyränmuotoinen sokkelo, jossa on reikiä ympärillä (kuva 4). Yhden näistä rei’istä alapuolella on maalilaatikko, joka tarjoaa jyrsijälle pienen suljetun tilan. Testauksen aikana labyrintti on valaistu kirkkailla valoilla, äänillä ja/tai ilmasuihkuilla, jotka motivoivat löytämään maalin. Jyrsijän navigoinnin helpottamiseksi huoneen ympärillä on kaukaisia vihjeitä. Virheiden määrä, pakenemisen viive ja hakustrategiat ilmoitetaan yleisesti avaruudellisen muistin suorituskyvyn mittareina. Visuaalisten vihjeiden manipulointi Barnesin sokkelossa osoittaa, että distaaliset vihjeet ovat näkyvämpiä kuin proksimaaliset vihjeet, ja eläimillä, jotka on koulutettu ilman distaalisia vihjeitä (joissa on merkintä maalin kohdalla), suorituskyky on heikentynyt. Näin ollen tällä tehtävällä on taipumus kannustaa allokeskeisiin strategioihin.

Morrisin vesilabyrintti (MWM)on ollut olennainen osa neurotieteellistä tutkimusta kultaisena standardina testattaessa avaruudellista muistia jyrsijöillä sen käyttöönotosta lähtien (Morris et al. ). MWM:ssä käytetään suurta, pyöreää allasta, jossa on läpinäkymätöntä vettä ja piilotettu pakoalusta (kuva 5A). Sokkelon ympärille on sijoitettu useita distaalisia vihjeitä, jotka auttavat jyrsijää pääsemään piilotetulle alustalle, jota se käyttää paetakseen. Useimmat protokollat suoritetaan useiden päivien aikana, ja kokeita tehdään useita päivässä, ja vaikka piilotetun alustan sijainti pysyy samana, tutkimuseläimen lähtöasentoa muutetaan usein egosentristen strategioiden minimoimiseksi. Jos aloituspaikka pidetään kuitenkin samana ja testi suoritetaan pimeässä ilman ulkoisia vihjeitä, jyrsijät voivat suorittaa MWM:n egosentrisen strategian avulla. Harjoittelun jälkeen pakoalusta poistetaan ja vertailumuisti testataan. Eläinten odotetaan viettävän enemmän aikaa siinä kvadrantissa, jossa tavoite oli aiemmin. Maalin sijaintia voidaan myös muuttaa käänteisoppimisen ja kognitiivisen joustavuuden tutkimiseksi. Jyrsijän tärkein motivaatio sokkelossa liikkumiseen on paeta vedestä. MWM:n tärkein etu allokentristen hakustrategioiden testaamisessa on sokkelon sisäisten visuaalisten ja hajuvihjeiden poistaminen läpinäkymättömän veden avulla. Kaikkien saatavilla olevien hajuvihjeiden peittäminen on välttämätöntä, koska jyrsijöillä on voimakas hajuaisti ja koska ne käyttävät hajuaistia navigoinnissaan. MWM:n vesi voi kuitenkin olla myös haitta, erityisesti hiirillä työskenneltäessä, koska ne eivät luonnossa ole luontaisia uimareita ja stressaantuvat vedessä .

Juustolautalabyrintti (CBM) (kuva 5B) on kuiva versio MWM:stä, ja se on samalla tavalla pitkäaikaisen avaruudellisen muistin testi sekä kognitiivisen joustavuuden mittari. CBM on yhtenäinen ympyränmuotoinen areena, jossa on syötteillä varustettuja kaivoja. Kuopat lähtevät säteittäisinä linjoina tasaisesti laudan keskeltä. Tilalliset vihjeet on sijoitettu CBM:n ympärille. Jyrsijöiltä viedään ruoka kokeen ajaksi, jotta ne motivoituisivat löytämään ruokapalkinnon. Syötetyn kaivon sijainti on erilainen jokaisella eläimellä, ja se pidetään vakiona eri kokeissa ja päivinä kunkin yksittäisen hiiren kohdalla. Eläinten pitäisi oppia käyttämään labyrintin ympärille sijoitettuja avaruudellisia vihjeitä löytääkseen syötillä varustetun kaivon keskellä olevalta lähtöalueelta saadakseen palkkion, ja niiden odotetaan käyttävän allokeskeisiä hakustrategioita. Tavoitepaikan saavuttamisen jälkeen ruokapalkkion sijainti muuttuu, ja eläimen on tällöin omaksuttava uusi oppimisstrategia (käänteinen strategia). Tämä on kognitiivisen joustavuuden mittari, jolla testataan eläimen kykyä jättää huomiotta palkkion alkuperäinen sijainti ja oppia toisen palkkion uusi sijainti. Verrattuna MWM:ään, joka perustuu selviytymismotivaatioon, CBM:ssä käytetään nälkämotivaatiota. Molemmissa tehtävissä käytetään etäisiä vihjeitä, jotka ohjaavat hiiren päämääräänsä, olipa se sitten MWM:ssä alusta tai CBM:ssä ruokapalkinto. Nämä erilaiset motiivit voivat vaikuttaa jyrsijöiden kognitiiviseen prosessointiin. MWM:ää on kritisoitu kohtuuttoman stressaavaksi, sillä koe-eläin joutuu käyttämään välttämisoppimista. Vaikka ruoan puute voi aiheuttaa samanlaista stressiä, CBM sisältää positiivisen vahvistuksen ruokapalkkion kautta. On esitetty väitteitä siitä, että positiivinen vahvistus ei ehkä riitä kannustamaan koe-eläimiä oppimaan verrattuna MWM:n kaltaiseen testiin, jossa kielteisiä seurauksia on vältettävä. Voi olla, että kumpikin testi tarjoaa erilaisen näkökulman kognition tutkimiseen. Paniikkimainen stressi voi olla haitallista tehokkaalle oppimiselle tai voimakkaammalle draiville verrattuna ruoan riistoon. MWM:n tärkein etu allokeskeisten ja egosentristen strategioiden selvittämisessä on se, että se on puhtaampi allokeskeinen sokkelo. MWM:ssä läpinäkymättömän veden käyttö, jonka läpi jyrsijöiden on uitava, minimoi valintapisteiden ja hajuvihjeiden saatavuuden. Vertailun vuoksi CBM on sokkelo, jossa jyrsijöiden on navigoitava distaalisten vihjeiden lisäksi myös kaivojen ympäri. Näin ollen jyrsijät voivat sisällyttää nämä kaivot navigointistrategiaansa, mitä ei voida tehdä MWM:ssä. Tämä voisi tarjota jyrsijöille mahdollisuuden käyttää muita kuin allokeskeisiä strategioita, kuten sarjastrategiaa. Tätä kysymystä mainittujen egosentristen ja allokeskeisten hakustrategioiden havaitsemisesta käsitellään tarkemmin seuraavassa jaksossa.

Rondi-Reig et al. suunnittelema Star labyrintti (kuva 6) on tarkoitusta varten rakennettu vesilabyrintti, joka mahdollistaa allokeskeisten ja egosentristen hakustrategioiden erottamisen. Se on pyöreä vesilabyrintti, joka koostuu viidestä vesikanavasta, jotka muodostavat keskimmäisen viisikulmion, ja viisi vesikanavaa lähtee säteittäisesti tästä viisikulmiosta. Sokkelon seinillä on yhtenäinen väri, ja vesi on tehty läpinäkymättömäksi. Sokkelon tavoitteena on löytää piilotettu alusta, josta pääsee pakoon. Seinillä olevat sokkelon ulkopuoliset vihjeet ovat käytettävissä analysoitaessa allokeskeistä navigointia. Tämän sokkelon kokoonpano mahdollistaa useita protokollia, joilla voidaan testata allokeskeistä tai egokeskeistä navigointia. Ensimmäinen protokolla, ”useita strategioita sisältävä versio”, on laadittu jyrsijän käyttämän spontaanin navigointistrategian tutkimiseksi. Toisessa protokollassa tutkitaan egosentristä navigointia asettamalla labyrintti siten, että jyrsijä pääsee pakoalustalle suunnattujen liikkeiden avulla. Viimeisessä protokollassa jyrsijöiden on käytettävä annettuja avaruudellisia vihjeitä paetakseen satunnaisesti määrätyistä lähtöpisteistä. Tämä sokkelo on loistava asetelma, koska se mahdollistaa yksilöllisten hakustrategioiden selvittämisen, ja koska kyseessä on vesilabyrintti, se kontrolloi yhtäläistä motivaatiota ja mahdollisuuksia .