L’importance de distinguer les stratégies de recherche allocentriques et égocentriques dans les paradigmes de mémoire spatiale dépendants de l’hippocampe des rongeurs : Getting More Out of Your Data

Paradigmes de mémoire spatiale et de navigation

Il existe une grande variété de tests comportementaux pour les rongeurs et les humains qui fournissent une mesure de la mémoire spatiale et de la navigation . Généralement, les tests de mémoire spatiale des rongeurs utilisent des appareils de labyrinthe qui ont une zone de but que les animaux doivent trouver, apprendre et se rappeler. Ces objectifs peuvent être des renforcements positifs tels que des récompenses alimentaires, des échappatoires à des stimuli négatifs tels que l’eau ou la lumière vive, ou le résultat d’un comportement instinctif tel que la pulsion exploratoire. Les tests de mémoire spatiale humaine, quant à eux, sont principalement réalisés sur des installations de réalité virtuelle qui créent des environnements tridimensionnels contrôlés, les objectifs étant généralement expliqués au sujet par le chercheur. Plus récemment, des mesures ont été prises pour combiner des aspects des tests sur l’animal et sur l’homme afin d’accroître la similarité et donc la transférabilité de ces tests. Des versions en réalité virtuelle de tests sur les rongeurs ont été développées pour les humains, et des configurations en réalité virtuelle et à écran tactile pour les rongeurs, développées à partir d’équivalents humains, sont également devenues populaires. La distinction des cadres de référence allocentriques et égocentriques et des stratégies de recherche utilisées dans les tâches de mémoire spatiale pour les rongeurs diffère selon le type de test. Certaines tâches sont conçues pour encourager l’emploi d’une seule stratégie, et les performances dans cette tâche reflètent donc l’importance de ce cadre de référence particulier. D’autres tâches peuvent être accomplies avec une combinaison de stratégies allocentriques et égocentriques, et une analyse ultérieure ou des tests de sonde sont nécessaires pour déduire les déficits ou les préférences dans ces cadres de référence. On néglige souvent de prendre en compte les types de navigation spatiale testés et les étapes supplémentaires pour dissocier ces stratégies, malgré la relative facilité de mise en œuvre de ces mesures. Nous abordons ci-dessous les appareils de labyrinthes populaires utilisés pour étudier la mémoire spatiale et divers tests, contrôles et analyses qui peuvent aider à distinguer la navigation égocentrique et allocentrique.

La mémoire spatiale peut être étudiée par le biais d’une variété de tests sur des labyrinthes tels que le labyrinthe en Y, le labyrinthe en damier, le labyrinthe aquatique de Morris, le labyrinthe en étoile, le labyrinthe de Barnes, le labyrinthe à bras radiaux et le labyrinthe en T. Ces labyrinthes permettent d’étudier un éventail de mémoires spatiales, notamment la mémoire à long terme, à court terme et de travail, ainsi que la flexibilité cognitive. Les tests qui sondent les cadres de référence allocentriques comprennent l’utilisation de repères visuels statiques que le rongeur peut utiliser pour développer une carte cognitive. On s’efforce de minimiser les repères proximaux et de créer des espaces ouverts et sans obstacles pour éviter les stratégies non allocentriques. L’inverse est vrai pour les tâches égocentriques où les repères visuels sont minimisés ou rendus non pertinents (incorrects ou aléatoires). La façon la plus précise de tester les stratégies égocentriques est d’effectuer un test dans l’obscurité, ce qui garantit la suppression des repères visuels distaux qui pourraient être utilisés pour des stratégies allocentriques. De nombreux appareils utilisés pour étudier la navigation égocentrique limitent les mouvements à des canaux ou des bras étroits pour créer des points de choix distincts où les stratégies égocentriques sont encouragées.

Construit en forme de « T » majuscule, le labyrinthe en T(figure 2A) est un appareil simple utilisé pour sonder la mémoire spatiale de travail et à court terme. En raison de la forme du labyrinthe, seules deux options, un virage de 90 degrés à gauche ou à droite, s’offrent au rongeur lorsqu’il quitte le bras de départ. Le labyrinthe en T peut être non appâté, appâté ou utiliser des stimuli négatifs pour stimuler l’exploration du labyrinthe. En général, l’un des bras est correct (inexploré, récompensé par de la nourriture ou de l’eau, contenant une plateforme de fuite) et est appris en présence d’une mémoire intacte. Des repères visuels internes et externes peuvent être utilisés pour sonder la stratégie de navigation. En bref, les animaux peuvent être entraînés en présence de repères visuels externes au labyrinthe et d’un repère visuel interne au labyrinthe. Pour atteindre le bras cible, il faut se souvenir de tourner dans la bonne direction, de se diriger vers le repère intra-labyrinthe ou de l’éviter, ou encore de se déplacer dans la bonne zone par rapport aux repères externes statiques. Après avoir réussi à acquérir la tâche, les animaux peuvent être testés lors d’essais d’exploration qui consistent à changer systématiquement les indices ou la direction correcte de la rotation de manière à ce qu’ils soient désormais incorrects. En effet, il a été démontré que les rats ont une préférence globale pour une stratégie basée sur la direction dans le labyrinthe en T, ce qui suggère que cet appareil encourage la navigation égocentrique. En utilisant des manipulations d’indices visuels similaires sur le labyrinthe en T, on a montré que des souris transgéniques exprimant une mutation liée à la maladie d’Alzheimer présentaient des déficits spécifiques d’apprentissage allocentrique des lieux en l’absence d’une perturbation générale de l’apprentissage et de la mémoire, soulignant l’importance d’inclure ces tests de sonde lorsque cela est possible .

Le labyrinthe en Y(figure 2B) fonctionne à peu près de la même manière qu’un labyrinthe en T ; cependant, l’appareil est conçu en forme de Y avec trois bras égaux à 120 degrés les uns des autres. Les tests sans appât sont populaires sur cet appareil, car ils reposent sur la préférence innée de l’animal pour l’exploration de zones précédemment inexplorées. La mémoire à court terme peut être testée en bloquant l’accès à l’un des bras dans la première phase du test et en observant le temps passé dans ce bras dans la deuxième phase où les trois bras sont accessibles. Il y a un délai variable entre les phases pour contrôler la charge de la mémoire à court terme de la tâche. Cette tâche de préférence pour le nouveau bras est un test de la mémoire spatiale allocentrique, car les rongeurs utilisent des indices intra et extra du labyrinthe pour se souvenir de l’emplacement du nouveau bras. La mémoire de travail peut également être testée en laissant l’animal explorer librement les trois bras et en observant s’il choisit d’entrer dans le bras le plus récemment exploré ou s’il alterne et entre dans le bras le plus nouveau – c’est ce qu’on appelle l’alternance spontanée. L’alternance spontanée peut également être étudiée sur le labyrinthe en T ; cependant, comme les bras du labyrinthe en Y sont égaux (et peuvent chacun devenir un nouveau bras de départ), l’alternance peut être mesurée en continu sans interaction constante avec l’investigateur. La modification du protocole pour inclure des bras appâtés et inclure ou supprimer l’utilisation de signaux proximaux et distaux permet d’étudier les stratégies allocentriques et égocentriques.

Le labyrinthe aquatique de Biel a été mis au point par William Biel et est constitué de plusieurs labyrinthes en T qui s’interconnectent pour créer un labyrinthe dans lequel les rongeurs doivent naviguer du  » Départ  » au  » But  » pour s’échapper du labyrinthe. Le labyrinthe se déroule à la lumière visible et aucun repère distal explicite n’est fourni. En outre, le labyrinthe est recouvert d’un grand récipient afin de minimiser l’accès aux repères distaux et proximaux. Les paramètres utilisés pour mesurer la navigation égocentrique comprennent les erreurs entre les essais et la latence de fuite. Toutefois, ce labyrinthe présente des limites en termes de conception et de niveau de difficulté, la plus importante étant qu’il est exécuté en lumière visible, ce qui peut fournir des indices distaux ou proximaux à partir de la boîte située au-dessus. Le labyrinthe aquatique de Cincinnati (CWM) est une extension du labyrinthe aquatique de Bienne. Il s’agit d’un labyrinthe aquatique complexe composé de neuf labyrinthes en T interconnectés (figure 3). Un rongeur expérimental doit se rendre de la position A à la position B et est motivé par son instinct de survie pour quitter l’eau. Il est conçu pour employer des stratégies de recherche égocentrique en raison des dimensions physiques et de la conception du labyrinthe qui crée neuf points de choix (au lieu de six dans le labyrinthe aquatique de Bienne) aux intersections où les rongeurs doivent tourner à gauche ou à droite. Le CWM est construit à l’aide d’un matériau acrylique afin que les parois soient lisses et qu’aucun indice proximal ne soit disponible. La largeur des canaux garantit que le rongeur ne peut pas escalader les parois du labyrinthe, et le fait de réaliser le test dans l’obscurité sous une lumière infrarouge peut constituer une double assurance contre l’utilisation de repères visuels . En général, le nombre d’erreurs, le nombre de retours de départ et la latence pour s’échapper sont les principaux paramètres rapportés pour ce labyrinthe.

Le labyrinthe à bras radial(RAM) consiste en une zone circulaire centrale à partir de laquelle de multiples bras rayonnent vers l’extérieur. La mémoire spatiale des rongeurs est mesurée par la capacité à se souvenir de l’emplacement des bras appâtés grâce à l’utilisation d’indices saillants autour de la pièce du labyrinthe (allocentrique) ou d’un paradigme axé sur l’égocentrisme qui emploie l’entrée forcée des bras. Voici un exemple de paradigme égocentrique utilisant le RAM. Dans ce cas, le labyrinthe est équipé de portes automatiques qui s’ouvrent et se ferment pour permettre l’entrée de l’animal. L’animal commence dans un bras, et une fois l’expérience commencée, deux bras adjacents au bras de départ sont ouverts pour construire une forme en Y. Il y aura une récompense alimentaire à la fin du parcours. Il y aura une récompense alimentaire à l’extrémité d’un bras, déterminée pour chaque souris comme étant à gauche ou à droite. Le bras du labyrinthe dans lequel l’animal est entré devient le nouveau bras de départ, dans lequel l’animal est limité pendant l’intervalle entre les essais. Après un intervalle intertrial, deux bras adjacents au nouveau bras de départ sont ouverts, la direction du bras (gauche ou droite) étant corrigée par une récompense alimentaire. L’expérience se poursuit de cette manière et demande à l’animal de naviguer dans le labyrinthe en se référant à sa propre position . En limitant l’accès à seulement trois bras (en plus du bras de départ initial) à la fois, cela permet d’éviter que l’animal utilise une stratégie non égocentrique. Par exemple, si tous les bras du RAM étaient disponibles, l’animal pourrait utiliser la stratégie sérielle consistant à entrer dans chaque bras de manière séquentielle afin de trouver la récompense alimentaire. Pour le RAM, des mesures telles que le nombre d’erreurs et le rang de la première erreur sont rapportées pour indiquer la performance de la mémoire. Alors que le RAM peut être utilisé pour étudier les stratégies de recherche égocentriques et allocentriques, le labyrinthe aquatique de Morris sans bras est devenu la norme pour les tests allocentriques, l’eau ouverte et opaque servant de masque à la fois pour les points de choix permettant d’apprendre une séquence donnée et pour l’olfaction. Contrairement aux conceptions armées des tests égocentriques, les labyrinthes qui ciblent les stratégies spatiales allocentriques sont conçus pour être ouverts et exempts d’objets/de bords intra-labyrinthes qui peuvent agir comme des points de choix.

Le labyrinthe de Barnes est basé sur la préférence des rongeurs pour les espaces sombres et fermés. Il s’agit d’un labyrinthe circulaire ouvert avec des trous autour du périmètre (figure 4). Sous l’un de ces trous se trouve le but de la « boîte cible », qui offre un petit espace clos au rongeur. Pendant le test, le labyrinthe est inondé de lumières vives, de sons et/ou de jets d’air afin de motiver le rongeur à trouver le but. Des indices distaux sont fournis autour de la pièce pour aider le rongeur à s’orienter. Le nombre d’erreurs, la latence d’évasion et les stratégies de recherche sont couramment rapportés comme mesure de la performance de la mémoire spatiale. La manipulation d’indices visuels dans le labyrinthe de Barnes montre que les indices distaux sont plus saillants que les indices proximaux, les animaux entraînés sans indices distaux (avec un marqueur à l’emplacement du but) présentant des performances moindres. Ainsi, cette tâche tend à encourager les stratégies allocentriques.

Le labyrinthe aquatique de Morris (MWM)fait partie intégrante de la recherche en neurosciences en tant qu’étalon-or pour tester la mémoire spatiale chez les rongeurs depuis son introduction (Morris et al. ). Le MWM utilise un grand bassin circulaire avec de l’eau opaque et une plate-forme d’évasion cachée (figure 5A). De multiples repères distaux sont placés autour du labyrinthe pour aider le rongeur à atteindre la plateforme cachée qu’il utilise pour s’échapper. La plupart des protocoles sont réalisés sur plusieurs jours, avec plusieurs essais par jour, et si la position de la plate-forme cachée reste la même, la position de départ de l’animal de recherche est souvent modifiée pour minimiser les stratégies égocentriques. Cependant, si la position de départ reste la même et que le test est effectué dans l’obscurité sans repères externes, les rongeurs peuvent effectuer le MWM en utilisant une stratégie égocentrique. Après l’entraînement, la plateforme d’évasion est retirée et la mémoire de référence est testée. Les animaux sont censés passer plus de temps dans le quadrant où se trouvait précédemment le but. L’emplacement du but peut également être modifié pour étudier l’apprentissage par inversion et la flexibilité cognitive. La principale motivation du rongeur pour parcourir le labyrinthe est d’échapper à l’eau. Le principal avantage du MWM pour tester les stratégies de recherche allocentriques est la suppression des indices visuels et olfactifs à l’intérieur du labyrinthe grâce à l’utilisation d’une eau opaque. En effet, le masquage de tous les indices olfactifs disponibles est impératif en raison du puissant sens de l’odorat des rongeurs et de l’utilisation de l’olfaction dans leur navigation. Cependant, l’eau dans le MWM peut également être un inconvénient, en particulier lorsque l’on travaille avec des souris car elles ne sont pas des nageurs naturels dans la nature et deviennent stressées dans l’eau .

Le labyrinthe en planche à fromage (CBM)(Figure 5B) est une version sèche du MWM et constitue de la même façon un test de mémoire spatiale à long terme ainsi qu’une mesure de la flexibilité cognitive. Le CBM est une arène circulaire uniforme avec des puits qui peuvent être appâtés. Les puits rayonnent en lignes régulières à partir du centre du plateau. Des repères spatiaux sont placés autour de la MBC. Les rongeurs sont privés de nourriture pendant toute la durée de l’expérience afin de les motiver à trouver la récompense alimentaire. L’emplacement du puits appâté est différent pour chaque animal et reste constant au fil des essais et des jours pour chaque souris. Les animaux doivent apprendre à utiliser les repères spatiaux placés autour du labyrinthe pour trouver le puits appâté à partir de la zone de départ au centre pour recevoir la récompense et sont censés utiliser des stratégies de recherche allocentriques. Après l’acquisition de l’emplacement du but, l’emplacement de la récompense alimentaire est modifié, et l’animal doit alors adopter une nouvelle stratégie d’apprentissage (inversion). Il s’agit d’une mesure de la flexibilité cognitive qui teste la capacité de l’animal à ignorer la position initiale de la récompense et à apprendre le nouvel emplacement de la seconde récompense. Par rapport à la MWM qui s’appuie sur la motivation de survie, la CBM s’appuie sur la motivation de faim. Les deux tâches font appel à des indices distaux pour guider la souris vers son objectif, qu’il s’agisse de la plateforme de la MWM ou de la récompense alimentaire de la CBM. Ces différentes motivations pourraient influencer le traitement cognitif des rongeurs. Le MWM a été critiqué comme étant indûment stressant, l’animal de recherche devant faire un apprentissage d’évitement. La MDC, bien que la privation de nourriture puisse provoquer un stress similaire, implique un renforcement positif par le biais de la récompense alimentaire. D’aucuns estiment que le renforcement positif n’est peut-être pas suffisant pour encourager les animaux de recherche à apprendre, par rapport à un test tel que le MWM où les conséquences négatives doivent être évitées. Il se peut que chaque test offre un angle différent pour l’étude de la cognition. Le stress lié à la panique peut nuire à un apprentissage efficace ou à une pulsion plus forte par rapport à la privation de nourriture. Le principal avantage du MWM en termes d’identification des stratégies allocentriques et égocentriques est qu’il s’agit d’un labyrinthe allocentrique plus propre. Dans le MWM, l’utilisation d’une eau opaque dans laquelle les rongeurs doivent nager minimise la disponibilité des points de choix et des signaux olfactifs. En comparaison, le MBC est un labyrinthe qui exige des rongeurs qu’ils naviguent non seulement à l’aide des repères distaux mais aussi autour des puits. Par conséquent, les rongeurs peuvent intégrer ces puits dans leur stratégie de navigation, ce qui n’est pas possible dans le MBC. Cela pourrait donner l’occasion aux rongeurs d’employer des stratégies non allocentriques, comme la stratégie sérielle. Cette question de la détection desdites stratégies de recherche égocentriques par rapport aux stratégies de recherche allocentriques est discutée plus en détail dans la section suivante.

Le labyrinthe Star(Figure 6), conçu par Rondi-Reig et al, est un labyrinthe aquatique spécialement conçu pour permettre la distinction des stratégies de recherche allocentriques et égocentriques. Il s’agit d’un labyrinthe aquatique circulaire composé de cinq canaux d’eau qui forment un pentagone central, et de cinq canaux d’eau qui rayonnent à partir de ce pentagone. Les parois du labyrinthe ont une couleur uniforme et l’eau est rendue opaque. Le but du labyrinthe est de trouver la plate-forme cachée afin de s’échapper. Les indices extra-labyrinthiques sur les murs sont rendus disponibles lors de l’analyse de la navigation allocentrique. La configuration de ce labyrinthe permet d’appliquer plusieurs protocoles pour tester la navigation allocentrique ou égocentrique. Le premier protocole, « la version à stratégies multiples », est mis en place pour étudier la stratégie de navigation spontanée employée par le rongeur. Le deuxième protocole étudie la navigation égocentrique en configurant le labyrinthe de manière à ce qu’une séquence de mouvements de direction envoie le rongeur vers la plate-forme de fuite. Le dernier protocole demande aux rongeurs d’utiliser les repères spatiaux fournis afin de s’échapper de points de départ attribués au hasard. Ce labyrinthe est une excellente configuration car il permet l’élucidation des stratégies de recherche individuelles, et étant donné qu’il s’agit d’un labyrinthe d’eau, il contrôle l’égalité de motivation et d’opportunité.