Het belang van het onderscheiden van allocentrische en egocentrische zoekstrategieën in hippocampus-afhankelijke ruimtelijke geheugenparadigma’s van knaagdieren: Getting More Out of Your Data

Ruimtelijk geheugen en navigatieparadigma’s

Er bestaat een grote verscheidenheid aan gedragstests voor zowel knaagdieren als mensen die een maat geven van ruimtelijk geheugen en navigatie. In het algemeen maken knaagdieren bij tests voor ruimtelijk geheugen gebruik van doolhofapparaten die een doelgebied hebben dat de dieren moeten vinden, leren en onthouden. Deze doelen kunnen positieve bekrachtigingen zijn zoals voedselbeloningen, ontsnappingen aan negatieve stimuli zoals water of fel licht, of een resultaat van instinctief gedrag zoals exploratiedrang. Testen van het menselijk ruimtelijk geheugen worden daarentegen meestal uitgevoerd in virtuele realiteitsopstellingen die gecontroleerde driedimensionale omgevingen creëren, waarbij de doelstellingen gewoonlijk door de onderzoeker aan de proefpersoon worden uitgelegd. Meer recentelijk zijn er stappen ondernomen om aspecten van zowel dierproeven als tests bij mensen te combineren om de gelijkenis en daarmee de vertaalbaarheid van deze tests te vergroten. Virtual reality-versies van knaagdiertests zijn ontwikkeld voor mensen, en virtual reality- en touchscreen-opstellingen voor knaagdieren die zijn ontwikkeld op basis van menselijke equivalenten zijn ook populair geworden. Het onderscheid tussen allocentric en egocentric referentiekaders en zoekstrategieën gebruikt in ruimtelijk geheugen taken voor knaagdieren verschilt afhankelijk van het type van de test. Sommige taken zijn ontworpen om het gebruik van één enkele strategie aan te moedigen, en dus is de prestatie in die taak een weerspiegeling van de belangrijkheid van dat specifieke referentiekader. Andere taken kunnen worden voltooid met een combinatie van allocentrische en egocentrische strategieën, en latere analyse of sonde testen zijn nodig om tekorten of voorkeuren in deze referentiekaders af te leiden. Overwegen welke soorten ruimtelijke navigatie worden getest, en extra stappen om deze strategieën te scheiden worden vaak over het hoofd gezien, ondanks het relatieve gemak van het implementeren van dergelijke maatregelen. Hieronder bespreken we populaire doolhof apparaten die worden gebruikt om ruimtelijk geheugen te onderzoeken en verschillende tests, controles en analyses die kunnen helpen egocentrische en allocentrische navigatie te onderscheiden.

Ruimtelijk geheugen kan worden onderzocht door middel van een verscheidenheid aan tests op doolhoven, zoals de Y-maze, kaasplank doolhof, Morris water doolhof, Star doolhof, Barnes doolhof, radiale arm doolhof en T-maze. Deze doolhoven omvatten onderzoek van een scala van ruimtelijk geheugen, met inbegrip van lange-termijn-, korte-termijn- en werkgeheugen, alsmede cognitieve flexibiliteit. Tests waarbij allocentrische referentiekaders worden onderzocht, omvatten het gebruik van statische visuele signalen die het knaagdier kan gebruiken om een cognitieve kaart te ontwikkelen. Er worden inspanningen geleverd om proximale signalen tot een minimum te beperken en open, onbelemmerde ruimten te creëren om niet-allocentrische strategieën te vermijden. Het omgekeerde geldt voor egocentrische taken, waarbij visuele signalen worden geminimaliseerd of irrelevant worden gemaakt (onjuist of willekeurig). De meest nauwkeurige manier om egocentrische strategieën te testen is door een test in het donker uit te voeren, waardoor visuele signalen die gebruikt zouden kunnen worden voor allococentrische strategieën worden weggenomen. Veel apparaten die worden gebruikt om egocentrische navigatie te onderzoeken beperken bewegingen tot smalle kanalen of armen om duidelijke keuze punten te creëren waar egocentrische strategieën worden aangemoedigd.

Geconstrueerd in de vorm van een hoofdletter ‘T’, de T-maze (figuur 2A) is een eenvoudig apparaat dat wordt gebruikt om het werk en korte-termijn ruimtelijk geheugen te peilen. Door de vorm van het doolhof, slechts twee opties, een 90-graden links of rechts bochten, zijn beschikbaar voor het knaagdier bij het verlaten van de start arm. Het T-doolhof kan zonder aas zijn, met aas of met negatieve stimuli om de verkenning van het doolhof te stimuleren. In het algemeen is één van de armen correct (onontdekt, beloond met voedsel/water, met een ontsnappingsplatform) en wordt dit geleerd in aanwezigheid van een intact geheugen. Interne en externe visuele signalen kunnen worden gebruikt om de navigatiestrategie te peilen. Kortom, dieren kunnen worden getraind met de aanwezigheid van extra-maze visuele cues en een intra-maze visuele cue. Het bereiken van de doelarm kan worden bereikt door te onthouden in de juiste richting te draaien, naar de intra-maze cue te bewegen of deze te vermijden, of naar het juiste gebied te bewegen in relatie tot de statische externe cues. Nadat de dieren zich de taak met succes hebben eigen gemaakt, kunnen zij worden getest met sondeerproeven, waarbij de signalen of de juiste draairichting systematisch worden verwisseld, zodat zij nu onjuist zijn. Ratten bleken inderdaad een algemene voorkeur te hebben voor een richting-gebaseerde strategie op de T-maze, wat suggereert dat dit apparaat egocentrische navigatie aanmoedigt. Met behulp van soortgelijke visuele cue manipulaties op de T-maze, werd aangetoond dat transgene muizen die een aan de ziekte van Alzheimer gerelateerde mutatie tot expressie brengen, specifieke allocentrische tekorten vertonen bij het leren van plaatsen in afwezigheid van een algemene verstoring van leren en geheugen, wat het belang onderstreept van het opnemen van deze sonde-tests wanneer mogelijk.

De Y-maze (figuur 2B) werkt grotendeels op dezelfde manier als een T-maze; het apparaat is echter ontworpen in een Y-vorm met drie gelijke armen op 120 graden van elkaar. Unbaited tests zijn populair op dit apparaat, vertrouwend op aangeboren voorkeur van het dier om eerder onontgonnen gebieden te verkennen. Het kortetermijngeheugen kan worden getest door in de eerste fase van de test de toegang tot één van de armen te blokkeren en in de tweede fase, waarin alle drie de armen toegankelijk zijn, te kijken hoeveel tijd in die arm wordt doorgebracht. Er is een variabele vertraging tussen de fasen om de belasting van het kortetermijngeheugen van de taak te controleren. Deze nieuwe arm voorkeurstaak is een test voor het allocentrisch ruimtelijk geheugen, aangezien knaagdieren zowel intra- als extra-mazige signalen gebruiken om zich de plaats van de nieuwe arm te herinneren. Werkgeheugen kan ook worden getest door het dier vrijelijk alle drie de armen te laten verkennen en te observeren of ze ervoor kiezen de meest recent verkende arm te betreden of dat ze afwisselen en de meer nieuwe arm betreden – dit wordt spontane afwisseling genoemd. Spontane afwisseling kan ook worden onderzocht op de T-maze, maar omdat de armen van de Y-maze zijn gelijk (en kan elk worden nieuwe start armen), afwisseling kan continu worden gemeten zonder constante onderzoeker interactie. Het wijzigen van het protocol om aas armen en het opnemen of verwijderen van het gebruik van proximale en distale signalen maakt het mogelijk om allocentric en egocentric strategieën te onderzoeken.

De Biel water doolhof werd ontwikkeld door William Biel en is opgebouwd uit meerdere T-mazen die met elkaar verbonden zijn om een labyrint te creëren waarin knaagdieren moeten navigeren van de ‘Start’ naar ‘Goal’ om uit het doolhof te ontsnappen. Het doolhof loopt in zichtbaar licht, en er worden geen expliciete distale signalen gegeven; bovendien wordt het doolhof bedekt door een grote container om de toegang tot zowel distale als proximale signalen te minimaliseren. Parameters die worden gebruikt om egocentrische navigatie te meten zijn fouten in de proeven en de ontsnappingsvertraging. Dit doolhof had echter beperkingen wat betreft ontwerp en moeilijkheidsgraad, waarvan de belangrijkste was dat het werd uitgevoerd in zichtbaar licht, dat distale of proximale signalen kon geven vanuit de doos boven het hoofd. Het Cincinnati water doolhof (CWM) is een uitbreiding van het Biel water doolhof. Het is een complex labyrint-waterdoolhof dat bestaat uit negen T-mazen die met elkaar in verbinding staan (figuur 3). Een experimenteel knaagdier moet van positie A naar positie B komen en wordt gemotiveerd door zijn overlevingsinstinct om het water te verlaten. Het is ontworpen om egocentrische zoekstrategieën te gebruiken, gebaseerd op de fysieke afmetingen en het ontwerp van het doolhof dat negen keuze punten creëert (in plaats van zes in het Biel water doolhof) op kruispunten waar knaagdieren een bocht naar links of rechts moeten maken. Het CWM is geconstrueerd met behulp van een acryl materiaal, zodat de wanden glad zijn, en er geen proximale cues beschikbaar zijn. De breedte van de kanalen zorgt ervoor dat het knaagdier niet over de wanden van het doolhof kan klimmen, en het uitvoeren van de test in het donker onder infrarood licht kan fungeren als een dubbele verzekering tegen het gebruik van visuele signalen . Over het algemeen zijn het aantal fouten, het aantal keren dat de test start en de wachttijd om te ontsnappen de belangrijkste parameters die voor dit doolhof worden gerapporteerd.

Het radiale arm doolhof (RAM) bestaat uit een centraal cirkelvormig gebied van waaruit meerdere armen naar buiten uitstralen. Het ruimtelijk geheugen van knaagdieren wordt gemeten aan de hand van het vermogen om zich de plaats te herinneren van de armen die van een aas zijn voorzien, door gebruik te maken van duidelijke aanwijzingen in de doolhofruimte (allocentrisch) of van een egocentrisch paradigma waarbij de armen geforceerd worden ingevoerd. Hieronder volgt een voorbeeld van een egocentrisch paradigma waarbij gebruik wordt gemaakt van het RAM. In dit geval het doolhof heeft automatische deuren die openen en sluiten om de toegang voor het dier mogelijk te maken. Het dier begint in een arm, en zodra het experiment begint, twee aangrenzende armen aan de start arm worden geopend om een Y-vorm te construeren. Aan het eind van één arm bevindt zich een voedselbeloning, die voor elke muis wordt bepaald op links of rechts. De doolhof arm ingevoerd door het dier wordt de nieuwe start arm, die het dier is beperkt tot tijdens een intertrial interval. Na een intertrial interval, twee armen grenzend aan de nieuwe start arm worden geopend, met de richting van de arm (links of rechts) wordt gecorrigeerd met een beloning voor voedsel. Het experiment gaat door op deze manier en vereist dat het dier om het doolhof te navigeren in verwijzing naar zijn eigen positie . Door het beperken van de toegang tot slechts drie armen (in aanvulling op de oorspronkelijke start arm) op een moment, dit verzekert tegen een niet-egocentrische strategie te worden gebruikt door het dier. Bijvoorbeeld, als alle armen van de RAM beschikbaar waren, kon het dier gebruik maken van de seriële strategie van het invoeren van elke arm opeenvolgend om het voedsel beloning te vinden. Voor de RAM, metingen zoals het aantal fouten en de rang van de eerste fout worden gerapporteerd aan het geheugen prestaties aan te geven. Terwijl de RAM kan worden gebruikt om zowel egocentrische als allocentrische zoekstrategieën te onderzoeken, werd het armloze Morris water doolhof de standaard voor allocentrische testen, waarbij het open ondoorzichtige water fungeert als een masker voor zowel keuze punten om een set volgorde te leren, en olfactie. In tegenstelling tot de gewapende ontwerpen van egocentrische testen, zijn doolhoven die zich richten op allocentrische ruimtelijke strategieën ontworpen om open te zijn en vrij van intra-maze objecten/randen die kunnen fungeren als keuze punten.

Het Barnes doolhof is gebaseerd op de voorkeur van knaagdieren voor donkere, afgesloten ruimtes. Het is een open cirkelvormig doolhof met gaten in de omtrek (figuur 4). Onder een van deze gaten bevindt zich het doel, de “target box”, die een kleine afgesloten ruimte biedt voor het knaagdier. Tijdens het testen wordt het doolhof overspoeld met felle lichten, geluiden en/of luchtstralen om de motivatie te geven om het doel te vinden. Rondom de kamer worden aanwijzingen gegeven om het knaagdier te helpen navigeren. Het aantal fouten, de ontsnappingsvertraging en de zoekstrategieën worden gewoonlijk gerapporteerd als een maat voor de ruimtelijke geheugenprestaties. Visuele cue manipulaties op het Barnes doolhof tonen aan dat distale cues meer saillant zijn dan proximale cues, waarbij dieren getraind zonder distale cues (met een marker op de plaats van het doel) verminderde prestaties laten zien. Deze taak neigt er dus toe allocentrische strategieën aan te moedigen.

Het Morris-waterdoolhof (MWM) is sinds de introductie ervan (Morris et al. ) een integraal onderdeel van neurowetenschappelijk onderzoek als gouden standaard bij het testen van het ruimtelijk geheugen bij knaagdieren. De MWM maakt gebruik van een grote, ronde zwembad met ondoorzichtig water en een verborgen escape platform (figuur 5A). Meerdere distale hints worden geplaatst rond het doolhof om het knaagdier te helpen het verborgen platform dat ze gebruiken om te ontsnappen te bereiken. De meeste protocollen worden uitgevoerd over meerdere dagen, met meerdere proeven per dag, en terwijl het verborgen platform positie blijft hetzelfde, startpositie voor het proefdier wordt vaak veranderd om egocentric strategieën te minimaliseren. Echter, als de startlocatie consistent wordt gehouden, en de test wordt uitgevoerd in het donker zonder externe cues, kunnen knaagdieren de MWM voltooien met behulp van een egocentrische strategie . Na de training wordt het ontsnappingsplatform verwijderd, en wordt het referentiegeheugen getest. Van de dieren wordt verwacht dat ze een verhoogde hoeveelheid tijd doorbrengen in het kwadrant waar het doel eerder was. De locatie van het doel kan ook worden veranderd om omkeringsleren en cognitieve flexibiliteit te onderzoeken. De belangrijkste motivatie voor het knaagdier om door het doolhof te navigeren is te ontsnappen aan het water. Het belangrijkste voordeel van de MWM bij het testen van allocentric zoekstrategieën is de verwijdering van intra-maze visuele en olfactorische cues met het gebruik van ondoorzichtig water. Inderdaad, het maskeren van alle beschikbare olfactorische cues is noodzakelijk als gevolg van de knaagdieren ‘krachtige reukzin en het gebruik van olfactie in hun navigatie. Het water in het MWM kan echter ook een nadeel zijn, vooral wanneer met muizen wordt gewerkt, omdat zij in het wild geen natuurlijke zwemmers zijn en in het water gestresst raken .

De cheeseboard maze (CBM) (figuur 5B) is een droge versie van de MWM en is op dezelfde manier een lange-termijn ruimtelijk geheugen test en een maatregel van cognitieve flexibiliteit. De CBM is een uniforme cirkelvormige arena met putten die kunnen worden aas. De putten lopen in lijnen gelijkmatig vanuit het midden van het bord. Ruimtelijke signalen worden rond de CBM geplaatst. Knaagdieren krijgen voor de duur van het experiment geen voedsel om hen te motiveren de voedselbeloning te vinden. De plaats van het lokaas is voor elk dier verschillend en wordt voor elke individuele muis constant gehouden over de proeven en dagen. Dieren moeten leren om de ruimtelijke aanwijzingen geplaatst rond het doolhof te gebruiken om het aas goed vinden van de start gebied in het centrum om de beloning te ontvangen en wordt verwacht dat allocentric zoekstrategieën te gebruiken. Na het verwerven van de doellocatie wordt de locatie van de voedselbeloning gewijzigd, en het dier moet dan een nieuwe leerstrategie aannemen (omkering). Dit is een maat voor cognitieve flexibiliteit en test het vermogen van het dier om de aanvankelijke positie van de beloning te negeren en de nieuwe locatie van de tweede beloning te leren. Vergeleken met de MWM, die berust op overlevingsmotivatie, berust de CBM op hongerdrift. Bij beide taken worden signalen gegeven die de muis naar zijn doel leiden, of dat nu het platform is bij de MWM of de voedselbeloning bij de CBM. Deze verschillende motivaties zouden de cognitieve verwerking van de knaagdieren kunnen beïnvloeden. MWM is bekritiseerd als te stressvol, aangezien het proefdier vermijdingsgedrag moet aanleren. De CBM, hoewel het onthouden van voedsel een gelijkaardige stress kan opleveren, impliceert positieve bekrachtiging door de voedselbeloning. Er zijn argumenten om aan te nemen dat positieve bekrachtiging niet voldoende is om de proefdieren tot leren aan te zetten, in vergelijking met een test zoals MWM, waarbij negatieve gevolgen moeten worden vermeden. Het is mogelijk dat elke test een andere invalshoek biedt voor de studie van cognitie. Paniekstress kan nadelig zijn voor effectief leren of een sterkere drang in vergelijking met voedselonthouding. Het belangrijkste voordeel van de MWM voor het uitpluizen van allocentrische en egocentrische strategieën is dat het een zuiver allocentrisch doolhof is. In de MWM minimaliseert het gebruik van ondoorzichtig water waar de knaagdieren doorheen moeten zwemmen de beschikbaarheid van keuzepunten en olfactorische cues. Ter vergelijking, het CBM is een doolhof dat knaagdieren niet alleen verplicht om te navigeren met behulp van de distale signalen, maar ook rond de putten. Bijgevolg kunnen knaagdieren deze putten opnemen in hun navigatiestrategie – iets wat niet mogelijk is in het MWM. Dit zou de knaagdieren de gelegenheid kunnen geven om niet-allocentrische strategieën toe te passen, zoals de seriële strategie. Deze kwestie van het opsporen van genoemde egocentric versus allocentric zoekstrategieën wordt verder besproken in de volgende paragraaf.

De Star doolhof (figuur 6), ontworpen door Rondi-Reig et al. , is een speciaal gebouwde water doolhof dat het mogelijk maakt voor het onderscheid van allocentric en egocentric zoekstrategieën. Het is een cirkelvormig waterdoolhof bestaande uit vijf waterkanalen die een centrale vijfhoek vormen, en vijf waterkanalen die vanuit deze vijfhoek uitstralen. De wanden van het doolhof hebben een uniforme kleur, en het water is ondoorzichtig gemaakt. Het doel van het doolhof is het verborgen platform te vinden om te ontsnappen. Extra-doolhof aanwijzingen op de wanden worden beschikbaar gesteld bij de analyse van allocentrische navigatie. De opzet van dit doolhof maakt meerdere protocollen mogelijk om allocentrische of egocentrische navigatie te testen. Het eerste protocol, ‘de meervoudige strategieën versie’, is opgezet om spontane navigatie strategie die wordt gebruikt door het knaagdier te onderzoeken. Het tweede protocol onderzoekt egocentrische navigatie door het opzetten van het doolhof, zodat een opeenvolging van richting bewegingen stuurt het knaagdier naar het ontsnappingsplatform. Het laatste protocol vereist knaagdieren om de ruimtelijke aanwijzingen te gebruiken om te ontsnappen uit willekeurig toegewezen startpunten. Dit doolhof is een geweldige setup als het mogelijk maakt de opheldering van individuele zoekstrategieën, en gezien het feit dat het een water doolhof, het controleert voor gelijke motivatie en kansen.