The Importance of Distinguishing Allocentric and Egocentric Search Strategies in Rodent Hippocampal-Dependent Spatial Memory Paradigms: Getting More Out of Your Data

Paradygmaty pamięci przestrzennej i nawigacji

Istnieje duża różnorodność testów behawioralnych zarówno dla gryzoni, jak i ludzi, które zapewniają pomiar pamięci przestrzennej i nawigacji. Ogólnie rzecz biorąc, testy pamięci przestrzennej gryzoni wykorzystują aparaty labiryntowe, które mają obszar docelowy, który zwierzęta muszą znaleźć, nauczyć się i zapamiętać. Cele te mogą mieć charakter wzmocnień pozytywnych, takich jak nagrody w postaci pożywienia, ucieczki przed negatywnymi bodźcami, takimi jak woda lub jasne światło, lub wynikać z zachowań instynktownych, takich jak napęd eksploracyjny. Z drugiej strony, testowanie pamięci przestrzennej u ludzi przeprowadza się głównie na urządzeniach wirtualnej rzeczywistości, które tworzą kontrolowane trójwymiarowe środowiska, a cele są zwykle wyjaśniane badanemu przez naukowca. Ostatnio podjęto kroki w celu połączenia aspektów pochodzących z badań na zwierzętach i ludziach, aby zwiększyć podobieństwo, a tym samym przekładalność tych badań. Dla ludzi opracowano wersje testów na gryzoniach wykorzystujące rzeczywistość wirtualną, a popularność zdobyły również zestawy do wirtualnej rzeczywistości i ekrany dotykowe dla gryzoni, które zostały opracowane na podstawie odpowiedników dla ludzi. Rozróżnianie allocentrycznych i egocentrycznych ram odniesienia oraz strategii wyszukiwania stosowanych w zadaniach pamięci przestrzennej dla gryzoni różni się w zależności od rodzaju testu. Niektóre zadania są zaprojektowane w taki sposób, aby zachęcać do stosowania jednej strategii, a zatem wykonanie tego zadania odzwierciedla znaczenie tego konkretnego układu odniesienia. Inne zadania mogą być wykonane przy użyciu kombinacji strategii allocentrycznych i egocentrycznych, a późniejsza analiza lub testy sondażowe są potrzebne do wnioskowania o deficytach lub preferencjach w zakresie tych ram odniesienia. Często pomija się kwestię tego, jakie typy nawigacji przestrzennej są testowane, a także dodatkowe kroki w celu rozdzielenia tych strategii, pomimo względnej łatwości wdrożenia takich środków. Poniżej omawiamy popularne aparaty labiryntowe stosowane do badania pamięci przestrzennej oraz różne testy, kontrole i analizy, które mogą pomóc w rozróżnieniu nawigacji egocentrycznej i allocentrycznej.

Pamięć przestrzenna może być badana poprzez różnorodne testy na labiryntach takich jak labirynt Y, labirynt serowy, labirynt wodny Morrisa, labirynt gwiazdowy, labirynt Barnesa, labirynt ramienia promienistego i labirynt T. Labirynty te obejmują badanie zakresu pamięci przestrzennej, w tym pamięci długotrwałej, krótkotrwałej i roboczej, jak również elastyczności poznawczej. Testy, które badają allocentryczne ramy odniesienia, obejmują wykorzystanie statycznych wskazówek wizualnych, które gryzonie mogą wykorzystać do opracowania mapy poznawczej. Podejmowane są wysiłki w celu zminimalizowania proksymalnych wskazówek i stworzenia otwartych, niezakłóconych przestrzeni, aby uniknąć strategii niealocentrycznych. Odwrotnie jest w przypadku zadań egocentrycznych, gdzie wskazówki wizualne są minimalizowane lub stają się nieistotne (nieprawidłowe lub przypadkowe). Najdokładniejszym sposobem badania strategii egocentrycznych jest wykonanie testu w ciemności, co zapewnia usunięcie wizualnych wskazówek dystalnych, które mogłyby być wykorzystane w strategiach allocentrycznych. Wiele aparatów używanych do badania nawigacji egocentrycznej ogranicza ruchy do wąskich kanałów lub ramion, aby stworzyć wyraźne punkty wyboru, w których zachęca się do stosowania strategii egocentrycznych.

Zbudowany w kształcie litery „T”, labirynt T (rysunek 2A) jest prostym aparatem używanym do badania roboczej i krótkotrwałej pamięci przestrzennej. Ze względu na kształt labiryntu, tylko dwie opcje, 90 stopni w lewo lub w prawo, są dostępne dla gryzonia po opuszczeniu ramienia startowego. Labirynt T może być niezabawkowy, z przynętą lub wykorzystywać negatywne bodźce do eksploracji labiryntu. Na ogół jedno z ramion jest prawidłowe (niezbadane, nagradzane jedzeniem/wodą, zawierające platformę do ucieczki) i jest poznawane w obecności nienaruszonej pamięci. Wewnętrzne i zewnętrzne wskazówki wizualne mogą być wykorzystywane do sondowania strategii nawigacyjnej. Krótko mówiąc, zwierzęta mogą być trenowane w obecności wizualnych wskazówek pozaziemskich i wewnątrzziemskich. Osiągnięcie docelowego ramienia może być osiągnięte poprzez zapamiętanie skrętu w odpowiednim kierunku, poruszanie się w kierunku lub unikanie wskazówki wewnątrz-mazowej lub poruszanie się do właściwego obszaru w stosunku do statycznych wskazówek zewnętrznych. Po pomyślnym opanowaniu zadania, zwierzęta mogą być testowane na próbach sondażowych, które polegają na systematycznym przestawianiu wskazówek lub prawidłowego kierunku skrętu tak, że są one teraz nieprawidłowe. Rzeczywiście, wykazano, że szczury mają ogólną preferencję dla strategii opartej na kierunku w labiryncie T, co sugeruje, że aparat ten zachęca do nawigacji egocentrycznej. Wykorzystując podobne manipulacje wskazówkami wizualnymi w T-maze, wykazano, że transgeniczne myszy wyrażające mutację związaną z chorobą Alzheimera mają specyficzne deficyty alokentrycznego uczenia się miejsc przy braku ogólnych zaburzeń w uczeniu się i pamięci, co podkreśla znaczenie włączenia tych testów sondażowych, gdy jest to możliwe .

Test Y-maze (Rysunek 2B) działa podobnie jak T-maze; jednakże, urządzenie jest zaprojektowane w kształcie litery Y z trzema równymi ramionami pod kątem 120 stopni od siebie. W urządzeniu tym popularne są testy bez przynęty, polegające na wrodzonej preferencji zwierzęcia do eksploracji obszarów wcześniej niezbadanych. Pamięć krótkotrwałą można badać poprzez zablokowanie dostępu do jednego z ramion w pierwszej fazie testu i obserwowanie czasu spędzonego w tym ramieniu w drugiej fazie, w której wszystkie trzy ramiona są dostępne. Pomiędzy fazami występuje zmienne opóźnienie, aby kontrolować obciążenie pamięci krótkotrwałej w zadaniu. To zadanie preferencji nowego ramienia jest testem alocentrycznej pamięci przestrzennej, ponieważ gryzonie używają zarówno wewnątrz- jak i zewnątrz-mazowych wskazówek, aby zapamiętać lokalizację nowego ramienia. Pamięć robocza może być również testowana poprzez umożliwienie zwierzęciu swobodnej eksploracji wszystkich trzech ramion i obserwowanie, czy zdecyduje się ono wejść do ramienia, które było ostatnio eksplorowane, czy też wejdzie na przemian do ramienia bardziej nowego – jest to tak zwana spontaniczna naprzemienność. Spontaniczna naprzemienność może być również badana w labiryncie T; jednakże, ponieważ ramiona labiryntu Y są równe (i każde z nich może stać się nowym ramieniem startowym), naprzemienność może być mierzona w sposób ciągły bez stałej interakcji z badaczem. Modyfikacja protokołu tak, aby zawierał ramiona z przynętą i zawierał lub usuwał użycie proksymalnych i dystalnych wskazówek pozwala na badanie strategii allocentrycznych i egocentrycznych. Labirynt wodny Biel został opracowany przez Williama Biel i jest zbudowany z wielu labiryntów T, które łączą się ze sobą, tworząc labirynt, w którym gryzonie muszą poruszać się od „Startu” do „Celu”, aby uciec z labiryntu. Labirynt jest prowadzony w świetle widzialnym i nie ma żadnych wyraźnych wskazówek dystalnych; ponadto labirynt jest przykryty dużym pojemnikiem, aby zminimalizować dostęp do wskazówek zarówno dystalnych, jak i proksymalnych. Parametry, które są używane do pomiaru nawigacji egocentrycznej obejmują błędy w poszczególnych próbach i opóźnienie ucieczki. Jednakże, labirynt ten miał ograniczenia w projekcie i poziomie trudności, najważniejsze, że był prowadzony w świetle widzialnym, które mogło dostarczać wskazówek dystalnych lub proksymalnych z pudełka nad głową. Labirynt wodny Cincinnati (CWM) jest rozwinięciem labiryntu wodnego Biel. Jest to złożony labirynt wodny składający się z dziewięciu połączonych ze sobą labiryntów T (rysunek 3). Gryzoń doświadczalny musi przedostać się z pozycji A do pozycji B, a do opuszczenia wody motywuje go instynkt przetrwania. Zaprojektowano go tak, aby wykorzystywał egocentryczne strategie poszukiwawcze w oparciu o fizyczne wymiary i konstrukcję labiryntu, która tworzy dziewięć punktów wyboru (zamiast sześciu w labiryncie wodnym Biel) na skrzyżowaniach, gdzie gryzonie muszą wykonać skręt w lewo lub w prawo. CWM jest zbudowany z materiału akrylowego, dzięki czemu ściany są gładkie i nie ma dostępu do wskazówek proksymalnych. Szerokość kanałów zapewnia, że gryzonie nie mogą wspinać się po ścianach labiryntu, a przeprowadzanie testu w ciemności w świetle podczerwonym może działać jako podwójne zabezpieczenie przed użyciem wskazówek wizualnych. Ogólnie rzecz biorąc, liczba błędów, liczba powrotów do startu i opóźnienie ucieczki są głównymi parametrami zgłaszanymi dla tego labiryntu.

Radial arm maze(RAM) składa się z centralnego okrągłego obszaru, z którego wiele ramion promieniuje na zewnątrz. Pamięć przestrzenna gryzoni mierzona jest zdolnością do zapamiętywania lokalizacji przynęt w labiryncie poprzez wykorzystanie istotnych wskazówek wokół pomieszczenia labiryntu (allocentric) lub paradygmatu skoncentrowanego na egocentryzmie, który wykorzystuje wymuszone wejście do ramienia. Poniżej przedstawiono przykład paradygmatu egocentrycznego wykorzystującego RAM. W tym przypadku labirynt posiada zautomatyzowane drzwi, które otwierają się i zamykają, umożliwiając zwierzęciu wejście. Zwierzę zaczyna w jednym ramieniu, a po rozpoczęciu eksperymentu, dwa sąsiadujące z nim ramiona są otwierane, aby stworzyć kształt litery Y. Na końcu jednego ramienia znajduje się nagroda w postaci pokarmu, określona dla każdej myszy jako lewa lub prawa strona. Ramię labiryntu, do którego weszło zwierzę, staje się nowym ramieniem startowym, do którego zwierzę jest ograniczone podczas przerwy między próbami. Po przerwie między próbami otwierane są dwa ramiona przylegające do nowego ramienia startowego, przy czym kierunek ramienia (lewe lub prawe) jest korygowany nagrodą w postaci pokarmu. Eksperyment jest kontynuowany w ten sposób i wymaga od zwierzęcia poruszania się po labiryncie w odniesieniu do jego własnej pozycji. Ograniczenie dostępu do tylko trzech ramion (oprócz początkowego ramienia startowego) w danym momencie zabezpiecza przed stosowaniem przez zwierzę strategii nieegocentrycznej. Na przykład, gdyby wszystkie ramiona RAM były dostępne, zwierzę mogłoby stosować strategię seryjną, polegającą na wchodzeniu kolejno do każdego ramienia w celu znalezienia nagrody w postaci pokarmu. W przypadku RAM, pomiary takie jak liczba błędów i ranga pierwszego błędu są raportowane, aby wskazać wydajność pamięci. Podczas gdy RAM może być używany do badania zarówno egocentrycznych, jak i allocentrycznych strategii wyszukiwania, bezramienny labirynt wodny Morrisa stał się standardem dla badań allocentrycznych, z otwartą nieprzezroczystą wodą działającą jako maska zarówno dla punktów wyboru w celu nauczenia się ustalonej sekwencji, jak i dla węchu. W przeciwieństwie do uzbrojonych projektów testów egocentrycznych, labirynty, które są ukierunkowane na allocentryczne strategie przestrzenne, są zaprojektowane tak, aby były otwarte i wolne od obiektów/ krawędzi wewnątrz labiryntu, które mogą działać jako punkty wyboru.

Labirynt Barnesa opiera się na preferencji gryzoni do ciemnych, zamkniętych przestrzeni. Jest to otwarty, okrągły labirynt z otworami na całym obwodzie (Rysunek 4). Pod jednym z tych otworów znajduje się cel „skrzynka docelowa”, która zapewnia gryzoniowi niewielką zamkniętą przestrzeń. Podczas badania labirynt jest zalewany jasnymi światłami, dźwiękami i/lub strumieniami powietrza w celu zapewnienia motywacji do odnalezienia celu. Wokół pomieszczenia rozmieszczone są dystalne wskazówki ułatwiające gryzoniowi poruszanie się. Liczba błędów, opóźnienie ucieczki i strategie wyszukiwania są powszechnie podawane jako miara wydajności pamięci przestrzennej. Manipulacje wskazówkami wizualnymi w labiryncie Barnesa wykazują, że wskazówki dystalne są bardziej istotne niż wskazówki proksymalne, przy czym zwierzęta trenowane bez wskazówek dystalnych (z markerem w miejscu celu) wykazują obniżoną wydajność. Tak więc zadanie to zachęca do stosowania strategii allocentrycznych.

Wodny labirynt Morrisa (MWM) jest integralną częścią badań neurobiologicznych jako złoty standard podczas testowania pamięci przestrzennej u gryzoni od czasu jego wprowadzenia (Morris et al. ). MWM wykorzystuje duży, okrągły basen z nieprzezroczystą wodą i ukrytą platformą do ucieczki (Rysunek 5A). Wokół labiryntu umieszcza się wiele dystalnych wskazówek, aby pomóc gryzoniowi w dotarciu do ukrytej platformy, z której ucieka. Większość protokołów jest wykonywana przez wiele dni, z wieloma próbami dziennie, i chociaż pozycja ukrytej platformy pozostaje taka sama, pozycja wyjściowa dla zwierzęcia badawczego jest często zmieniana w celu zminimalizowania strategii egocentrycznych. Jednakże, jeśli miejsce startu jest stałe, a test jest wykonywany w ciemności bez zewnętrznych wskazówek, gryzonie mogą ukończyć MWM stosując strategię egocentryczną. Po treningu, platforma do ucieczki jest usuwana i testowana jest pamięć referencyjna. Oczekuje się, że zwierzęta będą spędzać zwiększoną ilość czasu w kwadrancie, w którym poprzednio znajdował się cel. Lokalizacja celu może być również zmieniana w celu zbadania uczenia się odwrotnego i elastyczności poznawczej. Główną motywacją gryzonia do poruszania się po labiryncie jest chęć ucieczki z wody. Główną zaletą MWM przy testowaniu strategii poszukiwań allocentrycznych jest usunięcie wizualnych i zapachowych wskazówek wewnątrz labiryntu dzięki zastosowaniu nieprzezroczystej wody. W istocie, maskowanie wszelkich dostępnych wskazówek węchowych jest niezbędne ze względu na silny zmysł węchu gryzoni i wykorzystanie węchu w ich nawigacji. Jednakże woda w MWM może być również wadą, szczególnie podczas pracy z myszami, ponieważ nie są one naturalnymi pływakami w środowisku naturalnym i stają się zestresowane w wodzie .

Labirynt serowy (CBM) (Rysunek 5B) jest suchą wersją MWM i jest podobnie testem długoterminowej pamięci przestrzennej, jak również miarą elastyczności poznawczej. CBM to jednolita okrągła arena z dołkami, do których można wrzucać przynętę. Studzienki rozchodzą się równomiernie od środka planszy. Wokół CBM rozmieszczone są wskazówki przestrzenne. Gryzonie pozbawione są pokarmu na czas trwania eksperymentu, aby zapewnić motywację do znalezienia nagrody w postaci pokarmu. Położenie studni z przynętą jest inne dla każdego zwierzęcia i jest utrzymywane na stałym poziomie we wszystkich próbach i dniach dla każdej myszy. Zwierzęta powinny nauczyć się korzystać ze wskazówek przestrzennych umieszczonych wokół labiryntu w celu odnalezienia studni z przynętą od obszaru startowego w centrum, aby otrzymać nagrodę. Po zdobyciu miejsca docelowego, lokalizacja nagrody jest zmieniana, a zwierzę musi przyjąć nową strategię uczenia się (odwrócenie). Jest to miara elastyczności poznawczej i testuje zdolność zwierzęcia do zignorowania początkowej pozycji nagrody i nauczenia się nowej lokalizacji drugiej nagrody. W porównaniu do MWM, który opiera się na motywacji przetrwania, CBM opiera się na popędzie głodu. Oba zadania wykorzystują odległe wskazówki, które prowadzą mysz do celu, czy to platformy w MWM, czy nagrody w CBM. Te różne motywacje mogą wpływać na przetwarzanie poznawcze gryzoni. MWM została skrytykowana jako nadmiernie stresująca, w której zwierzę badawcze musi stosować uczenie się unikania. CBM, podczas gdy pozbawienie pokarmu może powodować podobny stres, wiąże się z pozytywnym wzmocnieniem poprzez nagrodę w postaci pokarmu. Istnieją pewne argumenty, że pozytywne wzmocnienie może nie być wystarczające, aby zachęcić zwierzęta badawcze do uczenia się, w porównaniu z testem takim jak MWM, w którym należy unikać negatywnych konsekwencji. Może być tak, że każdy test dostarcza innego kąta do badania poznania. Stres wywołany paniką może być szkodliwy dla efektywnego uczenia się lub silniejszego popędu w porównaniu do pozbawienia pokarmu. Główną zaletą MWM w kontekście wyodrębniania strategii allocentrycznych i egocentrycznych jest to, że jest to czysty labirynt allocentryczny. W MWM zastosowanie nieprzezroczystej wody, przez którą gryzonie muszą przepłynąć, minimalizuje dostępność punktów wyboru i wskazówek zapachowych. Dla porównania, CBM jest labiryntem, który wymaga od gryzoni nawigowania nie tylko za pomocą wskazówek dystalnych, ale również wokół studni. Gryzonie mogą więc włączyć te studnie do swojej strategii nawigacyjnej, czego nie można zrobić w MWM. Może to stanowić okazję dla gryzoni do zastosowania strategii niealocentrycznych, takich jak strategia szeregowa. Kwestia wykrywania wspomnianych egocentrycznych i allocentrycznych strategii wyszukiwania jest omówiona w dalszej części rozdziału.

Labirynt Star (Rysunek 6), zaprojektowany przez Rondi-Reig i wsp. jest specjalnie skonstruowanym labiryntem wodnym, który pozwala na rozróżnienie allocentrycznych i egocentrycznych strategii wyszukiwania. Jest to okrągły labirynt wodny składający się z pięciu kanałów wodnych, które tworzą centralny pięciokąt, a pięć kanałów wodnych rozchodzi się od tego pięciokąta. Ściany labiryntu mają jednolity kolor, a woda jest nieprzezroczysta. Celem labiryntu jest odnalezienie ukrytej platformy, aby móc z niego uciec. Dodatkowe wskazówki na ścianach labiryntu są udostępniane podczas analizy nawigacji allocentrycznej. Układ labiryntu pozwala na zastosowanie wielu protokołów do testowania nawigacji allocentrycznej lub egocentrycznej. Pierwszy protokół, „wersja z wieloma strategiami”, został stworzony w celu zbadania spontanicznej strategii nawigacyjnej stosowanej przez gryzonie. Drugi protokół bada nawigację egocentryczną poprzez ustawienie labiryntu w taki sposób, aby sekwencja ruchów kierunkowych wysyłała gryzonia do platformy ucieczki. Ostatni protokół wymaga od gryzoni wykorzystania dostarczonych wskazówek przestrzennych w celu ucieczki z losowo przydzielonych punktów startowych. Ten labirynt jest doskonałym ustawieniem, ponieważ pozwala na wyjaśnienie indywidualnych strategii poszukiwawczych, a biorąc pod uwagę, że jest to labirynt wodny, kontroluje równą motywację i możliwości .

.