Importanța deosebirii strategiilor de căutare alocentrică și egocentrică în paradigmele de memorie spațială dependente de hipocampul rozătoarelor: Getting More Out of Your Data

Paradigme de memorie spațială și navigație

Există o mare varietate de teste comportamentale atât pentru rozătoare, cât și pentru oameni, care oferă o măsură a memoriei spațiale și a navigației . În general, testele de memorie spațială pentru rozătoare utilizează aparate de labirint care au o zonă de scop pe care animalele trebuie să o găsească, să o învețe și să o rețină. Aceste obiective pot fi întăriri pozitive, cum ar fi recompensele alimentare, scăpări de stimuli negativi, cum ar fi apa sau lumina puternică, sau un rezultat al unui comportament instinctiv, cum ar fi impulsul explorator. Pe de altă parte, testarea memoriei spațiale umane se efectuează în principal pe instalații de realitate virtuală care creează medii tridimensionale controlate, obiectivele fiind de obicei explicate subiectului de către cercetător. Mai recent, au fost luate măsuri pentru a combina aspecte atât din testele pe animale, cât și din testele pe oameni, pentru a crește similitudinea și, prin urmare, capacitatea de transpunere a acestor teste. Au fost dezvoltate versiuni de realitate virtuală ale testelor pe rozătoare pentru oameni , iar realitatea virtuală și configurațiile cu ecran tactil pentru rozătoare care au fost dezvoltate pornind de la echivalentele umane au devenit, de asemenea, populare . Distincția cadrelor de referință alocentrice și egocentrice și a strategiilor de căutare utilizate în sarcinile de memorie spațială pentru rozătoare diferă în funcție de tipul de test. Unele sarcini sunt concepute pentru a încuraja utilizarea unei singure strategii și, prin urmare, performanța în sarcina respectivă reflectă importanța acelui cadru de referință. Alte sarcini pot fi finalizate cu o combinație de strategii alocentrice și egocentrice, iar analiza ulterioară sau testele de sondare sunt necesare pentru a deduce deficite sau preferințe în aceste cadre de referință. Luarea în considerare a tipurilor de navigare spațială care sunt testate și pașii suplimentari pentru a disocia aceste strategii sunt adesea trecute cu vederea, în ciuda ușurinței relative de implementare a unor astfel de măsuri. Mai jos discutăm despre aparatele de labirint populare utilizate pentru a investiga memoria spațială și diverse teste, controale și analize care pot ajuta la distingerea navigării egocentrice și alocentrice.

Memoria spațială poate fi investigată printr-o varietate de teste pe labirinturi, cum ar fi labirintul Y, labirintul cu tabla de brânză, labirintul de apă Morris, labirintul Star, labirintul Barnes, labirintul cu braț radial și labirintul T. Aceste labirinturi cuprind investigarea unei game de memorie spațială, inclusiv a memoriei pe termen lung, pe termen scurt și de lucru, precum și a flexibilității cognitive. Testele care sondează cadrele de referință alocentrice includ utilizarea de indicii vizuale statice pe care rozătoarele le pot folosi pentru a dezvolta o hartă cognitivă. Se depun eforturi pentru a reduce la minimum indicii proximale și pentru a crea spații deschise, neobstrucționate, pentru a evita strategiile nealocentrice. Opusul este valabil pentru sarcinile egocentrice în care indicii vizuale sunt minimizate sau făcute irelevante (incorecte sau aleatorii). Cel mai precis mod de a testa strategiile egocentrice este de a efectua un test în întuneric, ceea ce asigură eliminarea indicilor vizuale distale care ar putea fi utilizate pentru strategiile alocentrice . Multe aparate care sunt utilizate pentru a investiga navigația egocentrică restricționează mișcările la canale sau brațe înguste pentru a crea puncte de alegere distincte în care sunt încurajate strategiile egocentrice .

Construit sub forma unui „T” cu majuscule, labirintul T(Figura 2A) este un aparat simplu utilizat pentru a sonda memoria spațială de lucru și pe termen scurt. Datorită formei labirintului, rozătorul are la dispoziție doar două opțiuni, un viraj de 90 de grade la stânga sau la dreapta, atunci când părăsește brațul de start. Labirintul T poate fi fără momeală, cu momeală sau poate folosi stimuli negativi pentru a conduce explorarea labirintului . În general, unul dintre brațe este corect (neexplorat, recompensat cu hrană/apă, conținând o platformă de evadare) și este învățat în prezența unei memorii intacte. Indicii vizuali interni și externi pot fi utilizați pentru a sonda strategia de navigare . Pe scurt, animalele pot fi antrenate în prezența unor indicii vizuale extra-maze și a unui indiciu vizual intra-maze. Atingerea brațului obiectiv poate fi realizată fie prin amintirea de a se întoarce în direcția corectă, fie prin deplasarea spre sau evitarea indicelui intra-maze, fie prin deplasarea în zona corectă în raport cu indicii externi statici. După dobândirea cu succes a sarcinii, animalele pot fi testate prin încercări de sondare care implică schimbarea sistematică a indicilor sau a direcției corecte de întoarcere, astfel încât acestea să fie incorecte. Într-adevăr, s-a demonstrat că șobolanii au o preferință generală pentru o strategie bazată pe direcție în labirintul T, sugerând că acest aparat încurajează navigarea egocentrică . Utilizând manipulări similare de indicii vizuale pe T-maze, s-a demonstrat că șoarecii transgenici care exprimă o mutație legată de boala Alzheimer au prezentat deficite specifice de învățare alocentrică a locului în absența unei perturbări generale a învățării și memoriei, subliniind importanța includerii acestor teste de sondare atunci când este posibil .

Limbajul Y (figura 2B) funcționează în mare parte în același mod ca un labirint T; cu toate acestea, aparatul este proiectat în formă de Y cu trei brațe egale la 120 de grade una față de cealaltă. Testele fără momeală sunt populare pe acest aparat, bazându-se pe preferința înnăscută a animalului de a explora zone neexplorate anterior. Memoria pe termen scurt poate fi testată prin blocarea accesului la unul dintre brațe în prima fază a testului și observarea timpului petrecut în acel braț în cea de-a doua fază, în care toate cele trei brațe pot fi accesate. Există o întârziere variabilă între faze pentru a controla sarcina de memorie pe termen scurt a sarcinii. Această sarcină de preferință pentru brațul nou este un test pentru memoria spațială alocentrică, deoarece rozătoarele folosesc atât indicii din interiorul cât și din afara labirintului pentru a-și aminti locația brațului nou. Memoria de lucru poate fi, de asemenea, testată permițând animalului să exploreze liber toate cele trei brațe și observând dacă acesta alege să intre în brațul explorat cel mai recent sau dacă alternează și intră în brațul mai nou – acest lucru se numește alternanță spontană. Alternanța spontană poate fi, de asemenea, investigată pe labirintul T; cu toate acestea, deoarece brațele labirintului Y sunt egale (și fiecare poate deveni un nou braț de pornire), alternanța poate fi măsurată în mod continuu fără o interacțiune constantă a investigatorului. Modificarea protocolului pentru a include brațe cu momeală și includerea sau eliminarea utilizării indicilor proximali și distali permite investigarea strategiilor alocentrice și egocentrice .

Mazeul de apă Biel a fost dezvoltat de William Biel și este construit din mai multe labirinturi în T care se interconectează pentru a crea un labirint în care rozătoarele trebuie să navigheze de la „Start” la „Goal” pentru a scăpa din labirint. Labirintul se desfășoară în lumină vizibilă și nu sunt furnizate indicii distale explicite; în plus, labirintul este acoperit de un container mare pentru a minimiza accesul la indicii distale și proximale. Parametrii care sunt utilizați pentru a măsura navigarea egocentrică includ erorile pe parcursul încercărilor și latența de evadare. Cu toate acestea, acest labirint a avut limitări în ceea ce privește designul și nivelul de dificultate, cel mai important fiind faptul că a fost executat în lumină vizibilă, ceea ce ar putea furniza indicii distale sau proximale din cutia de deasupra capului . Labirintul de apă Cincinnati (CWM) este o extensie a labirintului de apă Biel. Este un labirint de apă complex, format din nouă labirinturi în T interconectate (figura 3). Un rozător experimental trebuie să ajungă din poziția A în poziția B și este motivat de instinctul său de supraviețuire să părăsească apa. Acesta este conceput pentru a utiliza strategii de căutare egocentrică pe baza dimensiunilor fizice și a designului labirintului care creează nouă puncte de alegere (mai degrabă decât șase în labirintul acvatic Biel) la intersecțiile în care rozătoarele trebuie să facă un viraj la stânga sau la dreapta. CWM este construit folosind un material acrilic, astfel încât pereții sunt netezi și nu sunt disponibile indicii proximale. Lățimea canalelor asigură faptul că rozătorul nu se poate cățăra pe pereții labirintului, iar efectuarea testului în întuneric, sub lumină infraroșie, poate acționa ca o dublă asigurare împotriva utilizării indicilor vizuale. În general, numărul de erori, numărul de reveniri la start și latența la evadare sunt principalii parametri raportați pentru acest labirint.

Mazeul radial cu brațe (RAM) constă într-o zonă centrală circulară din care mai multe brațe radiază spre exterior. Memoria spațială a rozătoarelor este măsurată prin capacitatea de a-și aminti locația brațelor momite prin utilizarea unor indicii proeminente din jurul camerei labirintului (alocentrică) sau printr-o paradigmă centrată pe egocentrism care utilizează intrarea forțată a brațelor. Urmează un exemplu de paradigmă egocentrică care utilizează RAM. În acest caz, labirintul are uși automate care se deschid și se închid pentru a permite intrarea animalului. Animalul începe într-un singur braț și, odată ce experimentul începe, două brațe adiacente la brațul de pornire sunt deschise pentru a construi o formă Y. La capătul unui braț va exista o recompensă sub formă de hrană, stabilită pentru fiecare șoarece ca fiind la stânga sau la dreapta. Brațul labirintului în care a intrat animalul devine noul braț de start, la care animalul este restricționat în timpul unui interval intertrial. După un interval intertrial, se deschid două brațe adiacente la noul braț de start, direcția brațului (stânga sau dreapta) fiind corectată cu o recompensă alimentară. Experimentul continuă în acest mod și necesită ca animalul să navigheze prin labirint în raport cu propria poziție . Prin limitarea accesului la numai trei brațe (în plus față de brațul de start inițial) la un moment dat, acest lucru asigură împotriva unei strategii non-egocentrice care să fie utilizată de animal. De exemplu, dacă ar fi fost disponibile toate brațele RAM, animalul ar fi putut folosi strategia serială de a intra secvențial în fiecare braț pentru a găsi recompensa alimentară. Pentru RAM, măsurători precum numărul de erori și rangul primei erori sunt raportate pentru a indica performanța memoriei. În timp ce RAM poate fi utilizată pentru a investiga atât strategiile de căutare egocentrice, cât și cele alocentrice, labirintul acvatic Morris fără brațe a devenit standardul pentru testarea alocentrică , apa opacă deschisă acționând ca o mască atât pentru punctele de alegere pentru a învăța o secvență stabilită, cât și pentru olfacție. Spre deosebire de modelele înarmate ale testelor egocentrice, labirinturile care vizează strategiile spațiale alocentrice sunt concepute pentru a fi deschise și lipsite de obiecte/puncte intra-maze care pot acționa ca puncte de alegere.

Labirintul Barnesse bazează pe preferința rozătoarelor pentru spațiile închise și întunecate. Este un labirint circular deschis cu găuri în jurul perimetrului (figura 4). Sub una dintre aceste găuri se află obiectivul „cutie-țintă”, care oferă un mic spațiu închis pentru rozătoare. În timpul testării, labirintul este inundat cu lumini strălucitoare, sunete și/sau jeturi de aer pentru a oferi motivația de a găsi obiectivul. În jurul camerei sunt furnizate indicii distale pentru a ajuta rozătorul să navigheze. Numărul de erori, latența de evadare și strategiile de căutare sunt raportate în mod obișnuit ca o măsură a performanței memoriei spațiale . Manipulările cu indicii vizuale pe labirintul Barnes arată că indicii distali sunt mai evidenți decât indicii proximali, iar animalele antrenate fără indicii distale (cu un marker la locația obiectivului) prezintă performanțe scăzute . Astfel, această sarcină tinde să încurajeze strategiile alocentrice.

Mazeul de apă Morris (MWM)a fost parte integrantă a cercetării în domeniul neuroștiințelor ca un standard de aur atunci când se testează memoria spațială la rozătoare încă de la introducerea sa (Morris et al. ). MWM utilizează o piscină mare, circulară, cu apă opacă și o platformă de evadare ascunsă (figura 5A). Mai multe indicii distale sunt plasate în jurul labirintului pentru a ajuta rozătoarele să ajungă la platforma ascunsă pe care o folosesc pentru a evada. Cele mai multe protocoale sunt efectuate pe parcursul mai multor zile, cu mai multe încercări pe zi și, deși poziția platformei ascunse rămâne aceeași, poziția de plecare a animalului de cercetare este adesea schimbată pentru a minimiza strategiile egocentrice. Cu toate acestea, dacă locația de pornire este menținută constantă, iar testul este efectuat în întuneric, fără indicii externe, rozătoarele pot finaliza MWM folosind o strategie egocentrică . După antrenament, platforma de evadare este îndepărtată, iar memoria de referință este testată. Se așteaptă ca animalele să petreacă o cantitate mai mare de timp în cadranul în care se afla anterior obiectivul. Locația obiectivului poate fi, de asemenea, schimbată pentru a investiga învățarea inversă și flexibilitatea cognitivă. Principala motivație a rozătoarelor pentru a parcurge labirintul este aceea de a scăpa din apă. Principalul avantaj al MWM atunci când se testează strategiile de căutare alocentrică este eliminarea indicilor vizuale și olfactive din interiorul labirintului prin utilizarea apei opace. Într-adevăr, mascarea oricăror indicii olfactive disponibile este imperativă din cauza simțului olfactiv puternic al rozătoarelor și a utilizării olfacției în navigația lor. Cu toate acestea, apa din MWM poate fi, de asemenea, un dezavantaj, în special atunci când se lucrează cu șoareci, deoarece aceștia nu sunt înotători naturali în sălbăticie și devin stresați în apă .

Labirintul cheeseboard (CBM)(Figura 5B) este o versiune uscată a MWM și este, în mod similar, un test de memorie spațială pe termen lung, precum și o măsură a flexibilității cognitive. CBM este o arenă circulară uniformă cu puțuri care pot fi momite. Puțurile radiază în linii egale din centrul panoului. Indicii spațiali sunt plasați în jurul CBM. Rozătoarele sunt private de hrană pe durata experimentului pentru a le oferi motivația de a găsi recompensa alimentară. Locația puțului cu momeală este diferită pentru fiecare animal și este menținută constantă de-a lungul încercărilor și zilelor pentru fiecare șoarece în parte. Animalele ar trebui să învețe să folosească indicii spațiale plasate în jurul labirintului pentru a găsi puțul momit din zona de start din centru pentru a primi recompensa și se așteaptă ca acestea să folosească strategii de căutare alocentrice. În urma dobândirii locației obiectivului, locația recompensei alimentare se schimbă, iar animalul trebuie să adopte atunci o nouă strategie de învățare (inversare). Aceasta este o măsură a flexibilității cognitive și testează capacitatea animalului de a ignora poziția inițială a recompensei și de a învăța noua locație a celei de-a doua recompense. În comparație cu MWM, care se bazează pe motivația de supraviețuire, CBM se bazează pe motivația de foame. Ambele sarcini implică indicii distale pentru a ghida șoarecele spre obiectivul său, fie că este vorba de platforma din cadrul MWM sau de recompensa alimentară din cadrul CBM. Aceste motivații diferite ar putea influența procesarea cognitivă a rozătoarelor. MWM a fost criticat ca fiind excesiv de stresant, animalul de cercetare fiind nevoit să utilizeze învățarea evitării. CBM, deși privarea de hrană poate oferi un stres similar, implică o întărire pozitivă prin recompensă alimentară. Există unele argumente conform cărora întărirea pozitivă ar putea să nu fie suficientă pentru a încuraja animalele de cercetare să învețe, în comparație cu un test precum MWM, în cadrul căruia trebuie evitate consecințele negative. S-ar putea ca fiecare test să ofere un unghi diferit pentru studiul cogniției. Stresul provocat de panică poate fi în detrimentul unei învățări eficiente sau al unui impuls mai puternic în comparație cu privarea de hrană. Principalul avantaj al MWM în ceea ce privește evidențierea strategiilor alocentrice și egocentrice este că este un labirint alocentric mai curat. În MWM, utilizarea apei opace prin care rozătoarele trebuie să înoate reduce la minimum disponibilitatea punctelor de alegere și a indicilor olfactivi. În comparație, CBM este un labirint care necesită ca rozătoarele să navigheze nu numai folosind indicii distali, ci și în jurul puțurilor. Prin urmare, rozătoarele pot încorpora aceste puțuri în strategia lor de navigare – ceea ce nu se poate face în MWM. Acest lucru ar putea oferi o oportunitate pentru rozătoare de a utiliza strategii non-alocentrice, cum ar fi strategia serială. Această problemă de detectare a strategiilor de căutare egocentrică versus alocentrică este discutată în continuare în secțiunea următoare.

Labirintul Star (Figura 6), proiectat de Rondi-Reig et al. , este un labirint de apă construit special care permite distincția strategiilor de căutare egocentrică și egocentrică. Este un labirint de apă circular format din cinci canale de apă care formează un pentagon central, iar cinci canale de apă radiază din acest pentagon. Pereții labirintului au o culoare uniformă, iar apa este opacă. Scopul labirintului este de a găsi platforma ascunsă pentru a scăpa. La analizarea navigației alocentrice sunt puse la dispoziție indicii suplimentare de pe pereți. Configurația acestui labirint permite mai multe protocoale pentru a testa navigația alocentrică sau egocentrică. Primul protocol, „versiunea cu strategii multiple”, este configurat pentru a investiga strategia de navigare spontană utilizată de rozătoare. Al doilea protocol investighează navigarea egocentrică prin configurarea labirintului astfel încât o secvență de mișcări de direcție trimite rozătorul la platforma de evacuare. Ultimul protocol cere rozătoarelor să utilizeze indicii spațiale furnizate pentru a evada din punctele de plecare atribuite aleatoriu. Acest labirint este o configurație excelentă, deoarece permite elucidarea strategiilor individuale de căutare și, având în vedere că este un labirint acvatic, controlează motivația și oportunitățile egale .