Vikten av att särskilja allocentriska och egocentriska sökstrategier i Hippocampal-Dependent Spatial Memory Paradigms hos gnagare:

Paradigm för spatialt minne och navigering

Det finns ett stort antal olika beteendetester för både gnagare och människor som ger ett mått på spatialt minne och navigering . I allmänhet använder sig gnagare av tester av det spatiala minnet av labyrinter med ett målområde som djuren måste hitta, lära sig och komma ihåg. Dessa mål kan vara positiva förstärkningar, t.ex. belöningar i form av mat, flykt från negativa stimuli, t.ex. vatten eller starkt ljus, eller ett resultat av ett instinktivt beteende, t.ex. utforskardrift. Testning av människans spatiala minne utförs å andra sidan oftast i virtuella verklighetsuppställningar som skapar kontrollerade tredimensionella miljöer med mål som vanligtvis förklaras för försökspersonen av forskaren. På senare tid har åtgärder vidtagits för att kombinera aspekter från både djur- och människotester för att öka likheten och därmed överförbarheten av dessa tester. Virtual reality-versioner av tester på gnagare har utvecklats för människor, och virtual reality- och pekskärmsuppställningar för gnagare som utvecklats från motsvarande tester på människor har också blivit populära. Att särskilja allocentriska och egocentriska referensramar och sökstrategier som används i rumsliga minnesuppgifter för gnagare skiljer sig åt beroende på typ av test. Vissa uppgifter är utformade så att de uppmuntrar till användning av en enda strategi, och därför avspeglar prestationen i den uppgiften hur framträdande den särskilda referensramen är. Andra uppgifter kan utföras med en kombination av allocentriska och egocentriska strategier, och efterföljande analyser eller test behövs för att kunna dra slutsatser om brister eller preferenser i dessa referensramar. Överväganden om vilka typer av rumslig navigering som testas och extra åtgärder för att särskilja dessa strategier förbises ofta, trots att det är relativt enkelt att genomföra sådana åtgärder. Nedan diskuterar vi populära labyrinterapparater som används för att undersöka rumsligt minne och olika tester, kontroller och analyser som kan hjälpa till att särskilja egocentrisk och allocentrisk navigering.

Rumsligt minne kan undersökas med hjälp av en mängd olika tester på labyrinter som Y-labyrint, ostbordslabyrint, Morris vattenlabyrint, stjärnlabyrint, Barneslabyrint, radialarmlabyrint och T-labyrint. I dessa labyrinter undersöks en rad olika typer av rumsligt minne, inklusive långtids-, korttids- och arbetsminne, samt kognitiv flexibilitet. Tester som undersöker allocentriska referensramar innefattar användning av statiska visuella signaler som gnagaren kan använda för att utveckla en kognitiv karta. Man strävar efter att minimera proximala signaler och skapa öppna, obehindrade utrymmen för att undvika icke-allocentriska strategier. Motsatsen gäller för egocentriska uppgifter där visuella signaler minimeras eller görs irrelevanta (felaktiga eller slumpmässiga). Det mest exakta sättet att testa egocentriska strategier är att utföra ett test i mörker, vilket garanterar att visuella distala signaler som kan användas för allocentriska strategier avlägsnas. Många apparater som används för att undersöka egocentrisk navigering begränsar rörelserna till smala kanaler eller armar för att skapa tydliga valpunkter där egocentriska strategier uppmuntras.

T-maze (figur 2A) är en enkel apparat som används för att undersöka det spatiala arbetsminnet och korttidsminnet. På grund av labyrintens form har gnagaren endast två alternativ, en 90-graders vänstersväng eller högersväng, när den lämnar startarmen. T-diket kan vara obetad, betad eller med negativa stimuli för att driva på utforskandet av labyrinten. I allmänhet är en av armarna korrekt (outforskad, belönad med mat/vatten, med en flyktplattform) och inlärs när minnet är intakt. Interna och externa visuella signaler kan användas för att undersöka navigationsstrategin . I korthet kan djuren tränas i närvaro av visuella signaler utanför och inom labyrinten. För att nå målarmen kan man antingen komma ihåg att vända sig i rätt riktning, röra sig mot eller undvika den interna ledtråden eller röra sig till rätt område i förhållande till de statiska externa ledtråden. Efter att ha lyckats lära sig uppgiften kan djuren testas på provförsök där man systematiskt byter ut ledtrådarna eller den korrekta svängriktningen så att de nu är felaktiga. Råttor visade sig ha en övergripande preferens för en riktningsbaserad strategi i T-maze, vilket tyder på att denna apparat uppmuntrar egocentrisk navigering . Med hjälp av liknande manipuleringar av visuella ledtrådar i T-maze visade sig transgena möss som uttrycker en mutation relaterad till Alzheimers sjukdom ha specifika brister i allocentrisk platsinlärning i avsaknad av en allmän störning i inlärning och minne, vilket understryker vikten av att inkludera dessa testmetoder när det är möjligt .

Y-maze (figur 2B) fungerar på samma sätt som en T-maze, men apparaten är utformad i en Y-form med tre lika stora armar som är placerade i en vinkel på 120 grader från varandra. Obetade tester är populära i denna apparat, eftersom man förlitar sig på djurets medfödda preferens att utforska tidigare outforskade områden. Korttidsminnet kan testas genom att blockera tillgången till en av armarna i testets första fas och observera den tid som spenderas i den armen i den andra fasen där alla tre armarna kan nås. Det finns en varierande fördröjning mellan faserna för att kontrollera uppgiftens belastning på korttidsminnet. Denna uppgift att föredra en ny arm är ett test för allocentriskt rumsligt minne, eftersom gnagare använder sig av ledtrådar både inom och utanför labyrinten för att komma ihåg var den nya armen är placerad. Arbetsminnet kan också testas genom att låta djuret fritt utforska alla tre armarna och observera om de väljer att gå in i den arm som de senast utforskat eller om de alternerar och går in i den mer nya armen – detta kallas spontan alternering. Spontan alternering kan också undersökas i T-maze, men eftersom armarna i Y-maze är lika stora (och kan bli nya startarmar) kan alternering kontinuerligt mätas utan ständig interaktion med undersökaren. Om man ändrar protokollet så att det inkluderar betade armar och inkluderar eller tar bort användningen av proximala och distala signaler kan man undersöka allocentriska och egocentriska strategier.

Biel vattenlabyrinten utvecklades av William Biel och består av flera T-labyrinter som är sammankopplade för att skapa en labyrint där gnagare måste navigera från ”start” till ”mål” för att komma ut ur labyrinten. Labyrinten körs i synligt ljus och det finns inga tydliga distala signaler. Dessutom är labyrinten täckt av en stor behållare för att minimera tillgången till både distala och proximala signaler. Parametrar som används för att mäta egocentrisk navigering är bl.a. fel i olika försök och flykttid. Denna labyrint hade dock begränsningar i fråga om utformning och svårighetsgrad, framför allt att den kördes i synligt ljus, vilket skulle kunna ge distala eller proximala signaler från lådan ovanför . Cincinnati water maze (CWM) är en förlängning av Biel water maze. Det är en komplex labyrint som består av nio sammanlänkade T-mazes (figur 3). En försöksgnagare måste ta sig från position A till position B och motiveras av sin överlevnadsinstinkt att lämna vattnet. Den är utformad för att använda egocentriska sökstrategier på grund av de fysiska dimensionerna och utformningen av labyrinten som skapar nio valpunkter (i stället för sex i Biel vattenlabyrinten) vid korsningar där gnagare måste svänga till vänster eller höger. CWM är konstruerad med ett akrylmaterial så att väggarna är släta och inga proximala ledtrådar finns tillgängliga. Kanalernas bredd säkerställer att gnagaren inte kan klättra uppför labyrintväggarna, och att utföra testet i mörker under infrarött ljus kan fungera som en dubbel försäkring mot användningen av visuella ledtrådar . I allmänhet är antalet fel, antalet startreturer och latenstiden för att fly de viktigaste parametrarna som rapporteras för denna labyrint.

Radialarmlabyrinten (RAM) består av ett centralt cirkulärt område från vilket flera armar strålar utåt. Rumsligt minne hos gnagare mäts genom förmågan att komma ihåg placeringen av betade armar med hjälp av framträdande ledtrådar runt labyrintrummet (allocentriskt) eller ett egocentriskt fokuserat paradigm som använder sig av tvångsinmatning av armar. Nedan följer ett exempel på ett egocentriskt paradigm där RAM används. I detta fall har labyrinten automatiska dörrar som öppnas och stängs för att ge djuret tillträde. Djuret börjar i en arm, och när experimentet börjar öppnas två angränsande armar till startarmen för att skapa en Y-form. Det kommer att finnas en matbelöning i slutet av den ena armen, som för varje mus bestäms vara antingen vänster eller höger. Den labyrintarm som djuret går in i blir den nya startarmen, som djuret är begränsat till under ett intervall mellan försöken. Efter ett intertrialintervall öppnas två armar i anslutning till den nya startarmen, där riktningen på armen (vänster eller höger) korrigeras med en matbelöning. Försöket fortsätter på detta sätt och kräver att djuret navigerar i labyrinten i förhållande till sin egen position . Genom att begränsa tillgången till endast tre armar (utöver den ursprungliga startarmen) åt gången säkerställer detta att djuret använder en icke-egocentrisk strategi. Om t.ex. alla RAM-armar var tillgängliga skulle djuret kunna använda en seriell strategi genom att gå in i varje arm i tur och ordning för att hitta matbelöningen. För RAM-minnet rapporteras mätningar som antal fel och rang för det första felet för att ange minnesprestanda. Medan RAM kan användas för att undersöka både egocentriska och allocentriska sökstrategier, blev den armlösa Morris vattenlabyrinten standard för allocentrisk testning, där det öppna ogenomskinliga vattnet fungerar som en mask för både valpunkter för att lära sig en bestämd sekvens och lukt. I motsats till den armerade utformningen av egocentriska tester är labyrinter som är inriktade på allocentriska rumsstrategier utformade för att vara öppna och fria från objekt/kanter inom labyrinten som kan fungera som valpunkter .

Barnes labyrint bygger på gnagarnas preferens för mörka, slutna utrymmen. Det är en öppen cirkulär labyrint med hål runtomkring (figur 4). Under ett av dessa hål finns målet ”målbox”, som utgör ett litet slutet utrymme för gnagaren. Under testningen översvämmas labyrinten med starkt ljus, ljud och/eller luftstrålar för att ge motivation att hitta målet. Distala ledtrådar finns runt om i rummet för att hjälpa gnagaren att navigera. Antal fel, flykttid och sökstrategier rapporteras vanligen som ett mått på det rumsliga minnets prestanda . Manipulationer med visuella ledtrådar i Barnes labyrint visar att distala ledtrådar är mer framträdande än proximala ledtrådar, och djur som tränats utan distala ledtrådar (med en markör vid målplatsen) uppvisar sämre prestanda . Denna uppgift tenderar således att uppmuntra allocentriska strategier.

Morris vattenlabyrint (MWM)har varit en integrerad del av neurovetenskaplig forskning som en guldstandard när man testar rumsligt minne hos gnagare sedan den introducerades (Morris et al. ). I MWM används en stor, cirkulär bassäng med ogenomskinligt vatten och en dold flyktplattform (figur 5A). Flera distala ledtrådar är placerade runt labyrinten för att hjälpa gnagaren att nå den dolda plattformen som de använder för att fly. De flesta protokoll utförs under flera dagar, med flera försök per dag, och även om positionen för den dolda plattformen förblir densamma, ändras ofta startpositionen för försöksdjuret för att minimera egocentriska strategier. Om startplatsen hålls konstant och försöket utförs i mörker utan externa ledtrådar kan gnagare dock slutföra MWM med hjälp av en egocentrisk strategi . Efter träningen avlägsnas flyktplattformen och referensminnet testas. Djuren förväntas tillbringa mer tid i den kvadrant där målet tidigare fanns. Målets placering kan också ändras för att undersöka omvänd inlärning och kognitiv flexibilitet. Den huvudsakliga motivationen för gnagaren att navigera i labyrinten är att undkomma vattnet. Den största fördelen med MWM när man testar allocentriska sökstrategier är att de visuella och olfaktoriska signalerna inom labyrinten avlägsnas med hjälp av ogenomskinligt vatten. Det är absolut nödvändigt att maskera alla tillgängliga olfaktoriska signaler på grund av gnagarnas starka luktsinne och användningen av luktsinnet i deras navigering. Vattnet i MWM kan dock också vara en nackdel, särskilt när man arbetar med möss eftersom de inte är naturliga simmare i naturen och blir stressade i vattnet .

The cheeseboard maze (CBM)(Figur 5B) är en torr version av MWM och är på samma sätt ett test av det spatiala långtidsminnet samt ett mått på kognitiv flexibilitet. CBM är en enhetlig cirkulär arena med brunnar som kan betas. Brunnarna strålar ut i rader jämnt från brädans mitt. Rumsliga ledtrådar är placerade runt CBM. Gnagarna är matlösa under hela försöket för att motivera dem att hitta matbelöningen. Placeringen av den betade brunnen är olika för varje djur och hålls konstant över försök och dagar för varje enskild mus. Djuren ska lära sig att använda de rumsliga ledtrådar som placerats runt labyrinten för att hitta den betade brunnen från startområdet i mitten för att få belöningen och förväntas använda allocentriska sökstrategier. Efter att ha hittat målplatsen ändras platsen för matbelöningen, och djuret måste då anta en ny inlärningsstrategi (omvändning). Detta är ett mått på kognitiv flexibilitet och testar djurets förmåga att ignorera belöningens ursprungliga position och lära sig den nya platsen för den andra belöningen. Jämfört med MWM, som bygger på överlevnadsmotivation, bygger CBM på hungerdrift. Båda uppgifterna inbegriper distala ledtrådar för att vägleda musen till sitt mål, oavsett om det är plattformen i MWM eller matbelöningen i CBM. Dessa olika motivationer kan påverka gnagarnas kognitiva bearbetning. MWM har kritiserats för att vara onödigt stressande, eftersom försöksdjuren måste lära sig att undvika. CBM innebär positiv förstärkning genom matbelöning, även om matbrist kan ge liknande stress. Det finns vissa argument för att positiv förstärkning kanske inte är tillräcklig för att uppmuntra försöksdjuren att lära sig, jämfört med ett test som MWM där negativa konsekvenser måste undvikas. Det kan vara så att varje test ger en annan vinkel på studiet av kognition. Panikstress kan vara till nackdel för effektiv inlärning eller en starkare drivkraft jämfört med matbrist. Den största fördelen med MWM när det gäller att få fram allocentriska och egocentriska strategier är att det är en renare allocentrisk labyrint. I MWM används ogenomskinligt vatten som gnagarna måste simma igenom, vilket minimerar tillgängligheten av valpunkter och olfaktoriska signaler. I jämförelse är CBM en labyrint som kräver att gnagarna inte bara navigerar med hjälp av de distala ledtrådarna utan också runt brunnarna. Därför kan gnagarna integrera dessa brunnar i sin navigeringsstrategi – något som inte kan göras i MWM. Detta skulle kunna ge gnagarna en möjlighet att använda icke-allocentriska strategier, t.ex. den seriella strategin. Denna fråga om att upptäcka nämnda egocentriska respektive allocentriska sökstrategier diskuteras vidare i följande avsnitt.

The Star maze (figur 6), utformad av Rondi-Reig m.fl. är en specialbyggd vattenlabyrint som gör det möjligt att skilja mellan allocentriska och egocentriska sökstrategier. Det är en cirkulär vattenlabyrint som består av fem vattenkanaler som bildar en central femhörning och fem vattenkanaler som strålar ut från denna femhörning. Väggarna i labyrinten har en enhetlig färg och vattnet är ogenomskinligt. Målet med labyrinten är att hitta den dolda plattformen för att kunna fly. Extra labyrinter på väggarna görs tillgängliga vid analysen av allocentrisk navigering. Uppställningen av denna labyrint möjliggör flera protokoll för att testa allocentrisk eller egocentrisk navigering. Det första protokollet, ”versionen med flera strategier”, har utformats för att undersöka den spontana navigeringsstrategi som används av gnagaren. I det andra protokollet undersöks egocentrisk navigering genom att labyrinten byggs upp så att en sekvens av riktningsrörelser skickar gnagaren till flyktplattformen. I det sista protokollet måste gnagarna använda de spatiala ledtrådarna för att fly från slumpmässigt tilldelade startpunkter . Denna labyrint är en utmärkt uppställning eftersom den gör det möjligt att belysa individuella sökstrategier, och med tanke på att det är en vattenlabyrint kontrolleras lika motivation och möjligheter .