Behavioral and brain functions : BBF, 2005; 1: 3-3 (más artículos en esta revista)

Aprender las tareas de orientación espacial en el laberinto radial-y la variación estructural en el hipocampo en ratones puras

BioMed Central
Wim E Crusio (wim_crusio@yahoo.com) [1], Herbert Schwegler (herbert.schwegler @ medizin.uni-magdeburg.de) [2]
[1] Brudnick Neuropsychiatric Research Institute, Department of Psychiatry, University of Massachusetts Medical School, 303 Belmont Street, Worcester, MA 01604, USA
[2] Institut für Anatomie, Universität Magdeburg, Magdeburg, Alemania

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Resumen

En el presente trabajo hacemos una revisión de una serie de experimentos que muestran que las variaciones hereditarias en el tamaño del hipocampo intra e infrapyramidal musgo de fibra (IIPMF) terminal campos correlacionan con el rendimiento en la ordenación del territorio, pero no la no-espacial radial laberinto tareas. Manipulación experimental de la dimensión de esta proyección por medio de postnatal temprano hipertiroidismo produce los efectos de predecir las correlaciones obtenidas con puras de ratones. Aunque los mecanismos fisiológicos detrás de estas correlaciones no se conocen todavía, varias líneas de evidencia indican que estas correlaciones son causales.

Introducción

Varias tareas de aprendizaje están disponibles para poner a prueba la capacidad de orientación espacial en ratones. El que más se aplica es, probablemente, el agua de navegación tarea (también conocido como el "laberinto de Morris"), que fue desarrollado originalmente para ratas [1]. Sin embargo, se ha observado que los ratones son los animales que viven en hábitats secos [2, 3], de manera que una tarea de natación pueden ser menos apropiados para ellos, a causa de la tensión se puede esperar para inducir [4, 5]. Un factor de análisis de los datos de varios miles de ratones fue llevada a cabo por Wolfer y Lipp [6], quien informó de que sólo la tercera y la menos importante factor mostraron comportamiento de las cargas variables relativas a la orientación espacial, explicando menos del 20% de la variación observada en Comportamiento. De hecho, los ratones con lesiones del hipocampo todavía puede mejorar sus actuaciones en esta tarea en el tiempo [7]. Esto no significa necesariamente que deberíamos abandonar la tarea de navegación Morris agua para su uso con ratones, simplemente significa que esta prueba puede revelar diferencias entre los grupos de animales que puede referirse a diferentes factores y, por lo tanto, automáticamente no deben ser interpretados como diferencias en el aprendizaje espacial Capacidad. Por lo tanto, parece que la forma pertinente de secano laberintos espaciales podría evaluar la capacidad de aprendizaje de los ratones, más concretamente, que el agua laberintos. Entre los laberintos disponibles, el laberinto radial parece ser especialmente adecuado [4].

Diseño de un laberinto radial

Al igual que con muchos de comportamiento tareas, el laberinto radial fue originalmente desarrollado para su uso con las ratas. Consiste en una plataforma central, con 4-17 de armas irradiando hacia el exterior. La configuración que se utiliza más frecuentemente aplicado ocho brazos. Una recompensa de alimentos puede estar presente al final de las armas, que la alimentación de los sujetos privados (mantenido en 85-90% de la alimentación libre de peso corporal) debe localizar. En nuestros estudios, hemos tratado de adaptar este dispositivo a los ratones, que son por lo general más ansiosos y más sensibles al estrés que las ratas de laboratorio (que probablemente han sido seleccionados para la docilidad con más fuerza que los ratones de laboratorio). Para evitar la elevación inducida por la ansiedad, el laberinto que utilizamos se coloca en el suelo de la sala de los animales y las armas están cerrados. Las armas tienen que ser transparentes, que permitan a los animales para ver extramaze señales visuales, sin la cual no sería muy difícil para los sujetos a orientarse en el espacio. El hecho de que muchas de venta en el comercio radial laberintos tienen paredes de metal, pone de manifiesto que esta condición necesaria es quizá menos evidente que podría pensarse a primera vista. Asimismo, la reducción de las dimensiones del laberinto en relación con los habitualmente utilizados con ratas: la plataforma central mide 22 cm de diámetro, las armas fueron 25 cm de largo, 6 cm de ancho y 6 cm de alto. Además, al final de cada brazo de un pequeño compartimiento, separada del resto de las armas por una placa perforada, que figura siempre alimentos frescos, a fin de saturar cada brazo con olores de alimentos, mientras que una baja barrera impidió ver a los animales de los posibles alimentos Recompensa oculta detrás de ella. Durante las pruebas, los animales, por lo tanto, han de recordar que las recompensas de alimentos ya se habían comido, ya que este procedimiento es efectivamente imposible de olor o ver la presencia de un alimento recompensa en cualquier brazo mientras el animal aún está de pie sobre la plataforma central ( Fig. 1]. El uso de este aparato, llevamos a cabo una serie de estudios de investigación de las posibles covariación entre neuroanatómica variación en el hipocampo del ratón y el rendimiento en distintas tareas, que requieren ya sea espacial o no espacial de los modos de navegación.

Hereditarios neuroanatómica variación en el hipocampo

Más de un cuarto de siglo atrás, la pionera neurogeneticists Richard y Cynthia Wimer [8, 9] se describe cepa grandes diferencias en la distribución del hipocampo dentro de la fibra de musgo y infrapyramidal proyección (IIPMF; Fig. 2]. Posteriormente, Schwegler Lipp y mostró la existencia de diferencias cuantitativas y [10]: Se mide la superficie de la IIPMF consecutivos en secciones como una medida del volumen total de esta proyección. Expresado en porcentaje de la suma de las superficies de las áreas CA3 y CA4, a la dimensión de las proyecciones IIPMF varían entre el 0,8 y el 4,0% [11], es decir, sobre un período de cuatro a cinco veces la variación en tamaño. Quizás convenga señalar aquí que el tamaño de estas variaciones no son patológicos en la naturaleza. Entre el 35 y el 53% de las diferencias entre las personas se pueden atribuir a las diferencias genéticas entre ellos [12, 13]. La actualidad se está trabajando para identificar algunos de los genes responsables de las diferencias hereditarias en neuroanatomía hipocampo [14]. La idea de que estas variaciones en la conectividad neuronal podría tener consecuencias funcionales es bastante obvia y, de hecho, sólo unos pocos años después de la Wimers' descubrimiento, Schwegler y Lipp informó de una fuerte correlación entre el tamaño de IIPMF y de dos vías de evitación activa de aprendizaje en ratones y ratas [10, 15]: los animales más grandes con IIPMF proyecciones resultaron ser pobres en los alumnos un servicio de las cajas de tarea. Esta última tarea es peculiar en el sentido de que, tal vez contra-intuitiva, el cerebro dañado de animales con lesiones de la formación hipocámpica mejores resultados que los animales intactos hacer [16]. Como tales lesiones en general, afectar la capacidad de orientación espacial [16], la hipótesis de que un opuesto se encuentran correlación espacial en el laberinto radial tareas. Quizás convenga señalar aquí que neuroanatómica otras características del hipocampo también muestran variaciones hereditarias [12], pero como no sistemática correlación entre esas medidas y el comportamiento han sido encontrados, nos concentramos aquí en la IIPMF

Simple tareas con todas las armas con cebo

Cuando empezamos nuestros estudios, sólo poca información sobre laberinto radial de las capacidades de aprendizaje en los ratones y se dispone de uno de los pocos estudios disponibles informó de la incapacidad de los ratones para dominar esta tarea [17]. Por ello, decidió llevar a cabo una experiencia piloto [11], utilizando tres varones de cada uno de los ocho diferentes cepas puras, y la formación de los mismos en la tarea más sencilla posible. En este primer estudio, de PVC opaco de armas con cubiertas se utilizaron, como en el momento en que se está haciendo en casi todos los estudios de laberinto. Con el fin de orientarse en el espacio, los animales, por lo tanto, hay que mirar hacia arriba. Para nuestra sorpresa, resultó que los ratones aprendido esta tarea con gran rapidez. La aplicación de un ensayo por día, los animales de más rápido aprendizaje de la cepa, C3H/HeJ realizados en la media sólo un error (que se define como reiterados entradas en un visitado en el brazo) en la tercera y última sesión de entrenamiento [11]. Debido a que sólo unos cuantos animales por cepa se utilizaron en esta experiencia piloto, los errores estándar son bastante grandes. No obstante, a lo largo de los ocho cepas investigadas, el número de errores cometidos fuertemente correlacionado con el tamaño de IIPMF (S r = -0,88, df = 6, P <0,01; ver Fig. 3].

A primera vista, este resultado parece confirmar nuestra hipótesis: los animales más grandes con IIPMF proyecciones cometido menos errores, el dominio de la tarea más rápidamente que los animales más pequeños con IIPMF. Sin embargo, los asuntos fueron tal vez más complicado que eso. Tras un examen más detallado, parece que muchos animales cinestésicos utilizado una estrategia para resolver la tarea, visitando adyacentes armas en un sentido horario o las agujas del reloj de moda [11]. La posibilidad de que esa estrategia se basa en la capacidad de orientación espacial o no, no es directamente evidente. Por lo tanto, decidió modificar el laberinto radial tarea, ya que se conocía desde el trabajo con ratas que limitar los temas de 5 segundos a la plataforma central en el brazo posterior entre opciones interrumpe este tipo de encadenar respuesta [18]. Además, las observaciones realizadas durante las pruebas de comportamiento sugiere que, probablemente, no son ratones utilizando señales extra-laberinto opaco cuando se utilizan las armas, ya que rara vez se parece a mirar hacia arriba. Por lo tanto, sustituyen el PVC armas con las armas de Plexiglas claro instalado guillotina y puertas para permitir la aplicación de un procedimiento de confinamiento. Para facilitar el uso de señales extra-laberinto de orientación espacial, varios objetos colocados cerca del laberinto (por supuesto, el experimentador ya es una señal muy visible en sí mismo). Esto se hizo debido a que la cepa con mejores resultados en la experiencia piloto, C3H/HeJ, lleva el Pde6b rd1 rd1 mutación causante de la degeneración de retina [19]. Aunque estos animales no son todavía ciego a la edad en que las utilizamos (alrededor de 3 meses, ver [20 - 22]], su agudeza visual, evidentemente, se verá gravemente afectada, por lo que quería hacer esta tarea tan fácil en sus sistemas visuales como Posible.

Seis ratones machos de cada uno de los nueve diferentes cepas puras se pusieron a prueba en esta tarea modificados. Debido a que esta tarea se espera que sea más difícil que la anterior, probamos los animales durante 5 días, de nuevo dando sólo un ensayo por día [23]. Al igual que en el experimento anterior, los animales de varias cepas de dominar la tarea con sorprendente facilidad, mientras que otras cepas no mejoró sus resultados en todos. Una vez más, la IIPMF tamaños fuertemente correlacionado con el rendimiento (r = -0,92 S, df = 7, P <0,01; véase la Fig. 4]. Sin embargo, en contraste con el anterior experimento, los animales no muestran ningún evidente cinestésicos estrategias más.

Al mismo tiempo, hemos probado el mismo número de animales y de las cepas en otro laberinto radial-tarea que no requiere ninguna orientación espacial, a fin de ser resueltos [23]. Aquí, opaca de PVC y de armas se utilizaron en lugar de puertas de guillotina manual se emplearon láminas de aluminio perforado fija al suelo con cinta adhesiva. Temas fácilmente podría abrir las puertas, pero como esto tomó unos pocos segundos, este procedimiento también se esperaba que interrumpir cualquier cinestésicos estrategias. Al igual que con el anterior espacial tarea, el rendimiento en este experimento varió ampliamente entre las diferentes cepas puras y cinestésicos estrategias fueron, de hecho, inexistente. Sin embargo, no hay correlación alguna con el hipocampo musgo fibras hizo evidente (no se muestran los datos, ver [23]].

Los resultados obtenidos fueron de acuerdo con nuestra hipótesis de que el tamaño de la IIPMF se correlacionan con la capacidad de aprendizaje espacial, pero no con el no aprendizaje de habilidades. Estos datos, por tanto, prestó apoyo a la teoría de la cartografía cognitiva O'Keefe y Nadel [16], que postula que el hipocampo está excepcionalmente interviene en la regulación de la ordenación del territorio, allocentric memoria. Sin embargo, una explicación alternativa está disponible, también. Olton [24], ha planteado la hipótesis de que el hipocampo regula la memoria de trabajo, a diferencia de otros sistemas cerebrales que modulan la memoria de referencia, independientemente de si la información en cuestión era espacial o no en la naturaleza. Bajo esta hipótesis, el trabajo de memoria que almacena la información pertinente a un solo ensayo (por ejemplo, que las armas ya han sido visitados), pero que tiene que ser borrado antes de la próxima prueba para permitir la ejecución correcta. Referencia de memoria se refiere a la información que es pertinente a todos los ensayos (por ejemplo, el hecho de que los alimentos se pueden encontrar al final o un brazo). Evidentemente, nuestra tarea espacial ha sido una tarea de memoria de trabajo, mientras que la tarea no es una tarea de memoria de referencia. Nuestros resultados fueron, por tanto, compatible con las dos teorías en competencia, que de O'Keefe y Nadel [16] y la de Olton [24]. Por lo tanto, nuestra tarea modificado una vez más, para permitir la medición simultánea de trabajo y de referencia tanto en la memoria espacial y no versiones del laberinto radial.

Disociar las tareas más complejas de trabajo y de referencia de memoria

Tras Nadel y McDonald [25], hemos capacitado a los animales procedentes de los mismos nueve cepas puras en una tarea en la que sólo cuatro de los ocho armas fueron recompensados sistemáticamente, las otras cuatro armas nunca los alimentos que contengan cualquier accesible [26]. Dos experimentos fueron realizados. En uno de la tarea era espacial, utilizando el laberinto radial Plexiglas con armas y puertas de guillotina, tal como se describe más arriba. En la otra, la tarea que se está dominado no espaciales, utilizando el laberinto radial con PVC opaco de armas, junto con las puertas de guillotina. En ambas tareas, los animales se limita a la plataforma central de entre 5 segundos posteriores armas opciones. En la versión espacial, los ratones fueron entrenados para localizar cuatro alimentos recompensas que se coloca siempre en el mismo conjunto de cuatro brazos. Cada individuo tiene su propio ratón conjunto de cuatro recompensados armas. Tras la definición Olton, entradas, en un arma que nunca se cebaron constituyen una referencia de memoria (RM) de error, mientras que repetir las entradas en un brazo que ha sido visitado anteriormente constituyen la memoria de trabajo (WM) errores. Para evitar el uso de animales dentro de los tacos de laberinto, el laberinto fue rotado 45 ° al final de cada día (entre posteriores ensayos), a fin de que intra-laberinto y extra-laberinto señales fueron disociadas. Este procedimiento impedido que los animales, por ejemplo, de las siguientes hipotético olfativo senderos y los obligaron a utilizar exclusivamente extramaze tacos. En la versión no, las armas se han caracterizado por diferentes patrones de color blanco-negro en sus plantas. Alimentación recompensas son ahora asociados con diferentes conjuntos de blanco / negro patrones, cada vez más ratón que tiene su propia combinación de los premiados y no premiados patrones. Al igual que en la tarea espacial, RM y WM errores ahora pueden ser definidos.

Esta prueba permite la medición simultánea de WM y RM errores en tareas que, o bien la capacidad de orientación espacial necesario o no. O'Keefe y Nadel la teoría [16] que predecir covariations entre ambos y la IIPMF WM y RM desempeño en el espacio, pero no en la tarea no espaciales. Olton la hipótesis [24] covariations predecir con WM en tanto la espacial y la no tareas, pero no con la tarea, ya sea en RM. Como se muestra en la Fig. 5, los resultados de este experimento fueron totalmente de acuerdo con las predicciones de la teoría de la cartografía cognitiva O'Keefe y Nadel. Además, encontramos que tanto en el espacio y en el no-espacial tareas WM y RM se correlaciona muy fuertemente, lo que plantea dudas sobre si la distinción entre estos dos tipos de memoria realmente es pertinente, al menos para los ratones. De hecho, los experimentos en los que los autores informaron de una disociación entre estas dos formas de memoria (por ejemplo, [27]], casi siempre dos tareas se utilizaron, uno pretendía ser una tarea WM, el otro una tarea RM. Obviamente, esas tareas diferentes difieren de muchos más componentes, lo que podría explicar, al menos, cualquier disociación también.

Usando el laberinto radial para demostrar mutaciones y los efectos farmacológicos

Varios otros autores han investigado también las diferencias de tensión radial laberinto de las tareas de aprendizaje. Se informó de que los resultados a veces son bastante diferentes de las nuestras. Sin embargo, el diseño experimental y aparatos utilizados diferían mucho de la nuestra, también. Por ejemplo, Roullet y Lassalle [28] en lugar de las mujeres utilizan ratones machos, mientras que su laberinto y el utilizado por Ammassari-Teule et al. [29] fue elevado. No es de extrañar, dado el diferente comportamiento de resultados, Roullet y Lassalle [28] no encontraron ninguna correlación con la IIPMF. En contraste, se realizaron varios experimentos espaciales en la tarea con todas las armas con cebo, la investigación de mutaciones [30], Y-cromosómicas [31, 32], y [33] ADNmt efectos sobre IIPMF distribuciones de comportamiento y el aprendizaje. Cuando los resultados de todos estos estudios se combinan con las de nuestro experimento de 1990 ([23], ver Fig. 6], se obtiene una imagen muy coherente. A pesar de que estos experimentos se llevó a cabo durante un período de alrededor de 10 años y fueron llevados a cabo por diferentes personas en diferentes laboratorios utilizando diferentes métodos morfométricos, la correlación obtenida es S r = 0,81 (df = 17, P <0.0001), Que es sólo ligeramente inferior a la correlación encontrado en nuestro estudio de 1990 [23].

Por supuesto, las correlaciones entre dos variables no tienen por qué indicar una relación causal y el aprendizaje espacial-IIPMF correlación podría ser falsa. Hipotéticamente, un tercero, aún desconocido, neuronal variable podría ser el que causa la cepa observado diferencias en el aprendizaje. El IIPMF-learning correlación entonces sólo aparecen porque esta hipotética tercera variable sí se correlaciona con la IIPMF. Sin embargo, en el presente caso, creemos que hay fuertes indicios de que esta correlación es, de hecho, de causalidad. En primer lugar, es notable la coherencia y la fuerza de las correlaciones. Si una tercera variable se correlaciona directamente con el rendimiento del aprendizaje, la correlación IIPMF sería sólo secundaria y la tercera variable tendría que correlacionan con el aprendizaje, incluso más fuerte que la IIPMF hacer. Esto sería difícil de imaginar. En segundo lugar, una correlación entre la cepa medios difiere en un aspecto importante de correlaciones ordinaria, que se estima de los valores individuales. A saber, por ejemplo, una correlación representa una correlación genética, lo que significa que los efectos de genes en una de las variables se correlacionan con el gen efectos en la otra variable [34, 35]. Esta situación hace que sea muy probable que la relación estadística se encuentran, de hecho, una causal. Por último, también hemos tratado este tema en un par de experimentos en los que las crías recién nacido de una cepa (DBA / 2) se sabe que poseen escasos IIPMF proyecciones y débil capacidad de aprendizaje en el laberinto radial fueron tratados con tiroxina en el período postnatal temprano [36 -- 38]. Este tratamiento induce un aumento en el tamaño de la IIPMF en adultos y encontramos que este aumento se acompaña con una mejora significativa de la capacidad de aprendizaje espacial de estos animales, tanto en una tarea en la que todas las armas que se cebaron, así como en una tarea En el que sólo 4 de las armas fueron siempre con cebo.

Otros comportamientos correlacionados con hipocampo neuroanatomía

Aunque la presente revisión se refiere a radiales-laberinto de aprendizaje, queremos mencionar brevemente algunos otros comportamientos que se han encontrado que son equivalentes a los IIPMF. La primera correlación que se informó, con dos vías de evitación activa de aprendizaje, ya se ha mencionado más arriba (para una revisión, ver también [39]. Otros correlaciones que se han encontrado son con intermale agresión [40 - 42], pata preferencia [43], en un retroceso en el aprendizaje de tareas de navegación de agua [44, 45], la discriminación visual y táctil en un laberinto Y [46], y la exploración [47 - 49] y [50] habituación en un campo abierto.

Conclusión

En conjunto, se concluye que en el hipocampo de ratones puras dentro de la fibra de musgo y infrapyramidal proyección desempeña un papel importante en la regulación y / o la modulación de la capacidad de orientación espacial en el laberinto radial. Larger IIPMF ir con mejores proyecciones de las capacidades de aprendizaje espacial en el laberinto radial de las tareas descritas anteriormente. Estas correlaciones son específicas para el aprendizaje espacial, ya que no se encontraron correlaciones en el laberinto radial de las tareas que se podrían resolver que no se usen los tacos o espacial que emplean elevados de laberintos, posiblemente inducir un aumento de los niveles de ansiedad en los sujetos experimentales.

En este punto aún no es plenamente comprendido por qué las variaciones en el tamaño de la IIPMF tienen tales consecuencias drásticas para el comportamiento de un animal. Se ha demostrado que estas variaciones están relacionadas con diferencias en la rotura espontánea en la región CA3 [51] y con diferencias en la LTP [52]. LTP se considera en general como el más prometedor mecanismo fisiológico que subyace el aprendizaje y la memoria, aunque el alcance de su implicación en estos procesos sigue siendo controvertido (ver [53] para una discusión crítica). Sin embargo, se ha descubierto recientemente que el bloqueo de musgo o fibra LTP LTD no abolir las capacidades de aprendizaje espacial en ratones [54]. Por lo tanto, la IIPMF modular el comportamiento aparentemente por otros mecanismos. Una posibilidad podría ser que de alguna manera más grandes IIPMF facilitar LTP en el hipocampo CA1 región. Esta hipótesis sería consistente con los resultados de nuestros más grandes IIPMF que ir con una mejor capacidad de aprendizaje espacial y una menor de dos vías activa el aprendizaje de evitación, conductas que se suprimen, respectivamente mejorado, después de una lesión del hipocampo [16]. Además la investigación es evidente que se necesita para hacer frente a estas cuestiones.

Por último, entre los diferentes hipocampo laberinto radial que dependen de tareas presentado anteriormente, la simple espacial uno (los ocho premiados armas, de corto confinamiento a la plataforma central entre las opciones brazo posterior) parece ser la tarea más útil: Es rápido (en nuestro protocolo Utilizamos sólo 5 juicios diarios, teniendo en cada ensayo de unos minutos cerca del final de la formación) y que hemos utilizado con éxito para investigar los efectos de los tratamientos farmacológicos [55, 56] o para detectar mutaciones sutiles efectos [57].

Conflicto de intereses

Los autores declaran que no tienen intereses en conflicto.

Contribuciones de los autores

Las ideas presentadas en este manuscrito son el resultado de muchos años de discusiones entre WEC y HS. El manuscrito fue redactado por WEC. Ambos autores leído y aprobado el manuscrito final.

Agradecimientos

Nos gustaría agradecer a nuestros colegas y estudiantes que a través de los años han colaborado con nosotros en los estudios presentados anteriormente: Ingrid Brust (Heidelberg, Alemania), Pascale Guillot (Londres, Reino Unido), Laure Jamot (Marsella, Francia), Hans-Peter Lipp (Zurich, Suiza), Charlotte Marican (París, Francia), y Frans Sluyter (Londres, Reino Unido).