Neural mechanisms underlying learned and innate behaviors
Sammendrag uendret: Hjernen opererer i en fin balanse mellom tilstrekkelig plastisitet til å kunne lagre nye minner og samtidig nok stabilitet til å vedlikeholde gamle minner og lærte ferdigheter. Slike tilpasninger krever et samspill mellom molekylære faktorer og mekanismer innad i store populasjoner av nerveceller, men vi vet lite om hvordan dette samspillet skjer. Disse endringene skjer i ulik grad mellom ulike hjerneområder, som f eks hjernebarken hvor plastisteten i hovedsak er begrenset til perioder under utviklingen mens det i deler av hippocampus er høy plastisitet hele livet. I tillegg finnes områder dypt i hjernen med svært lav plastisitet hele livet, som bl a er viktig for medfødte adferder som er viktig for overlevelse. En av komponentene som virker å være spesielt viktig for reguleringen av plastisitet er en spesiell type ekstracellulær matriks-proteiner, kalt perinevrale nett (PNN), som dannes rundt et utvalg av nerveceller mot slutten av hjerneutviklingen. Endret funksjon av PNN har også sannsynligvis en rolle i utvikling av schizofreni.
I dette prosjektet ønsker vi å studere hvordan ulike molekylære faktorer og ulike typer nerveceller påvirker reguleringen av plastisitet og hvordan disse tilpasningene skjer i et nettverk av nerveceller, ved å bruke et utvalg adferdstester og manipulere nervecellenes aktivitet samt uttrykket av PNN, mens vi måler nervecellenes aktivitet ved bruk av ulike metoder. Adferdsoppgavene går f eks ut på at dyrene utforsker en ukjent, åpen boks, for å se hvor "uredde" de er, eller at det på en skjerm over boksen vises en sirkel som raskt blir mindre, for å simulere et rovdyr som kommer ovenfra; dyrene kan da flykte til et lite kammer eller bli stående helt stille.
Vi ønsker å benytte nylig utviklede mus med genetiske modifikasjoner som bla a gjør at vi kan slå av et av genene som er viktigst for utvikling av PNN eller merke nerveceller som er aktive under en læringsoppgave. I tillegg ønsker vi å bruke rotter som er bedre egnet i enkelte av oppgavene. Totalt søker vi om å bruke 700 mus, fordelt over seks ulike genetiske linjer, og 200 rotter, fordelt på to ulike genetiske linjer. Selv om mye av kunnskapen om hvordan nerveceller fungerer kommer fra forsøk i cellekultur og andre in vitro-systemer kan ikke disse metodene gi svar på hvordan hjernen fungerer i det våkne oppmerksomme dyret, og hvordan ulike hjerneområder kommuniserer med hverandre. Vi gjør derfor alle målingene i våkne dyr som utforsker en boks eller et kammer, eller løper på en løpeball. Forsøkene er tidskrevende og vi jobber derfor med samme dyr flere timer daglig, med tett oppfølging og mye tilvenning og trening før forsøkene. Fordi vi følger de samme dyrene over tid kan vi sammenligne responsene innad og bruker derfor betraktelig færre dyr enn om man er avhengig av å sammenligne på tvers av flere dyr. Som en del av senteret Cinpla samarbeider vi tett med forskere som bruker matematiske modeller for å simulere hjerneaktivitet, som på sikt vil redusere bruken av forsøksdyr betraktelig. Studiene vil ha stor betydning for vår forståelse av hjerneplastisitet og hjernefunksjon.
I dette prosjektet ønsker vi å studere hvordan ulike molekylære faktorer og ulike typer nerveceller påvirker reguleringen av plastisitet og hvordan disse tilpasningene skjer i et nettverk av nerveceller, ved å bruke et utvalg adferdstester og manipulere nervecellenes aktivitet samt uttrykket av PNN, mens vi måler nervecellenes aktivitet ved bruk av ulike metoder. Adferdsoppgavene går f eks ut på at dyrene utforsker en ukjent, åpen boks, for å se hvor "uredde" de er, eller at det på en skjerm over boksen vises en sirkel som raskt blir mindre, for å simulere et rovdyr som kommer ovenfra; dyrene kan da flykte til et lite kammer eller bli stående helt stille.
Vi ønsker å benytte nylig utviklede mus med genetiske modifikasjoner som bla a gjør at vi kan slå av et av genene som er viktigst for utvikling av PNN eller merke nerveceller som er aktive under en læringsoppgave. I tillegg ønsker vi å bruke rotter som er bedre egnet i enkelte av oppgavene. Totalt søker vi om å bruke 700 mus, fordelt over seks ulike genetiske linjer, og 200 rotter, fordelt på to ulike genetiske linjer. Selv om mye av kunnskapen om hvordan nerveceller fungerer kommer fra forsøk i cellekultur og andre in vitro-systemer kan ikke disse metodene gi svar på hvordan hjernen fungerer i det våkne oppmerksomme dyret, og hvordan ulike hjerneområder kommuniserer med hverandre. Vi gjør derfor alle målingene i våkne dyr som utforsker en boks eller et kammer, eller løper på en løpeball. Forsøkene er tidskrevende og vi jobber derfor med samme dyr flere timer daglig, med tett oppfølging og mye tilvenning og trening før forsøkene. Fordi vi følger de samme dyrene over tid kan vi sammenligne responsene innad og bruker derfor betraktelig færre dyr enn om man er avhengig av å sammenligne på tvers av flere dyr. Som en del av senteret Cinpla samarbeider vi tett med forskere som bruker matematiske modeller for å simulere hjerneaktivitet, som på sikt vil redusere bruken av forsøksdyr betraktelig. Studiene vil ha stor betydning for vår forståelse av hjerneplastisitet og hjernefunksjon.
Etterevaluering
Endringer godkjent 7/1-20 kan medføre at enkelte av forsøksdyrene vil oppleve betydelig belastning. Dette gjelder spesielt langvarig oppstalling alene.
Begrunnelse for etterevalueringen
FOTS id 14680 har vært et svært omfattende prosjekt med mange ulike prosedyrer, dyr og metoder for datainnsamling. Prosjektet var i utgangspunktet klassifisert som moderat belastende, og ble endret til betydelig belastende etter godkjenning av en endringssøknad.
Her ønsket søkeren å teste implantater av økt størrelse. Søkeren fikk tillatelse til å gjøre dette som pilotforsøk, og belastningsgraden for prosjektet ble endret. Mattilsynet har vært informert om pilotforsøket underveis med varsling i forkant av operasjoner og forsøksperiode, videodokumentasjon, innsending av vekstkurver og rapporter om atferdstrening. Siden denne delen av prosjektet er den som krever etterevaluering, og prosjektet ellers er svært omfattende å oppsummere, gjelder etterevalueringen i hovedsak dyrene som er brukt til pilotforsøkene.
Datamaterialet som er samlet inn er svært nyttig. Det finnes ingen andre muligheter til å kunne få samtidige målinger fra flere hjerneområder, noe som er nødvendig for å kunne vite hvordan hjerneområdene kommuniserer under læring.
Formålene for forsøket ble delvis oppnådd. Datainnsamlingen forløp uten dyrevelferdsmessige problemer, men datakvaliteten var ikke optimal, grunnet en feil i både software og hardware som søkeren ble oppmerksom på i etterkant. Det var også ukjente kilder til støy i rommet som påvirket målingene. Søkeren har fått innvilget tillatelse for videreføring av forsøkene for å optimalisere datainnsamlingen.
Å kunne benytte større implantater i enkelte tilfeller er svært gunstig for å øke datamengden per individ, og i dette prosjektet har det vært helt nødvendig for å kunne måle fra flere hjerneområder samtidig. Undervis i gjennomføring av piloten har prosjektmedarbeiderne raffinert forarbeid og operasjonsteknikk for å gjøre implantatet mer stabilt og redusere vekten.
For gjennomføring av elektrofysiologiske målinger i mus med implantatvekt på inntil 20% av kroppsvekt ble 10 dyr brukt.
Dyrene hadde normal vekstkurve, de gjennomførte en visuell assosiasjonslæring med samme fremgang som kontrolldyr og hadde ingen tydelige utfordringer med implantatene.
Søkeren vurderer at belastningen for dyrene har vært moderat.
Søkeren beskriver disse raffineringene som er gjort i pilotdelen av prosjektet:
1. Vi har benyttet noe større dyr enn i resten av prosjektet. Mus som skulle inngå i disse forsøkene ble splittet til å bo parvis fremfor 4 per bur, fra 4-12 ukers alder. Til tross for at alle dyr gis ad libitum mat og vann og den samme tilgang til berikelse har parvis oppstalling gitt noe raskere vekst. Vi antar at større dyr altså kan gi høyere toleranse for implantat med høy vekt.
2. Vi har gjort tilpasninger i måleutstyret for å øke stabiliteten og redusere vekten. I all hovedsak gjelder dette lengden på elektrodene, samt at alle selve implantatet ble gjort mindre ved å redusere mengden festemiddel (dentalsement og neglelakk) som leverandør normalt påfører. I tillegg har vi redusert vekten av hodebar som benyttes for å feste dyret, ved å benytte perforerte hodebarer og redusere størrelsen på disse.
De humane endepunktene for forsøket har vært nokså generelle, med tanke på et komplekst eksperimentelt design der individuell variasjon er en stor faktor.
Hvert individ er blitt vurdert på grunnlag av både objektive (f.eks. kroppsvekt) og subjektive variabler som i stor grad avhenger av erfaring.
Det er ikke mulig å erstatte dyrene som benyttes i disse forsøkene med alternativer.
Forsøkene gjelder hittil ukjente prosesser og nettverk i hjernen, og de er avgjørende for å forstå mekanismene som ligger til grunn for hvordan informasjon overføres mellom ulike deler av hjernen. Til dette er det nødvendig både å studere nettverket under normale forhold, og å manipulere enkelte elementer av nettverket og måle effektene av en slik manipulering.
De prosjektansvarlige jobber nært med forskere innen beregningsorientert fysikk som benytter dataene i sine modeller. Disse modellene er viktige for økt innsikt i det som skjer i den virkelige hjernen, og modellene er helt avhengige av nøyaktige målinger i dyreforsøk. Dette samspillet mellom dyreforsøk og modeller gjør at man får økt innsikt i det som måles, og nye eksperimenter kan planlegges og gjennomføres på en stadig bedre måte.
Det er brukt 650 dyr i prosjektet, som var godkjent for inntil 900 dyr.
Det er utfordrende å samle inn mer data per dyr enn det som er gjort i forsøket.
Her ønsket søkeren å teste implantater av økt størrelse. Søkeren fikk tillatelse til å gjøre dette som pilotforsøk, og belastningsgraden for prosjektet ble endret. Mattilsynet har vært informert om pilotforsøket underveis med varsling i forkant av operasjoner og forsøksperiode, videodokumentasjon, innsending av vekstkurver og rapporter om atferdstrening. Siden denne delen av prosjektet er den som krever etterevaluering, og prosjektet ellers er svært omfattende å oppsummere, gjelder etterevalueringen i hovedsak dyrene som er brukt til pilotforsøkene.
Datamaterialet som er samlet inn er svært nyttig. Det finnes ingen andre muligheter til å kunne få samtidige målinger fra flere hjerneområder, noe som er nødvendig for å kunne vite hvordan hjerneområdene kommuniserer under læring.
Formålene for forsøket ble delvis oppnådd. Datainnsamlingen forløp uten dyrevelferdsmessige problemer, men datakvaliteten var ikke optimal, grunnet en feil i både software og hardware som søkeren ble oppmerksom på i etterkant. Det var også ukjente kilder til støy i rommet som påvirket målingene. Søkeren har fått innvilget tillatelse for videreføring av forsøkene for å optimalisere datainnsamlingen.
Å kunne benytte større implantater i enkelte tilfeller er svært gunstig for å øke datamengden per individ, og i dette prosjektet har det vært helt nødvendig for å kunne måle fra flere hjerneområder samtidig. Undervis i gjennomføring av piloten har prosjektmedarbeiderne raffinert forarbeid og operasjonsteknikk for å gjøre implantatet mer stabilt og redusere vekten.
For gjennomføring av elektrofysiologiske målinger i mus med implantatvekt på inntil 20% av kroppsvekt ble 10 dyr brukt.
Dyrene hadde normal vekstkurve, de gjennomførte en visuell assosiasjonslæring med samme fremgang som kontrolldyr og hadde ingen tydelige utfordringer med implantatene.
Søkeren vurderer at belastningen for dyrene har vært moderat.
Søkeren beskriver disse raffineringene som er gjort i pilotdelen av prosjektet:
1. Vi har benyttet noe større dyr enn i resten av prosjektet. Mus som skulle inngå i disse forsøkene ble splittet til å bo parvis fremfor 4 per bur, fra 4-12 ukers alder. Til tross for at alle dyr gis ad libitum mat og vann og den samme tilgang til berikelse har parvis oppstalling gitt noe raskere vekst. Vi antar at større dyr altså kan gi høyere toleranse for implantat med høy vekt.
2. Vi har gjort tilpasninger i måleutstyret for å øke stabiliteten og redusere vekten. I all hovedsak gjelder dette lengden på elektrodene, samt at alle selve implantatet ble gjort mindre ved å redusere mengden festemiddel (dentalsement og neglelakk) som leverandør normalt påfører. I tillegg har vi redusert vekten av hodebar som benyttes for å feste dyret, ved å benytte perforerte hodebarer og redusere størrelsen på disse.
De humane endepunktene for forsøket har vært nokså generelle, med tanke på et komplekst eksperimentelt design der individuell variasjon er en stor faktor.
Hvert individ er blitt vurdert på grunnlag av både objektive (f.eks. kroppsvekt) og subjektive variabler som i stor grad avhenger av erfaring.
Det er ikke mulig å erstatte dyrene som benyttes i disse forsøkene med alternativer.
Forsøkene gjelder hittil ukjente prosesser og nettverk i hjernen, og de er avgjørende for å forstå mekanismene som ligger til grunn for hvordan informasjon overføres mellom ulike deler av hjernen. Til dette er det nødvendig både å studere nettverket under normale forhold, og å manipulere enkelte elementer av nettverket og måle effektene av en slik manipulering.
De prosjektansvarlige jobber nært med forskere innen beregningsorientert fysikk som benytter dataene i sine modeller. Disse modellene er viktige for økt innsikt i det som skjer i den virkelige hjernen, og modellene er helt avhengige av nøyaktige målinger i dyreforsøk. Dette samspillet mellom dyreforsøk og modeller gjør at man får økt innsikt i det som måles, og nye eksperimenter kan planlegges og gjennomføres på en stadig bedre måte.
Det er brukt 650 dyr i prosjektet, som var godkjent for inntil 900 dyr.
Det er utfordrende å samle inn mer data per dyr enn det som er gjort i forsøket.