Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Behavior
Click here for the English version

Behavior

استخدام نظام متاهة قابل لإعادة التكوين لتعزيز قابلية استنساخ اختبارات الملاحة المكانية في القوارض

Published: December 2, 2022 doi: 10.3791/64754
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1
1Laboratory of Cognitive and Behavioral Neuroscience, Graduate School of Brain Science, Doshisha University

Summary

يصف البروتوكول الحالي متاهة قابلة لإعادة التشكيل ، وهو نظام فريد لاختبار الملاحة المكانية والأنماط الظاهرية السلوكية في القوارض. تتيح القدرة على التكيف لنظام المتاهة هذا تنفيذ تجارب مختلفة في بيئة مادية واحدة. سهولة إعادة الترتيب الهيكلي تولد نتائج تجريبية موثوقة وقابلة للتكرار.

Abstract

تستخدم العديد من أشكال المتاهة لاختبار أداء الملاحة المكانية والأنماط الظاهرية السلوكية. تقليديا ، تتطلب كل تجربة شكل متاهة فريد ، وبالتالي تتطلب عدة متاهات منفصلة في تكوينات مختلفة. لا يمكن إعادة تكوين هندسة المتاهة في بيئة واحدة لاستيعاب قابلية التوسع وقابلية التكاثر. المتاهة القابلة لإعادة التكوين هي نهج فريد لمعالجة القيود ، مما يسمح بتكوينات سريعة ومرنة لمسارات المتاهة بطريقة قابلة للتكرار. يتكون من مسارات متشابكة ويتضمن مغذيات وأجهزة مشي وجدران متحركة وأجهزة استشعار للإغلاق. يصف البروتوكول الحالي كيف يمكن للمتاهة القابلة لإعادة التكوين تكرار المتاهات الموجودة ، بما في ذلك متاهات الشكل T والشكل الزائد والشكل W والشكل الثامن. في البداية ، تم بناء المتاهة على شكل حرف T داخل غرفة تجريبية واحدة ، تليها تعديلات. يوضح البروتوكول السريع والقابل للتطوير الموضح هنا مرونة المتاهة القابلة لإعادة التشكيل ، والتي تتحقق من خلال إضافة المكونات ومراحل التدريب السلوكي بطريقة تدريجية. تقوم المتاهة القابلة لإعادة التكوين بشكل منهجي ودقيق بتقييم أداء جوانب متعددة من سلوك الملاحة المكانية.

Introduction

الملاحة المكانية هي قدرة أساسية للحيوان على تحديد طريق مناسب لهدف مستهدف. هناك حاجة إلى عمليات معرفية مختلفة ، مثل صنع القرار والتعلم والذاكرة ، أثناء التنقل. يسمح استخدام هذه العمليات بالتعلم التجريبي عند تحديد أقصر طريق لتحقيق الهدف. تستخدم اختبارات المتاهة للتحقيق في الآليات السلوكية والفسيولوجية للملاحة المكانية1. على سبيل المثال ، المتاهة على شكل حرف T 2,3 ، المتاهةعلى شكل زائد4 ، متاهة الذراع الشعاعية 5,6 ، ومتاهة الشكلالثامن 7 تقيم سلوك الملاحة المكانية ، بما في ذلك المتغيرات المعرفية مثل اتخاذ القرار 8 والقلق9.

كل شكل متاهة له مزايا وعيوب ، يتطلب تجارب متعددة الأوجه باستخدام مهام متاهة متعددة لتقييم التعلم والذاكرةالمحددة 10,11. على سبيل المثال ، مهمة التناوب التلقائي ، التي يختار فيها الحيوان بين الذراع الأيسر والأيمن دون الحاجة إلى التعلم ، هي مهمة ذاكرة عاملة مكانية نموذجية يمكن تقييمها باستخدام متاهات على شكل حرف T و Y12. تستخدم متاهات الذراع ذات الشكل الزائد والشعاعي ، والتي تستخدم اتجاه الرأس والإشارات الخارجية ، لتحديد قدرة الملاحة الموجهة نحو الهدف13. يتم استخدام الشكل الثامن والمتاهات المعدلة على شكل حرف T ، والتي تفصل بين المسارات عند الاختيار والعودة ، لتقييم مهام الذاكرة العاملة المكانية من خلال تحليل وظيفة الملاحة حسب المسار14,15.

قد يكون من الصعب الحفاظ على الاتساق بين المتاهات عند استخدام عدة متاهات في تجربة واحدة. يعتقد أن القوارض تستخدم الإشارات المرئية للملاحة16،17،18 ؛ يمكن أيضا استخدام طرائق حاسة الشم19،20 والحسية الجسدية21 للإدراك المكاني وقد تساهم في قدرة الملاحة. إذا تم إجراء سلسلة من تجارب المتاهة باستخدام مساحات وتخطيطات وأبعاد ومواد مختلفة ، فقد تؤثر هذه المتغيرات على استراتيجية التنقل للقوارض. تتطلب دراسات الملاحة المكانية رقابة صارمة ممكنة على هذه المتغيرات. ومع ذلك ، فإن الحفاظ على جهاز متاهة موحد لمختلف الأشكال أو إعادة بناء المتاهة لكل تجربة قد يكون مكلفا. هذه الصعوبات تمنع طريقة منهجية لإجراء سلسلة من التجارب داخل نفس المختبر.

لمكافحة القيود التي تم تكوينها في هياكل المتاهة المنشأة مسبقا ، يتم وصف نظام المتاهة الذي يمكن تكوينه بأشكال مختلفة في بيئة مادية واحدة22 هنا. تجمع "المتاهة القابلة لإعادة التكوين" بين الأجزاء القياسية ، مما يوفر بيئة اختبار قابلة للتكرار والتكرار ومرنة وقابلة للتطوير. توضح هذه المقالة قدرة متاهة قابلة لإعادة التكوين لتقييم التنقل المكاني في القوارض.

Protocol

تمت الموافقة على جميع الإجراءات من قبل اللجان المؤسسية لرعاية واستخدام الحيوانات بجامعة دوشيشا. تم استخدام ثلاثة ذكور من الفئران Long-Evans ، تتراوح أعمارهم بين 24 و 28 أسبوعا (في بداية التدريب السلوكي) ، بأوزان جسم تتراوح بين 300-350 جم ، في الدراسة الحالية. تم إيواء الفئران بشكل فردي في أقفاص منزلية (20 سم × 25 سم × 23 سم) على جدول زمني مظلم لمدة 12 ساعة / 12 ساعة مظلمة ، مع بدء فترة الضوء في الساعة 08:00 صباحا. تم الحصول على الحيوانات من مصدر تجاري (انظر جدول المواد).

1. مكونات نظام المتاهة

ملاحظة: يجب تركيب نظام المتاهة (بما في ذلك جميع المكونات ، الخطوات 1.1-1.5) (انظر جدول المواد) في غرفة محمية مغطاة بشبكة نحاسية (4 م × 5 م للفئران و 1.8 م × 3.0 م للفئران) للاستخدام المتزامن لتسجيل النشاط العصبي الكهربيولوجي. يجب رفع المتاهة على ارتفاع ثابت من الأرض (55 سم للفئران و 34 سم للفئران).

  1. لوحة اللكم
    1. ضع لوح التثقيب المصنوع من الألومنيوم على أرضية غرفة الدرع (أبعاد لوح التثقيب: 360 سم × 480 سم × 1.2 سم للفئران ؛ 160 سم × 160 سم × 1.2 سم للفئران) (الشكل 1F ، G).
      ملاحظة: يمكن للمجرب الوقوف على السبورة.
    2. جهز لوح التثقيب بشبكة من الثقوب المتباعدة بالتساوي (لكل من الجرذان والفئران ، تباعد الثقوب 25 مم وقطر الثقب 6 مم) (الشكل 2 ج).
      ملاحظة: تتيح هذه الثقوب وضع متاهات قابلة للتكرار بدرجة كبيرة (الشكل 2 د).
  2. برج مع صفيحة
    1. قم بتطوير برج بصفيحة أساس مصنوعة من الألومنيوم لتشكيل مسارات ذات ارتفاع ثابت (أبعاد الجزء الجذعي من البرج هي 55 سم × 6 سم × 2 سم للفئران و 34 سم × 1.3 سم × 1.3 سم للفئران) (الشكل 1 أ).
    2. استخدم الصفيحة الأساسية لإصلاح موضع أجزاء المتاهة (أبعاد الصفيحة هي 18 سم × 11 سم × 0.5 سم للفئران و 12 سم × 7 سم × 0.3 سم للفئران).
    3. جهز الصفيحة الأساسية بنتوءات لتوصيل شبكة من الثقوب المتباعدة بالتساوي في لوح التثقيب (قطر البروز 6 مم) (الشكل 2 ب).
    4. استخدم الثقوب لتوصيل المكونات مثل المغذيات والجدران المتحركة وأجهزة المشي (انظر جدول المواد) المجهزة بأبراج ذات ألواح أساسية.
      ملاحظة: بالنسبة للفئران ، كان للصفيحة أربعة نتوءات (طول 8 مم) (الشكل 1F) تم إدخالها في الثقوب الموجودة في لوح التثقيب. بالنسبة للفئران ، كانت الصفيحة الأساسية خفيفة جدا لدعم المسار ، لذلك تم إدخال البراغي في الثقوب (كانت أطوال البراغي 14 مم) (الشكل 1G).
  3. مسار المتاهة
    ملاحظة: المسار المتاح تجاريا (49 سم × 10 سم للفئران و 39 سم × 5 سم للفئران) مصنوع من كلوريد البولي فينيل (سمك 5 مم للفئران و 3 مم للفئران) (انظر جدول المواد).
    1. قم ببناء أصغر جزء من المتاهة عن طريق وضع المسار في الجزء العلوي من البرج (الشكل 1 ب).
    2. تصميم الجزء العلوي من البرج ليتوافق مع أبعاد الجانب السفلي من المسار (أبعاد الجزء العلوي من البرج 48 سم × 8 سم × 1 سم للفئران و 21.9 سم × 3.9 سم × 0.3 سم للفئران). لإصلاح المسار إلى البرج ، ضعه في الأعلى.
    3. توفير حواجز جانبية مصنوعة من البولي فينيل كلوريد لمنع الحيوانات من السقوط (45 ملم للفئران و 30 ملم للفئران).
      ملاحظة: تتوفر عدة أنماط لتوصيل المسارات بطرق مختلفة ، مثل الأجزاء التي تمت إزالة حاجز جانبي واحد فقط. تتوفر نماذج ثلاثية الأبعاد لأجزاء المسار (https://github.com/TakahashiLab/ReconfigurableMazeParts) ويمكن طباعتها باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد (انظر جدول المواد).
  4. الأجزاء المصاحبة
    ملاحظة: يمكن تنفيذ الأجزاء المطلوبة للتجارب السلوكية عن طريق ربط صفيحة أساسية مشتركة بالمسار.
    1. ضع مغذيات على جانب أي مسار لتغيير موقع المكافأة (الشكل 1C).
      ملاحظة: يتم الكشف عن الحيوانات التي تدس المغذيات بواسطة مستشعرات الإغلاق (انظر جدول المواد).
    2. ضع جدرانا متحركة في الفجوات بين المسارات لإجبار الحيوانات على توجيه اتجاه الحركة (الشكل 1 د).
      ملاحظة: بالنسبة للفئران ، عندما يتم رفع الجدار المتحرك ، يكون ارتفاع الجدار 90 سم من الأرض و 29.5 سم من الحواجز الجانبية للمسار. عندما يتم خفض الجدار المتحرك ، يكون ارتفاع الجدار 54 سم من الأرض و -5.5 سم من الحواجز الجانبية للمسار. بالنسبة للفئران ، عندما يتم رفع الجدار المتحرك ، يكون ارتفاع الجدار 55 سم من الأرض و 17 سم من الحواجز الجانبية للمسار. عندما يتم خفض الجدار المتحرك ، يكون ارتفاع الجدار 35 سم من الأرض و -3 سم من الحواجز الجانبية للمسار.
    3. ضع أجهزة المشي مع مسارات لفرض تأخير التشغيل في مواضع ثابتة (الشكل 1E).
  5. صندوق التحكم
    ملاحظة: تحكم في كل جزء تلقائيا عبر صندوق التحكم (الشكل 1H) (انظر جدول المواد).
    1. استخدم متحكم دقيق لاستقبال الإشارات من أجهزة المشي والمغذيات عبر صندوق التحكم.
      ملاحظة: يمكن اكتشاف مستشعر إيقاف التشغيل الموجود على وحدة التغذية وعدد دورات جهاز المشي.
    2. استخدم متحكم دقيق لإرسال إشارات التنشيط إلى أجهزة المشي والمغذيات ومشغلات الحائط المتحركة وفقا لجدول مهام محدد عبر صندوق التحكم. التحكم بشكل فردي في الاستغناء عن الكريات والتخلص منها ، ورفع وخفض الجدار المتحرك.

2. تقييم الملاحة الخاصة للقوارض في المتاهة القابلة لإعادة التكوين

ملاحظة: أجريت تجربة سلوك الحيوان باستخدام المتاهة القابلة لإعادة التكوين (التي تم تطويرها في الخطوة 1).

  1. مثال على بناء متاهة
    ملاحظة: يرد مثال على كيفية تجميع متاهة على شكل حرف T للفئران المستخدمة في تجربة مهمة التناوب المتأخر في الشكل 3.
    1. أدخل الأبراج ذات الألواح الأساسية في لوح التثقيب لتشكيل إطار على شكل حرف T (الشكل 3 أ).
    2. إرفاق مسارات إلى الجزء العلوي من الأبراج (الشكل 3 ب).
    3. استبدل المسار في المنطقة المتأخرة بجهاز المشي (الشكل 3C).
      ملاحظة: يمكن استبدال جهاز المشي بمسار بنفس الارتفاع والطول.
    4. قم بتوصيل مغذيات بكل حافة من المتاهة (الشكل 3 د).
    5. قم بتوصيل الجدران المتحركة بالفرعين الأيسر والأيمن (الشكل 3E).
      ملاحظة: تأكد من عدم وقوع مخلب الحيوان وذيله في الفجوات بين الأقسام.
       
  2. الحيوانات
    1. التأكد من بقاء وزن جسم الفئران بين 300 و 350 جم ، وإجراء جميع التجارب السلوكية خلال النهار.
  3. تنفيذ المهمة
    1. بدء التشغيل وتوصيل صندوق التحكم والمتحكم الدقيق والكمبيوتر الشخصي.
    2. اكتب برنامجا لإعداد جدول المهام وتلقي المعلمات اللازمة للتجربة.
    3. اكتب البرنامج إلى المتحكم الدقيق وقم بتنفيذ مهمة.
      ملاحظة: يتوفر مثال جدول مهام محدد مكتوب بلغة C باستخدام لوحة متحكم دقيق في مستودع عام (https://github.com/TakahashiLab/ReconfigurableMazeExample).
  4. التجربة السلوكية
    1. قم ببناء شكل المتاهة المطلوب (الخطوة 2.1).
    2. نقل الفئران من أقفاص المنزل ووضعها في الوضع التعسفي للمتاهة.
    3. اسمح للفئران باستكشاف المتاهة المشيدة بحرية لمدة 10 دقائق لتعتاد.
    4. قم بإعداد برنامج لأداء مهمة التناوب المتأخرة باستخدام جهاز المشي23,24.
      ملاحظة: يمكن الحصول على المعلمات المطلوبة للتجربة تلقائيا من خلال إعدادات البرنامج (على سبيل المثال ، عدد مرات الوخز ، ومدة التجربة ، وسرعة جهاز المشي ، وما إلى ذلك).
    5. تغيير شكل المتاهة إذا لزم الأمر.
    6. ضع الفئران في الموضع التعسفي في المتاهة وقم بتنفيذ التدريب أو اختبار مهمة التناوب المتأخرة.
      ملاحظة: في هذه الدراسة ، أجريت جلسات تدريبية مع زيادة تدريجية في وقت التأخير وجلسات الاختبار (مع وقت تأخير 5 ثوان).
    7. إعادة الفئران إلى قفص المنزل بعد كل مهمة.
    8. امسح المتاهة جيدا باستخدام 70٪ من الإيثانول بعد كل فأر وانتظر 5 دقائق على الأقل قبل استخدام المتاهة مرة أخرى.
      ملاحظة: يمكن فصل أجزاء المسار عن البرج بحيث يمكن مسحها تماما من الروائح والأوساخ.

3. الأداء السلوكي وتحليل البيانات

  1. مسار الحيوان
    1. سجل سلوك الحيوان أثناء مهمة التناوب المتأخرة باستخدام كاميرا فيديو رقمية مثبتة في السقف (انظر جدول المواد).
      ملاحظة: من خلال وضع الكاميرا على السقف ، يمكن للمجرب تسجيل حركات الحيوانات باستمرار أثناء ركضها حول المتاهة أثناء المهمة.
    2. تتبع مسارات الجري باستخدام برنامج تقدير الوضعبدون علامات 25 (انظر جدول المواد) بناء على الصور الملتقطة بمعدل 50 إطارا / ثانية.

Representative Results

استخدمت بعض أجزاء المتاهة القابلة لإعادة التكوين إنشاءات متاهة قياسية موصوفة في الدراسات السابقة3،4،7،26،27. هنا ، تم إعادة تشكيل متاهات المسار الخطي ، على شكل حرف T ، على شكل حرف W ، والشكل الثامن في نفس البيئة المادية (الشكل 4A-D). لإثبات أن المتاهة القابلة لإعادة التكوين يمكن أن تنفذ بسلاسة الاختبار السلوكي المطلوب عن طريق القياس التدريجي والسريع ، تضمن البروتوكول المستخدم للنتائج التمثيلية أربع مراحل تدريب (الشكل 5 أ).

في المرحلتين الأولى والثانية ، تم استلام المكافآت عن طريق دس Feeder R بعد دس Feeder A. في المرحلتين الثالثة والرابعة ، تم استلام المكافأة عن طريق دس وحدة التغذية R بعد دس المغذيات A و B ، بهذا الترتيب. في المرحلة الرابعة ، أدى دس وحدة التغذية A إلى دوران جهاز المشي ، ولا يمكن الوصول إلى وحدة التغذية B إلا بعد 5 ثوان من التشغيل القسري. في مرحلة الاختبار (مهمة التناوب المتأخرة) ، كان الإجراء مشابها للمرحلة الرابعة ، لكن Feeder R كان في الذراعين عند حافة المتاهة على شكل حرف T ، وتمت مكافأة الفئران بدس وحدة التغذية المعاكسة من المرحلة السابقة. كانت الفئران قادرة على التحرك استجابة لطول وشكل المسار الممتد وتغيير مواقع التغذية (الشكل 5B). تم تنفيذ جميع المراحل في 30 تجربة ، مع تعريف كل تجربة على أنها مثيل لوصول الجرذ إلى Feeder R. يوضح الشكل 6 أ مدة المهمة التي قضتها الفئران الثلاثة في إكمال 30 تجربة في كل مرحلة. أكدت التدابير المتكررة ANOVA أن وقت إكمال مهمة الفئران يختلف بين المراحل (F (4 ، 8) = 16.98 ، p < 0.05 ، تصحيح Greenhouse Geisser28). كانت الفئران قادرة على التكيف بمرونة مع التغيرات في طول المسار وظروف المكافأة. في مرحلة الاختبار ، التي أجريت في اليوم التالي ، اقتربت جميع الفئران بشكل مقارب من النسب العالية لاستجابات الاختيار الصحيحة في غضون 3 أيام (الشكل 6 ب).

قام العديد من المجربين ببناء المتاهات لتأكيد أن مثل هذا التوسع التدريجي في المتاهة يمكن إجراؤه بسرعة (الشكل 6C). في هذه المقالة ، تمت إضافة وقت الأجزاء المصاحبة (جهاز المشي ، المغذيات) إلى وقت تحويل المسار في التقرير السابق22 من أجل قياس وقت بناء المتاهة عمليا. باستخدام الإجراء الخاص بمهمة التناوب المتأخر (الشكل 5 أ) ، قام خمسة مجربين بتغيير المتاهة من شكل المرحلة الثانية إلى شكل مرحلة الاختبار. تقارب الوقت إلى 67.80 ± 3.03 ثانية (متوسط ± SE) في التجربة الثالثة. شمل الاختبار المجربين الذين استخدموا نظام المتاهة هذا لعدة سنوات وأولئك الذين نادرا ما استخدموه.

Figure 1
الشكل 1: عناصر المتاهة القابلة لإعادة التشكيل. (A-E) برج مع صفيحة الأساس والأجزاء المقابلة للفئران. (و ، ز) تختلف طريقة تثبيت الصفيحة الأساسية بالنسبة للجرذان والفئران. تشير الأسهم إلى نتوءات (بيضاء) ومسامير (زرقاء). (H) إدخال / إخراج الإشارة عبر وحدة التحكم للمهام المؤتمتة بالكامل. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2: توصيل لوح التثقيب بالصفيحة الأساسية . (أ) منظر جانبي للصفيحة الأساسية، ولوح التثقيب، وصورة مقربة للنتوء. ( ب) منظر علوي للوح الأساس ولوح التثقيب، وصورة مقربة للثقوب. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3: عملية تجميع المتاهة على شكل حرف T لمهمة التناوب المتأخرة. (A-E) صور المتاهة القابلة لإعادة التكوين مأخوذة من الأعلى. صور عملية التجميع مرتبة من اليسار إلى اليمين. تشير الأسهم الحمراء إلى مواضع جهاز المشي المجمع حديثا (C) والمغذيات (D) والجدران المتحركة (E). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 4
الشكل 4: عدة أشكال متاهة في بيئة واحدة. صور المتاهة القابلة لإعادة التكوين. (أ-د) اختبار متاهة قابلة لإعادة التكوين للفئران. تمت إعادة تشكيل أجزاء المسار إلى عدة أشكال في بيئة واحدة ، مع الإشارة إلى موقع أجزاء المسار المحاطة باللون الأحمر في (A). (إ-و) اختبار متاهة قابل لإعادة التكوين للفئران. تم وضع هذه المتاهات مع مغذيات (أسهم حمراء) وجدران متحركة (أسهم خضراء) في أي مكان. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 5
الشكل 5: تمدد المتاهة ومسارات الفأر . (أ) يتغير شكل المتاهة تدريجيا أثناء مرحلتي القطار والاختبار لمهمة التناوب المتأخرة. يشار إلى نوع وحدة التغذية المستخدمة في المهمة بواسطة مربع ملون. (ب) مسارات الجري لفأر تمثيلي. كل مسار يتوافق مع المرحلة في (A). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 6
الشكل 6: أداء تجارب المتاهة. (أ-ب) الأداء السلوكي لمدة 4 أيام، من بداية التدريب إلى نهاية الاختبار. (أ) وقت إكمال المهمة لكل مرحلة تدريب واليوم الأول من مرحلة الاختبار (ن = 3). (ب) النسب المئوية لإجابات الاختيار الصحيح (الوسط ± SE) في اختبار التناوب المتأخر. تشير الخطوط المنقطة إلى مستويات الفرصة. SE: خطأ قياسي للمتوسط. (ج) وقت تجميع المتاهة القابل لإعادة التكوين. تم تعديل المسار الخطي إلى متاهة على شكل حرف T (أعلى). تضمن التعديل إضافة مسارات (مربع أبيض) ، مغذيات (مربع أسود) ، وجهاز مشي (مربع أخضر). أجرى خمسة مجربين ثلاث تجارب لكل منهم (أسفل). قبل الاختبار ، أجرى المستخدم الخبير (Experimenter 1) تجربة واحدة كمثال. أجريت جميع التجارب في نفس اليوم. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Discussion

مكنتنا المتاهة القابلة لإعادة التكوين من إجراء مجموعة متنوعة من مهام المتاهة في بيئة واحدة. تضمن الثقوب المتباعدة بالتساوي على الأرض ونظام متشابك يتم تنسيقه بواسطة أبراج ذات ألواح أساسية درجة عالية من التكرار والتكاثر. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن ربط الهيكل وفصله بسهولة ، ويمكن تكوين شكل المتاهة المطلوب على الفور ، والعمل كنظام فعال ومرن وقابل للتطوير.

سمحت المتاهة القابلة لإعادة التكوين للحيوانات بالتعلم بسرعة. في البيئات التجريبية التقليدية للمتاهة ، قد يكون من الصعب إعادة تكوين طول وشكل المسار ، وإجراء الاختبارات التي تجمع بين متاهات متعددة يستغرق وقتا طويلا. كما هو موضح في هذه الدراسة ، فإن المتاهة القابلة لإعادة التكوين تمكن من تمديد المتاهة بطريقة خطوة بخطوة ، حيث يتم إجراء التدريب بعد التعديل للاختبارات السلوكية المعقدة بكفاءة في يوم واحد (الشكل 6 أ ، ب). علاوة على ذلك ، من السهل على المجرب إجراء تعديلات. في هذه الدراسة ، تم قياس وقت تجميع المتاهة في تجارب متعددة ، وأكمل المجربون باستمرار عمليات إعادة البناء في حوالي 1 إلى 2 دقيقة (الشكل 6 أ).

الميزة الرئيسية لنظام المتاهة هذا هي أنه يسمح بضبط شكل المتاهة. نظرا لأن الأرضية مليئة بثقوب ألواح التثقيب ، فمن الممكن إجراء تجارب متاهة مرنة يصعب تحقيقها باستخدام أنظمة المتاهة التقليدية. في مهمة التناوب المتأخر التي تم إجراؤها في هذه الدراسة ، بدأت الفئران التأخير وخرجت من منطقة التأخير عن طريق الوخز (الشكل 5 أ). من الصعب وضع مغذيين في مكان قريب ، كما فعلنا هنا ، في نظام متاهة تقليدي بهندسة ثابتة. بالإضافة إلى ذلك ، يتيح نظام المتاهة هذا تعديلات متوازنة. على سبيل المثال ، يمكن بسهولة استبدال موضع وحدة التغذية B على الجانب الآخر (الشكل 5A). تسمح هذه الميزة أيضا بتكرار تكوينات المتاهة عبر المختبرات. يتم استخدام العديد من المتاهات لمهمة التناوب المتأخرة ، بما في ذلك متاهة الشكل الثامن ، ومتاهة Y ، ومتاهة W26،29،30. تختلف منطقة المكافأة ومنطقة التأخير وطريقة التأخير أيضا من دراسة إلى أخرى 23,31. مع المتاهة القابلة لإعادة التكوين ، يمكن إنشاء كل هذه المتاهات المختلفة في بيئة مادية واحدة وإعادة إنتاجها في مختبرات مختلفة. إذا أصبح هذا النظام واسع الانتشار ، فقد يؤدي ذلك إلى توحيد مهام المتاهة بين المختبرات.

تدعم المتاهة القابلة لإعادة التكوين التسجيلات الكهربية متعددة الوحدات ، والتي تفحص الارتباطات العصبية التي تدعم الملاحة المكانية22. في تكوين الحصين ، الذي يعتبر يلعب دورا أساسيا في الملاحة المكانية ، تم الإبلاغ عن عدة أنواع من الخلايا لتشفير المعلومات المكانية ، مثل الخلايا التي تطلق النار عند اجتياز موضع معين32 أو عند الاقتراب من حدود البيئة الخارجية33. تغير أنواع الخلايا هذه نشاط إطلاقها بناء على التغييرات في المعالم البعيدة16،17،18. هذا النظام مثالي لتسجيل النشاط العصبي أثناء تجارب الملاحة المكانية لأن المتاهة القابلة لإعادة التكوين يمكنها فقط تغيير شكل المتاهة مع الحفاظ على نفس البيئة. تحافظ المتاهة القابلة لإعادة التكوين على تحكم صارم في البيئة الخارجية ، وهي مواصفات ذات صلة بتجربة النشاط العصبي.

توفر المتاهة القابلة لإعادة التكوين بيئة مثالية لتجارب المتاهة ، مع بعض المحاذير. أولا ، يتم إنشاء المتاهة عن طريق تركيب أجزاء في ثقوب في لوح التثقيب ، لذلك لا يمكن تغيير الزوايا بمرونة. تتغلب المتاهة الدائرية (الشكل 4E) على هذه المشكلة إلى حد ما ، ولكن هناك قيود على إضافة منحنيات وزوايا إلى المسار مع ضمان استقرار المتاهة. بالإضافة إلى ذلك ، يصعب بناء بعض المتاهات الكلاسيكية ، مثل متاهة موريس المائية34 ومتاهة بارنز 35 ، والمتاهات التي تم تطويرها في السنوات الأخيرة مثل متاهة قرص العسل36,37 ، من خلال الجمع بين أجزاء من المتاهات القابلة لإعادة التشكيل. يجب أن تركز الجهود المستقبلية على استكشاف منهجيات لدمج أنواع المتاهات هذه مع المتاهة القابلة لإعادة التشكيل لزيادة القدرة على التكيف وتغطية المزيد من التجارب المعرفية.

Disclosures

S.T. هو مخترع منشور طلب براءة ياباني تم فحصه (رقم P7137179 ، مقدم الطلب: جامعة دوشيشا) يتعلق بالمتاهة القابلة لإعادة التشكيل. F.S. ، K.I. ، H.A. ، و Y.T. تعلن عدم وجود تضارب في المصالح.

Acknowledgments

تم دعم هذا العمل من قبل الجمعية اليابانية لتعزيز العلوم ، ومنح Kakenhi 16H06543 و 21H05296 إلى S.T.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
3D printer Stratasys Ltd. uPrint
Arduino Mega 2560 R3 Elegoo JP-EL-CB-002
Camera Basler acA640-750uc
Control box O’Hara & Co., LTD. / Amuza Inc. FMM-IF
DeepLabCut Mathis laboratory at Swiss Federal Institute of Technology in Lausanne N/A
Feeder unit O’Hara & Co., LTD. / Amuza Inc. FM-PD
Free maze system for mice O’Hara & Co., LTD. / Amuza Inc. FM-M1
Free maze system for rats O’Hara & Co., LTD. / Amuza Inc. FM-R1
Long-Evans Rat Shimizu Laboratory Supplies, Co. LTD.  N/A
MATLAB MathWorks Matlab2020b
Movable wall for mice O’Hara & Co., LTD. / Amuza Inc. FMM-DM
Movable wall for rats O’Hara & Co., LTD. / Amuza Inc. FMR-DM
Pathway and tower for mice O’Hara & Co., LTD. / Amuza Inc. FMM-SS
Pathway and tower for rats O’Hara & Co., LTD. / Amuza Inc. FMR-SS
Pellet dispenser O’Hara & Co., LTD. / Amuza Inc. PD-020D/PD-010D
Photo beam sensors unit for rats O’Hara & Co., LTD. / Amuza Inc. FMR-PS
Punching board for mice O’Hara & Co., LTD. / Amuza Inc. FMM-ST
Punching board for rats O’Hara & Co., LTD. / Amuza Inc. FMR-ST
Treadmill for rats O’Hara & Co., LTD. / Amuza Inc. FMR-TM

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Olton, D. S. Mazes, maps, and memory. American Psychologist. 34 (7), 583-596 (1979).
  2. Small, W. S. Experimental Study of the Mental Processes of the Rat. The American Journal of Psychology. 12 (2), 206-239 (1901).
  3. Jaffard, R., Dubois, M., Galey, D. Memory of a choice direction in a T maze as measured by spontaneous alternation in mice: Effects of intertrial interval and reward. Behavioural Processes. 6 (1), 11-21 (1981).
  4. Pellow, S., Chopin, P., File, S. E., Briley, M. Validation of open:closed arm entries in an elevated plus-maze as a measure of anxiety in the rat. Journal of Neuroscience Methods. 14 (3), 149-167 (1985).
  5. Olton, D. S., Collison, C., Werz, M. A. Spatial memory and radial arm maze performance of rats. Learning and Motivation. 8 (3), 289-314 (1977).
  6. Olton, D. S. The radial arm maze as a tool in behavioral pharmacology. Physiology & Behavior. 40 (6), 793-797 (1987).
  7. Baeg, E. H., et al. Dynamics of population code for working memory in the prefrontal cortex. Neuron. 40 (1), 177-188 (2003).
  8. Redish, A. D. Vicarious trial and error. Nature Reviews Neuroscience. 17 (3), 147-159 (2016).
  9. Walf, A. A., Frye, C. A. The use of the elevated plus maze as an assay of anxiety-related behavior in rodents. Nature Protocols. 2 (2), 322-328 (2007).
  10. Levin, E. D. Learning about cognition risk with the radial-arm maze in the developmental neurotoxicology battery. Neurotoxicology and Teratology. 52, 88-92 (2015).
  11. Crawley, J. N., Paylor, R. A proposed test battery and constellations of specific behavioral paradigms to investigate the behavioral phenotypes of transgenic and knockout mice. Hormones and Behavior. 31 (3), 197-211 (1997).
  12. d'Isa, R., Comi, G., Leocani, L. Apparatus design and behavioural testing protocol for the evaluation of spatial working memory in mice through the spontaneous alternation T-maze. Scientific Reports. 11 (1), 21177 (2021).
  13. Gill, P. R., Mizumori, S. J. Y., Smith, D. M. Hippocampal episode fields develop with learning. Hippocampus. 21 (11), 1240-1249 (2011).
  14. Takahashi, S. Hierarchical organization of context in the hippocampal episodic code. eLife. 2, 00321 (2013).
  15. Lipton, P. A., White, J. A., Eichenbaum, H. Disambiguation of overlapping experiences by neurons in the medial entorhinal cortex. The Journal of Neuroscience. 27 (21), 5787-5795 (2007).
  16. Muller, R. U., Kubie, J. L. The Effects of Changes in the Environment on the Spatial Firing of Hippocampal Complex-Spike Cells. The Journal of Neuroscience. 7 (7), 1951-1968 (1987).
  17. Knierim, J. J. Dynamic interactions between local surface cues, distal landmarks, and intrinsic circuitry in hippocampal place cells. The Journal of Neuroscience. 22 (14), 6254-6264 (2002).
  18. Fyhn, M., Hafting, T., Treves, A., Moser, M. B., Moser, E. I. Hippocampal remapping and grid realignment in entorhinal cortex. Nature. 446 (7132), 190-194 (2007).
  19. Maaswinkel, H., Whishaw, I. Q. Homing with locale, taxon, and dead reckoning strategies by foraging rats: sensory hierarchy in spatial navigation. Behavioural Brain Research. 99 (2), 143-152 (1999).
  20. Wallace, D. G., Gorny, B., Whishaw, I. Q. Rats can track odors, other rats, and themselves: implications for the study of spatial behavior. Behavioural Brain Research. 131 (1-2), 185-192 (2002).
  21. Carvell, G. E., Simons, D. J. Biometric analyses of vibrissal tactile discrimination in the rat. The Journal of Neuroscience. 10 (8), 2638-2648 (1990).
  22. Hoshino, S., et al. The reconfigurable maze provides flexible, scalable, reproducible, and repeatable tests. iScience. 23 (1), 100787 (2019).
  23. Salz, D. M., et al. Time cells in hippocampal area CA3. The Journal of Neuroscience. 36 (28), 7476-7484 (2016).
  24. Kraus, B. J., et al. During running in place, grid cells integrate elapsed time and distance run. Neuron. 88 (3), 578-589 (2015).
  25. Mathis, A., et al. DeepLabCut: markerless pose estimation of user-defined body parts with deep learning. Nature Neuroscience. 21 (9), 1281-1289 (2018).
  26. Frank, L. M., Brown, E. N., Wilson, M. Trajectory encoding in the hippocampus and entorhinal cortex. Neuron. 27 (1), 169 (2000).
  27. Gothard, K. M., Skaggs, W. E., McNaughton, B. L. Dynamics of mismatch correction in the hippocampal ensemble code for space: interaction between path integration and environmental cues. The Journal of Neuroscience. 16 (24), 8027-8040 (1996).
  28. Greenhouse, S. W., Geisser, S. On methods in the analysis of profile data. Psychometrika. 24 (2), 95-112 (1959).
  29. Kraus, B. J., Robinson, R. J., White, J. A., Eichenbaum, H., Hasselmo, M. E. Hippocampal "time cells": time versus path integration. Neuron. 78 (6), 1090 (2013).
  30. Lenck-Santini, P. -P., Save, E., Poucet, B. Place-cell firing does not depend on the direction of turn in a Y-maze alternation task. European Journal of Neuroscience. 13 (5), 1055-1058 (2001).
  31. Pastalkova, E., Itskov, V., Amarasingham, A., Buzsáki, G. Internally generated cell assembly sequences in the rat hippocampus. Science. 321 (5894), 1322-1327 (2008).
  32. O'Keefe, J., Dostrovsky, J. The hippocampus as a spatial map. Preliminary evidence from unit activity in the freely-moving rat. Brain Research. 34 (1), 171-175 (1971).
  33. Lever, C., Burton, S., Jeewajee, A., O'Keefe, J., Burgess, N. Boundary vector cells in the subiculum of the hippocampal formation. The Journal of Neuroscience. 29 (31), 9771-9777 (2009).
  34. Morris, R. Developments of a water-maze procedure for studying spatial learning in the rat. Journal of Neuroscience Methods. 11 (1), 47-60 (1984).
  35. Barnes, C. A. Memory deficits associated with senescence: A neurophysiological and behavioral study in the rat. Journal of Comparative and Physiological Psychology. 93 (1), 74-104 (1979).
  36. Ormond, J., O'Keefe, J. Hippocampal place cells have goal-oriented vector fields during navigation. Nature. 607 (7920), 741-746 (2022).
  37. Wood, R. A., et al. The honeycomb maze provides a novel test to study hippocampal-dependent spatial navigation. Nature. 554 (7690), 102-105 (2018).

Tags

السلوك العدد 190
استخدام نظام متاهة قابل لإعادة التكوين لتعزيز قابلية استنساخ اختبارات الملاحة المكانية في القوارض
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Sawatani, F., Tamatsu, Y., Ide, K.,… More

Sawatani, F., Tamatsu, Y., Ide, K., Azechi, H., Takahashi, S. Utilizing a Reconfigurable Maze System to Enhance the Reproducibility of Spatial Navigation Tests in Rodents. J. Vis. Exp. (190), e64754, doi:10.3791/64754 (2022).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter