Waiting
Login processing...

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

Behavior

שימוש במערכת מבוך הניתנת להגדרה מחדש כדי לשפר את יכולת השחזור של בדיקות ניווט מרחביות במכרסמים

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

הפרוטוקול הנוכחי מתאר מבוך הניתן להגדרה מחדש, מערכת ייחודית לבדיקת ניווט מרחבי ופנוטיפים התנהגותיים במכרסמים. יכולת ההסתגלות של מערכת מבוך זו מאפשרת ביצוע ניסויים שונים בסביבה פיזיקלית אחת. הקלות של סידור מחדש של מבנים מייצרת תוצאות ניסוי אמינות וניתנות לשחזור.

Abstract

מספר צורות מבוך משמשות לבדיקת ביצועי ניווט מרחבי ופנוטיפים התנהגותיים. באופן מסורתי, כל ניסוי דורש צורת מבוך ייחודית, ולכן דורש מספר מבוכים נפרדים בתצורות שונות. לא ניתן להגדיר מחדש את גיאומטריית המבוך בסביבה אחת כדי להתאים למדרגיות וליכולת שחזור. המבוך הניתן להגדרה מחדש הוא גישה ייחודית לטיפול במגבלות, המאפשרת תצורות מהירות וגמישות של מסלולי מבוך באופן שניתן לחזור עליו. הוא מורכב ממסלולים משתלבים וכולל מזינים, הליכונים, קירות ניידים וחיישני כיבוי. הפרוטוקול הנוכחי מתאר כיצד המבוך הניתן להגדרה מחדש יכול לשכפל מבוכים קיימים, כולל מבוכים בצורת T, בצורת פלוס, בצורת W ובצורת הספרה שמונה. בתחילה, המבוך בצורת T נבנה בתוך חדר ניסוי אחד, ואחריו שינויים. הפרוטוקול המהיר והמדרגי המתואר כאן מדגים את הגמישות של המבוך הניתן להגדרה מחדש, המושגת באמצעות הוספת רכיבים ושלבי אימון התנהגותיים באופן מדורג. המבוך הניתן להגדרה מחדש מעריך באופן שיטתי ומדויק את הביצועים של היבטים רבים של התנהגות ניווט מרחבי.

Introduction

ניווט מרחבי הוא יכולת בסיסית של בעל חיים לזהות מסלול מתאים למטרה ממוקדת. תהליכים קוגניטיביים שונים, כגון קבלת החלטות, למידה וזיכרון, נדרשים במהלך הניווט. ניצול תהליכים אלה מאפשר למידה חווייתית בעת קביעת הדרך הקצרה ביותר למטרה. מבחני מבוך משמשים לחקר המנגנונים ההתנהגותיים והפיזיולוגיים של ניווט מרחבי1. לדוגמה, מבוך בצורת T2,3, מבוך בצורת פלוס4, מבוך זרוע רדיאלי5,6 ומבוך איור 8 7 מעריכים התנהגות ניווט מרחבי, כולל משתנים קוגניטיביים כגון קבלת החלטות8 וחרדה9.

לכל צורת מבוך יש יתרונות וחסרונות, המחייבים ניסויים רב-פנים באמצעות משימות מבוך מרובות כדי להעריך למידה וזיכרון ספציפיים10,11. לדוגמה, מטלת ההחלפה הספונטנית, שבה בעל חיים בוחר בין זרוע שמאל לזרוע ימין ללא צורך בלמידה, היא מטלת זיכרון עבודה מרחבית טיפוסית שניתן להעריך באמצעות מבוכים בצורת T ובצורת Y12. מבוכי הזרוע בצורת פלוס ורדיאליים, המשתמשים בכיוון הראש וברמזים חיצוניים, משמשים לקביעת יכולת ניווט מכוונת מטרה13. הספרה שמונה והמבוכים בצורת T שהשתנו, המפרידים בין המסלולים בעת הבחירה והחזרה, משמשים להערכת משימות זיכרון עבודה מרחבי על ידי ניתוח פונקציית הניווט לפי מסלול14,15.

זה יכול להיות מאתגר לשמור על עקביות בין מבוכים בעת שימוש במספר מבוכים בניסוי אחד. מכרסמים נחשבים להשתמש ברמזים חזותיים לניווט16,17,18; שיטות חוש הריח19,20 ו-Somatosensory 21 עשויות לשמש גם לקוגניציה מרחבית ועשויות לתרום ליכולת הניווט. אם סדרה של ניסויי מבוך נערכת באמצעות חללים, פריסות, ממדים וחומרים שונים, משתנים אלה עשויים להשפיע על אסטרטגיית הניווט של המכרסמים. לימודי ניווט מרחבי דורשים שליטה קפדנית ככל האפשר במשתנים אלה; עם זאת, שמירה על מנגנון מבוך סטנדרטי עבור צורות שונות או בנייה מחדש של המבוך עבור כל ניסוי יכול להיות יקר. קשיים אלה מונעים דרך שיטתית לבצע סדרה של ניסויים באותה מעבדה.

כדי להילחם במגבלות מוגדרות במבני מבוך שהוקמו בעבר, מתוארת כאן מערכת מבוך שניתן להגדיר בצורות שונות בסביבה פיזית אחת22 . "מבוך הניתן להגדרה מחדש" משלב חלקים סטנדרטיים, ומספק סביבת בדיקות מאוד חוזרת, ניתנת לשחזור, גמישה ומדרגית. מאמר זה מתאר את היכולת של מבוך הניתן להגדרה מחדש להעריך ניווט מרחבי במכרסמים.

Protocol

כל הנהלים אושרו על ידי ועדות הטיפול והשימוש המוסדיות בבעלי חיים של אוניברסיטת דושישה. במחקר הנוכחי נעשה שימוש בשלושה זכרים של חולדות לונג-אוונס, בגילאי 24-28 שבועות (בתחילת האימון ההתנהגותי), עם משקל גוף של 300-350 גרם. החולדות שוכנו בנפרד בכלובים ביתיים (20 ס"מ x 25 ס"מ x 23 ס"מ) בלוח זמנים של 12 שעות אור / 12 שעות חושך, כאשר תקופת האור החלה בשעה 08:00 בבוקר. בעלי החיים התקבלו ממקור מסחרי (ראו טבלת חומרים).

1. רכיבי מערכת מבוך

הערה: מערכת המבוך (כולל כל הרכיבים, שלבים 1.1-1.5) (ראה טבלת חומרים) חייבת להיות מותקנת בחדר מסוכך המכוסה ברשת נחושת (4 מ' x 5 מ' עבור חולדות ו- 1.8 מ' × 3.0 מ' עבור עכברים) לשימוש בו זמנית ברישום פעילות עצבית אלקטרופיזיולוגית. המבוך צריך להיות מוגבה בגובה קבוע מהרצפה (55 ס"מ לחולדות ו-34 ס"מ לעכברים).

  1. לוח ניקוב
    1. הניחו את לוח החבטות מאלומיניום על רצפת חדר המגן (מידות לוח החבטות: 360 ס"מ x 480 ס"מ x 1.2 ס"מ לחולדות; 160 ס"מ x 160 ס"מ x 1.2 ס"מ לעכברים) (איור 1F,G).
      הערה: הנסיין יכול לעמוד על הלוח.
    2. ציידו את לוח הניקוב ברשת של חורים במרווחים שווים (גם עבור חולדות וגם עבור עכברים, מרווח חורים של 25 מ"מ וקוטר חור של 6 מ"מ) (איור 2C).
      הערה: חורים אלה מאפשרים מיקום של מבוכים שחוזרים על עצמם מאוד (איור 2D).
  2. תצורת Tower עם לוח בסיס
    1. פתחו מגדל עם פלטת בסיס עשויה אלומיניום כדי ליצור מסלולים בגובה קבוע (המידות של חלק הגבעול של המגדל הן 55 ס"מ × 6 ס"מ ×-2 ס"מ עבור חולדות ו-34 ס"מ ×-1.3 ס"מ ×-1.3 ס"מ עבור עכברים) (איור 1A).
    2. השתמש בלוח הבסיס כדי לקבוע את מיקום חלקי המבוך (מידות לוח הבסיס הן 18 ס"מ × 11 ס"מ × 0.5 ס"מ עבור חולדות ו 12 ס"מ × 7 ס"מ × 0.3 ס"מ עבור עכברים).
    3. ציידו את לוח הבסיס בבלטות כדי לחבר רשת של חורים במרווחים שווים בלוח הניקוב (קוטר הבליטה הוא 6 מ"מ) (איור 2B).
    4. השתמש בחורים כדי לחבר רכיבים כגון מזינים, קירות ניידים והליכונים (ראה טבלת חומרים) המצוידים במגדלים עם לוחות בסיס.
      הערה: עבור חולדות, בלוח הבסיס היו ארבע בליטות (אורך של 8 מ"מ) (איור 1F) שהוחדרו לתוך החורים בלוח הניקוב. עבור עכברים, לוח הבסיס היה קל מכדי לתמוך במסלול, ולכן ברגים הוכנסו לתוך החורים (אורכי הברגים היו 14 מ"מ) (איור 1G).
  3. מסלול מבוך
    הערה: המסלול הזמין מסחרית (49 ס"מ ×-10 ס"מ לחולדות ו-39 ס"מ ×-5 ס"מ לעכברים) היה עשוי מפוליוויניל כלוריד (עובי של 5 מ"מ לחולדות ו-3 מ"מ לעכברים) (ראה טבלת חומרים).
    1. בנו את החלק הקטן ביותר של המבוך על-ידי מיקום השביל בחלק העליון של המגדל (איור 1B).
    2. עצבו את חלקו העליון של המגדל כך שיתאים למידות הצד התחתון של השביל (מידות חלקו העליון של המגדל הן 48 ס"מ × 8 ס"מ × 1 ס"מ לחולדות ו-21.9 ס"מ × 3.9 ס"מ × 0.3 ס"מ לעכברים). כדי לתקן את השביל למגדל, הניחו אותו למעלה.
    3. לספק מחסומי צד עשויים פוליוויניל כלוריד כדי למנוע בעלי חיים ליפול (45 מ"מ עבור חולדות ו 30 מ"מ עבור עכברים).
      הערה: קיימות מספר תבניות לחיבור המסלולים בדרכים שונות, כגון חלקים שבהם הוסר מחסום צד אחד בלבד. מודלים תלת-ממדיים של חלקי המסלול זמינים (https://github.com/TakahashiLab/ReconfigurableMazeParts) וניתן להדפיס אותם באמצעות מדפסת תלת-ממד (ראה טבלת חומרים).
  4. חלקים נלווים
    הערה: ניתן ליישם את החלקים הדרושים לניסויים התנהגותיים על ידי חיבור לוח בסיס משותף עם המסלול.
    1. מקמו מזינים בצד כל מסלול כדי לשנות את מיקום הפרס (איור 1C).
      הערה: בעלי חיים המחטטים במאכילים מזוהים על-ידי חיישני הכיבוי (ראה טבלת חומרים).
    2. מקמו קירות ניידים ברווחים שבין המסלולים כדי לאלץ חיות לכוון את כיוון התנועה (איור 1D).
      הערה: עבור חולדות, כאשר הקיר המטלטל מורם, גובה הקיר הוא 90 ס"מ מהרצפה ו -29.5 ס"מ ממחסומי הצד של השביל. כאשר מורידים את הקיר הנייד, גובה הקיר הוא 54 ס"מ מהרצפה ו-5.5- ס"מ מהמחסומים הצדדיים של השביל. עבור עכברים, כאשר הקיר המטלטל מוגבה, גובה הקיר הוא 55 ס"מ מהרצפה ו -17 ס"מ מהמחסומים הצדדיים של השביל. כאשר מורידים את הקיר הנייד, גובה הקיר הוא 35 ס"מ מהרצפה ו-3- ס"מ מהמחסומים הצדדיים של השביל.
    3. מקמו הליכונים עם מסלולים כדי לכפות עיכובי ריצה במיקומים קבועים (איור 1E).
  5. תיבת בקרה
    הערה: שלוט בכל חלק באופן אוטומטי באמצעות תיבת הבקרה (איור 1H) (ראה טבלת חומרים).
    1. השתמש במיקרו-בקר כדי לקבל אותות מההליכונים והמזינים דרך תיבת הבקרה.
      הערה: ניתן לזהות את חיישן הכיבוי במזין ואת מספר סיבובי ההליכון.
    2. השתמש במיקרו-בקר כדי לשלוח אותות הפעלה להליכונים, למזינים ולמפעילי קיר ניידים בהתאם ללוח זמנים מוגדר של משימות באמצעות תיבת הבקרה. לשלוט בנפרד על ניפוק והשלכה של כדורים, ואת הגבהה והורדה של קיר מטלטלין.

2. הערכת ניווט מיוחד של מכרסמים במבוך הניתן להגדרה מחדש

הערה: ניסוי התנהגות בעלי חיים נערך באמצעות מבוך הניתן להגדרה מחדש (פותח בשלב 1).

  1. בנייה לדוגמה של מבוך
    הערה: דוגמה לאופן שבו ניתן להרכיב מבוך בצורת T עבור חולדות שהשתמשו בו בניסוי מטלת ההחלפה המאוחרת מוצגת באיור 3.
    1. הכניסו מגדלים עם לוחות בסיס ללוח הניקוב כדי ליצור מסגרת בצורת T (איור 3A).
    2. חברו שבילים לחלק העליון של המגדלים (איור 3B).
    3. החליפו את המסלול באזור המושהה בהליכון (איור 3C).
      הערה: ניתן להחליף את ההליכון במסלול באותו גובה ואורך.
    4. חברו מזינים לכל קצה של המבוך (איור 3D).
    5. חברו קירות ניידים לענפים השמאלי והימני (איור 3E).
      הערה: ודא שהכף והזנב של בעל החיים אינם נתפסים ברווחים בין המקטעים.
       
  2. חיות
    1. ודאו שמשקל הגוף של החולדות נשאר בין 300 ל-350 גרם, וערכו את כל הניסויים ההתנהגותיים בשעות היום.
  3. ביצוע משימה
    1. הפעל וחבר את תיבת הבקרה, המיקרו-בקר והמחשב.
    2. כתוב תוכנית כדי להגדיר את לוח הזמנים של המשימות ולקבל את הפרמטרים הדרושים לניסוי.
    3. כתוב את התוכנית למיקרו-בקר ובצע משימה.
      הערה: הדוגמה של לוח זמנים מוגדר של פעילויות שנכתב בשפת C באמצעות לוח מיקרו-בקר זמינה במאגר ציבורי (https://github.com/TakahashiLab/ReconfigurableMazeExample).
  4. ניסוי התנהגותי
    1. בנה את צורת המבוך הרצויה (שלב 2.1).
    2. הוציאו את החולדות מהכלובים הביתיים והניחו אותן במצב שרירותי של המבוך.
    3. אפשרו לחולדות לחקור בחופשיות את המבוך שנבנה במשך 10 דקות כדי להתרגל.
    4. הגדר תוכנית לביצוע משימת ההחלפה המושהית עם ההליכון23,24.
      הערה: ניתן לקבל את הפרמטרים הדרושים לניסוי באופן אוטומטי על ידי הגדרות התוכנית (למשל, מספר זמני החיטוט, משך הניסוי, מהירות ההליכון וכו').
    5. שנה את צורת המבוך במידת הצורך.
    6. הניחו את החולדות במיקום שרירותי במבוך ובצעו את האימון או הבדיקה של משימת ההחלפה המושהית.
      הערה: במחקר הנוכחי נערכו אימונים עם זמן עיכוב הולך וגדל ומפגשי מבחן (עם זמן עיכוב של 5 שניות).
    7. החזירו את החולדות לכלוב הביתי לאחר כל משימה.
    8. נגבו היטב את המבוך עם 70% אתנול אחרי כל חולדה והמתינו לפחות 5 דקות לפני שתשתמשו שוב במבוך.
      הערה: ניתן לנתק את חלקי השביל מהמגדל כך שניתן יהיה לנגב אותם היטב מריחות ולכלוך.

3. ביצועים התנהגותיים וניתוח נתונים

  1. מסלול בעלי חיים
    1. תעד התנהגות בעלי חיים במהלך משימת ההחלפה המושהית באמצעות מצלמת וידאו דיגיטלית המותקנת על התקרה (ראה טבלת חומרים).
      הערה: על ידי הצבת המצלמה על התקרה, הנסיין יכול להקליט כל הזמן את תנועות החיות בזמן שהן מתרוצצות במבוך במהלך המשימה.
    2. עקוב אחר מסלולי הריצה באמצעות תוכנה להערכת תנוחות ללא סמן25 (ראה טבלת חומרים) בהתבסס על תמונות שצולמו בקצב של 50 פריימים לשנייה.

Representative Results

חלקים מסוימים של המבוך הניתן להגדרה מחדש השתמשו במבני מבוך סטנדרטיים שתוארו במחקרים קודמים 3,4,7,26,27. כאן, המסלול הליניארי, מבוך בצורת T, בצורת W ואיור שמונה הוגדר מחדש באותה סביבה פיזית (איור 4A-D). כדי להדגים שהמבוך הניתן להגדרה מחדש יכול ליישם בצורה חלקה את המבחן ההתנהגותי הרצוי על-ידי קנה מידה הדרגתי ומהיר, הפרוטוקול ששימש לתוצאות מייצגות כלל ארבעה שלבי אימון (איור 5A).

בשלבים I ו-II, התגמולים התקבלו על ידי חיטוט במזין R לאחר חיטוט במזין A. בשלבים III ו-IV, הפרס התקבל על ידי חיטוט במזין R לאחר חיטוט במזינים A ו-B, בסדר זה. בשלב IV, החיטוט של מזין A גרם לסיבוב של ההליכון, וניתן היה לגשת למזין B רק לאחר 5 שניות של ריצה כפויה. בשלב הבדיקה (משימת החלפה מאוחרת), ההליך היה דומה לזה של שלב IV, אך מזין R היה בזרועות בשני קצות המבוך בצורת T, והחולדות תוגמלו על ידי חיטוט במזין הנגדי מהשלב הקודם. חולדות היו מסוגלות לנוע בתגובה לאורך ולצורה של המסלול המתרחב ולאתרי ההזנה המשתנים (איור 5B). כל השלבים בוצעו ב-30 ניסויים, כאשר כל ניסוי הוגדר כמקרה שבו החולדה הגיעה למזין R. משך הפעילות של שלוש החולדות שהשלימו 30 ניסויים בכל שלב מוצג באיור 6A. מדדים חוזרים ANOVA אישרו כי זמן השלמת המשימה של חולדות שונה בין השלבים (F (4, 8) = 16.98, p < 0.05, Greenhouse-Geisser תיקן28). החולדות הצליחו להסתגל בגמישות לשינויים באורך המסלול ובתנאי התגמול. בשלב הבדיקה, שנערך למחרת, כל החולדות התקרבו באופן אסימפטוטי לאחוזים הגבוהים של תגובות בחירה נכונה תוך 3 ימים (איור 6B).

כמה נסיינים בנו את המבוכים כדי לאשר שהתפשטות מבוך כזו יכולה להתבצע במהירות (איור 6C). במאמר זה, זמן החלקים הנלווים (הליכון, מזינים) נוספו לזמן שינוי הצורה של המסלול בדוח הקודם22 על מנת למדוד את זמן בניית המבוך באופן מעשי. באמצעות ההליך של משימת ההחלפה המאוחרת (איור 5A), חמישה נסיינים שינו את המבוך מצורת שלב II לצורת שלב הבדיקה. הזמן התכנס ל-67.80 ±-3.03 שניות (ממוצע ± SE) בניסוי השלישי. הניסוי כלל נסיינים שהשתמשו במערכת מבוך זו במשך מספר שנים וכאלה שכמעט ולא השתמשו בה.

Figure 1
איור 1: אלמנטים של המבוך הניתן להגדרה מחדש. (A-E) מגדל עם לוח בסיס וחלקים מתאימים לחולדות. (ו,ז) שיטת התיקון של לוח הבסיס שונה עבור חולדות ועכברים. חצים מציינים בליטות (לבן) וברגים (כחול). (H) קלט/פלט אות דרך הבקר למשימות אוטומטיות לחלוטין. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2: חיבור לוח הניקוב עם לוח הבסיס. (A) מבט צדדי על לוח הבסיס, לוח החבטות ותצלום תקריב של בליטה. (B) מבט מלמעלה על לוח הבסיס ולוח החבטות, ותצלום תקריב של החורים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3: תהליך הרכבת מבוך בצורת T עבור משימת ההחלפה המושהית. (A-E) תמונות של המבוך הניתן להגדרה מחדש שצולמו מלמעלה. התמונות של תהליך ההרכבה מסודרות משמאל לימין. החיצים האדומים מציינים את מיקומם של ההליכון החדש שהורכב (C), המזינים (D) והקירות הניידים (E). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 4
איור 4: כמה צורות מבוך בסביבה אחת. תמונות של המבוך הניתן להגדרה מחדש. (א-ד) בדיקת מבוך הניתנת להגדרה מחדש עבור חולדות. חלקי המסלול הוגדרו מחדש למספר צורות בסביבה אחת, תוך התייחסות למיקום חלקי המסלול המוקפים באדום ב-(A). (ה-ו) מבחן מבוך הניתן להגדרה מחדש עבור עכברים. מבוכים אלה הוצבו עם מזינים (חיצים אדומים) וקירות ניידים (חצים ירוקים) בכל מקום. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 5
איור 5: התפשטות מבוך ומסלולים של חולדה . (A) צורת המבוך משתנה בהדרגה במהלך שלבי הרכבת והבדיקה של משימת ההחלפה המושהית. סוג המזין המשמש במשימה מצוין על-ידי תיבה צבעונית. (B) מסלולי ריצה של חולדה מייצגת. כל מסלול מתאים לשלב ב-(A). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 6
איור 6: ביצוע ניסויי מבוך. (A-B) הביצועים ההתנהגותיים במשך 4 ימים, מתחילת האימון ועד סופו. (A) זמן השלמת המשימה עבור כל שלב אימון והיום הראשון של שלב הבדיקה (n = 3). (B) אחוזי תשובות הבחירה הנכונה (ממוצע ± SE) במבחן ההחלפה המושהית. קווים מקווקוים מציינים רמות סיכוי. SE: שגיאת תקן של הממוצע. (C) זמן הרכבת מבוך הניתן להגדרה מחדש. המסילה הליניארית שונתה למבוך בצורת T (למעלה). השינוי כלל הוספת מסלולים (ריבוע לבן), מזינים (ריבוע שחור) והליכון (ריבוע ירוק). חמישה נסיינים ביצעו שלושה ניסויים כל אחד (למטה). לפני הבדיקה, המשתמש המומחה (נסיין 1) ביצע ניסוי אחד כדוגמה. כל הניסויים בוצעו באותו יום. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Discussion

המבוך הניתן להגדרה מחדש אפשר לנו לבצע מגוון משימות מבוך בסביבה אחת. חורים במרווחים שווים על הרצפה ומערכת משולבת המתואמת על ידי מגדלים עם לוחות בסיס הבטיחו רמה גבוהה של חזרתיות ושחזור. בנוסף, ניתן היה לחבר ולנתק את המבנה בקלות, ולהגדיר את צורת המבוך הרצויה באופן מיידי, ולתפקד כמערכת יעילה, גמישה וניתנת להרחבה.

המבוך הניתן להגדרה מחדש איפשר לבעלי החיים ללמוד במהירות. בסביבות ניסוי מבוך קונבנציונליות, זה יכול להיות קשה להגדיר מחדש את אורך וצורה של המסלול, וביצוע בדיקות המשלבות מבוכים מרובים הוא זמן רב. כפי שהודגם במחקר זה, המבוך הניתן להגדרה מחדש מאפשר הרחבת מבוך באופן שלב אחר שלב, כאשר אימון לאחר שינוי של מבחנים התנהגותיים מורכבים מתבצע ביעילות ביום אחד (איור 6A,B). יתר על כן, קל לנסיין לבצע שינויים. במחקר זה, זמן הרכבת המבוך נמדד במספר ניסויים, והנסיינים השלימו באופן עקבי את השחזורים תוך דקה עד שתיים (איור 6A).

יתרון גדול של מערכת מבוך זו הוא שהיא מאפשרת כוונון עדין של צורת המבוך. מכיוון שהרצפה מלאה בחורי לוח ניקוב, ניתן לבצע ניסויי מבוך גמישים שיהיה קשה להשיג במערכות מבוך קונבנציונליות. במטלת ההחלפה המאוחרת שבוצעה במחקר הזה, החולדות יזמו את העיכוב ויצאו מאזור העיכוב באמצעות חיטוט (איור 5A). הצבת שני מזינים בקרבת מקום, כפי שעשינו כאן, קשה במערכת מבוכים קונבנציונלית עם גיאומטריה קבועה. בנוסף, מערכת מבוך זו מאפשרת שינויים מאוזנים; לדוגמה, המיקום של מזין B יכול בקלות להיות מוחלף בצד הנגדי (איור 5A). יתרון זה מאפשר גם שכפול של תצורות מבוך בין מעבדות. מספר מבוכים משמשים למשימת ההחלפה המושהית, כולל מבוך הספרה שמונה, מבוך Y ומבוך W26,29,30. אזור התגמול, אזור העיכוב ושיטת העיכוב שונים גם הם ממחקר למחקר23,31. עם המבוך הניתן להגדרה מחדש, ניתן ליצור את כל המבוכים השונים הללו בסביבה פיזית אחת ולשכפל אותם במעבדות שונות. אם מערכת זו תהיה נפוצה, זה יכול להוביל לסטנדרטיזציה של משימות מבוך בין מעבדות.

המבוך הניתן להגדרה מחדש תומך בהקלטות אלקטרופיזיולוגיות מרובות יחידות, אשר בוחנות את הקורלציות העצביות התומכות בניווט מרחבי22. בהיווצרות ההיפוקמפוס, הנחשבת לממלאת תפקיד חיוני בניווט מרחבי, דווח על מספר סוגים של תאים המקודדים מידע מרחבי, כגון תאים היורים כאשר עוברים מיקום מסוים32 או כאשר מתקרבים לגבול הסביבה החיצונית33. סוגי תאים אלה משנים את פעילות הירי שלהם בהתבסס על שינויים בציוני דרך מרוחקים16,17,18. מערכת זו אידיאלית לרישום פעילות עצבית במהלך ניסויי ניווט מרחבי, מכיוון שהמבוך הניתן להגדרה מחדש יכול לשנות רק את צורת המבוך תוך שמירה על אותה סביבה. המבוך הניתן להגדרה מחדש שומר על בקרת סביבה חיצונית קפדנית, מפרט הרלוונטי לניסויים בפעילות עצבית.

המבוך הניתן להגדרה מחדש מספק סביבה אופטימלית לניסויי מבוך, עם כמה אזהרות. ראשית, המבוך נבנה על ידי התאמת חלקים לחורים בלוח ניקוב, כך שלא ניתן לשנות את הזוויות בצורה גמישה. המבוך המעגלי (איור 4E) מתגבר על הבעיה הזו במידה מסוימת, אולם יש מגבלות להוספת עקומות וזוויות למסלול תוך הבטחת יציבות המבוך. בנוסף, חלק מהמבוכים הקלאסיים, כמו מבוך המים מוריס 34 ומבוך בארנס 35, ומבוכים שפותחו בשנים האחרונות כמו מבוך חלת הדבש36,37, קשים לבנייה על ידי שילוב חלקים מהמבוכים הניתנים להגדרה מחדש. מאמצים עתידיים צריכים להתמקד בחקר מתודולוגיות למיזוג סוגי מבוכים אלה עם המבוך הניתן להגדרה מחדש כדי להגביר את יכולת ההסתגלות ולכסות ניסויים קוגניטיביים נוספים.

Disclosures

S.T. הוא ממציא של פרסום בקשת פטנט יפנית שנבחנה (מס' P7137179, המבקש: אוניברסיטת דושישה) הנוגע למבוך הניתן להגדרה מחדש. פ.ש., ק.י., ח.א. וי.ט. מצהירים כי אינם ניגודי עניינים.

Acknowledgments

עבודה זו נתמכה על ידי האגודה היפנית לקידום המדע, Kakenhi מעניק 16H06543 ו 21H05296 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

התנהגות גיליון 190
שימוש במערכת מבוך הניתנת להגדרה מחדש כדי לשפר את יכולת השחזור של בדיקות ניווט מרחביות במכרסמים
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