Name: 利用可重构的迷宫系统提高啮齿动物空间导航测试的可重复性 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-12-02T14:40:00.000+00:00
Duration: 4 min 41 s
Description: 了解可重构迷宫系统用于啮齿动物空间导航测试的方法。该技术通过标准化组件快速配置迷宫形状，结合数字视频记录与无标记姿态估计软件，实现行为轨迹的精确追踪，为神经科学研究提供高度可重复的实验方案。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

本研究由日本促进科学协会资助，授予S.T.的Kakenhi基金项目编号为16H06543和21H05296。

所有实验程序均经同志社大学机构动物护理与使用委员会批准。本研究使用了三只雄性Long-Evans大鼠，年龄为24至28周（行为训练开始时），体重为300-350 g。大鼠被单独饲养在家庭笼具（20 cm x 25 cm x 23 cm）中，光照周期为12小时光照/12小时黑暗，光照期从上午08:00开始。实验动物来自商业来源（见材料表）。
1. 迷宫系统组件
注意：迷宫系统（包括所有组件，步骤1.1-1.5）（参见材料表）必须安装在用铜网屏蔽的房间内（大鼠为4 m × 5 m，小鼠为1.8 m × 3.0 m），以便同时进行电生理神经活动记录。迷宫需离地面固定高度架高放置（大鼠为55 cm，小鼠为34 cm）。
<ol>
	<li>打孔板
	<ol>
		<li>将铝制冲孔板放置在屏蔽室地面上（大鼠用冲孔板尺寸：360 cm × 480 cm × 1.2 cm；小鼠用冲孔板尺寸：160 cm × 160 cm × 1.2 cm）图1F，G). 
		注意：实验人员可以站在板上。</li>
		<li>将打孔板配备一个等距孔洞的网格（大鼠和小鼠均适用，孔距为25 mm，孔径为6 mm）（图2C). 
		注意：这些孔洞可实现高度可重复的迷宫放置（图 2D).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>带底板的塔架
	<ol>
		<li>使用铝制底板搭建一个塔，以形成固定高度的通道（塔的茎部尺寸针对大鼠为55 cm × 6 cm × 2 cm，针对小鼠为34 cm × 1.3 cm × 1.3 cm）图1A).</li>
		<li>使用底板固定迷宫各部件的位置（大鼠用底板尺寸为 18 cm × 11 cm × 0.5 cm，小鼠用底板尺寸为 12 cm × 7 cm × 0.3 cm）。</li>
		<li>在底板上安装凸起，用于连接冲孔板上等间距排列的孔洞（凸起直径为6 mm）图2B).</li>
		<li>利用这些孔洞连接送料器、可移动隔板和跑步机等组件（参见 材料表配备带底板塔架的） 
		注意：对于大鼠，基板有四个突起（长度为 8 mm）（图1F）插入打孔板的孔中。对于小鼠，基板过轻而无法支撑路径，因此将螺栓插入孔中（螺栓长度为14 mm）（图1G).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>迷宫路径 
	注意：市售的通道（大鼠用为 49 cm × 10 cm，小鼠用为 39 cm × 5 cm）由聚氯乙烯制成（大鼠用厚度为 5 mm，小鼠用厚度为 3 mm）（见 材料表).
	<ol>
		<li>通过将路径放置在塔的上部来构建迷宫的最小部分（图1B).</li>
		<li>将塔的上部设计为与通道底侧尺寸相匹配（大鼠用塔的上部尺寸为 48 cm × 8 cm × 1 cm，小鼠用为 21.9 cm × 3.9&#160;厘米 × 0.3 厘米（小鼠用）。为固定通路至塔架，请将其放置在顶部。</li>
		<li>使用聚氯乙烯制成的侧边护栏以防止动物跌落（大鼠为45 mm，小鼠为30 mm）。 
		注意：有多种模式可用于以不同方式连接通路，例如仅移除一侧屏障的部件。通路部件的3D模型可从以下网址获取（https://github.com/TakahashiLab/ReconfigurableMazeParts），并可使用3D打印机进行打印（参见​材料表).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>配套部件 
	注意：行为学实验所需的部件可通过将通用底板与路径连接来实现。
	<ol>
		<li>将喂食器放置在任意路径的一侧，以改变奖励位置图1C). 
		注意：通过关闭传感器检测动物触碰喂食器的行为（参见 材料表).</li>
		<li>在通道之间的空隙处放置可移动的隔板，以迫使动物按指定方向移动（图1D). 
		注意：对于大鼠，当可移动墙升起时，墙的高度为距离地面90 cm，距离通道侧向屏障29.5 cm；当可移动墙降下时，墙的高度为距离地面54 cm，距离通道侧向屏障-5.5 cm。对于小鼠，当可移动墙升起时，墙的高度为距离地面55 cm，距离通道侧向屏障17 cm；当可移动墙降下时，墙的高度为距离地面35 cm，距离通道侧向屏障-3 cm。</li>
		<li>在固定位置设置带有路径的跑步机以强制产生跑步延迟（图1E).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>控制箱 
	注意：自动控制各个部分 通过 控制箱（图1H）（参见 材料表).
	<ol>
		<li>使用微控制器接收来自跑步机和喂食器的信号 通过 控制箱 
		注意：可检测进料器上的关闭传感器以及跑步机的旋转次数。</li>
		<li>使用微控制器根据预设的任务时间表向跑步机、喂食器和可移动墙驱动装置发送激活信号 通过 控制盒。可独立控制颗粒的分配与丢弃，以及可移动壁的上升与下降。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 可重构迷宫中啮齿类动物特殊导航能力的评估
注意：使用可重构迷宫（在步骤1中开发）进行了动物行为实验。
<ol>
	<li>迷宫的示例构建 
	注意：下文提供了用于延迟交替任务实验的大鼠T型迷宫组装方法的示例，详见图3。
	<ol>
		<li>将带底板的塔柱插入打孔板中，形成T型框架（图3A）。</li>
		<li>将通道连接至塔柱的上部（图3B）。</li>
		<li>将延迟区域的通道替换为跑步机（图3C）。 
		注意：跑步机可用相同高度和长度的通道替代。</li>
		<li>在迷宫的每个末端安装喂食器（图3D）。</li>
		<li>在左右两个分支上安装可移动的隔板（图3E）。 
		注意：确保动物的&#160;爪子&#160;和尾巴不会卡在各部件之间的缝隙中。 
		&#160;</li>
	</ol>
	</li>
	<li>实验动物
	<ol>
		<li>确保大鼠体重维持在300至350 g之间，并在白天进行所有行为学实验。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>任务执行
	<ol>
		<li>启动并连接控制箱、微控制器和计算机。</li>
		<li>编写程序以设定任务时间表，并接收实验所需的参数。</li>
		<li>将程序写入微控制器并执行任务。 
		注意：使用微控制器板以C语言编写的任务时间表示例可在公共代码库中获取（https://github.com/TakahashiLab/ReconfigurableMazeExample）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>行为学实验
	<ol>
		<li>构建所需形状的迷宫（步骤2.1）。</li>
		<li>将大鼠从饲养笼转移并放置于迷宫中的任意位置。</li>
		<li>允许大鼠在构建好的迷宫中自由探索10分钟，以适应环境。</li>
		<li>设置程序以执行带跑步机的延迟交替任务23,24。 
		注意：实验所需参数可通过程序设置自动获取（例如，探鼻次数、实验持续时间、跑步机速度等）。</li>
		<li>如有必要，更改迷宫的形状。</li>
		<li>将大鼠置于迷宫中的任意位置，开始延迟交替任务的训练或测试。 
		注意：本研究中，训练阶段采用逐渐增加的延迟时间，测试阶段则使用5秒的固定延迟时间。</li>
		<li>每次任务结束后，将大鼠放回饲养笼。</li>
		<li>每只大鼠实验结束后，用70%乙醇彻底擦拭迷宫，并至少等待5分钟后再进行下一次使用。 
		&#8203;注意：通道部件可从塔柱上拆卸，以便彻底清除气味和污物。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 行为表现与数据分析
<ol>
	<li>动物运动轨迹
	<ol>
		<li>使用安装在天花板上的数字摄像机记录动物在延迟交替任务中的行为（参见材料表）。 
		注意：将摄像机置于天花板上，可使实验者持续记录动物在迷宫中奔跑时的运动轨迹。</li>
		<li>基于每秒50帧拍摄的图像，使用无标记姿态估计算法软件25（参见材料表）追踪动物的运动轨迹。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Olton, D. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mazes%2C+maps%2C+and+memory%5BTitle%5D)+AND+%22American+Psychologist%22%5BJournal%5D)">Mazes, maps, and memory.</a> American Psychologist. 34 (7), 583-596 (1979).</li>
<li>Small, W. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+Study+of+the+Mental+Processes+of+the+Rat%5BTitle%5D)+AND+%22The+American+Journal+of+Psychology%22%5BJournal%5D)">Experimental Study of the Mental Processes of the Rat.</a> The American Journal of Psychology. 12 (2), 206-239 (1901).</li>
<li>Jaffard, R., Dubois, M., Galey, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Memory+of+a+choice+direction+in+a+T+maze+as+measured+by+spontaneous+alternation+in+mice%3A+Effects+of+intertrial+interval+and+reward%5BTitle%5D)+AND+%22Behavioural+Processes%22%5BJournal%5D)">Memory of a choice direction in a T maze as measured by spontaneous alternation in mice: Effects of intertrial interval and reward.</a> Behavioural Processes. 6 (1), 11-21 (1981).</li>
<li>Pellow, S., Chopin, P., File, S. E., Briley, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Validation+of+open%3Aclosed+arm+entries+in+an+elevated+plus-maze+as+a+measure+of+anxiety+in+the+rat%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neuroscience+Methods%22%5BJournal%5D)">Validation of open:closed arm entries in an elevated plus-maze as a measure of anxiety in the rat.</a> Journal of Neuroscience Methods. 14 (3), 149-167 (1985).</li>
<li>Olton, D. S., Collison, C., Werz, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spatial+memory+and+radial+arm+maze+performance+of+rats%5BTitle%5D)+AND+%22Learning+and+Motivation%22%5BJournal%5D)">Spatial memory and radial arm maze performance of rats.</a> Learning and Motivation. 8 (3), 289-314 (1977).</li>
<li>Olton, D. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+radial+arm+maze+as+a+tool+in+behavioral+pharmacology%5BTitle%5D)+AND+%22Physiology+%26+Behavior%22%5BJournal%5D)">The radial arm maze as a tool in behavioral pharmacology.</a> Physiology & Behavior. 40 (6), 793-797 (1987).</li>
<li>Baeg, E. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamics+of+population+code+for+working+memory+in+the+prefrontal+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">Dynamics of population code for working memory in the prefrontal cortex.</a> Neuron. 40 (1), 177-188 (2003).</li>
<li>Redish, A. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Vicarious+trial+and+error%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Reviews+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Vicarious trial and error.</a> Nature Reviews Neuroscience. 17 (3), 147-159 (2016).</li>
<li>Walf, A. A., Frye, C. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+use+of+the+elevated+plus+maze+as+an+assay+of+anxiety-related+behavior+in+rodents%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Protocols%22%5BJournal%5D)">The use of the elevated plus maze as an assay of anxiety-related behavior in rodents.</a> Nature Protocols. 2 (2), 322-328 (2007).</li>
<li>Levin, E. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Learning+about+cognition+risk+with+the+radial-arm+maze+in+the+developmental+neurotoxicology+battery%5BTitle%5D)+AND+%22Neurotoxicology+and+Teratology%22%5BJournal%5D)">Learning about cognition risk with the radial-arm maze in the developmental neurotoxicology battery.</a> Neurotoxicology and Teratology. 52, 88-92 (2015).</li>
<li>Crawley, J. N., Paylor, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+proposed+test+battery+and+constellations+of+specific+behavioral+paradigms+to+investigate+the+behavioral+phenotypes+of+transgenic+and+knockout+mice%5BTitle%5D)+AND+%22Hormones+and+Behavior%22%5BJournal%5D)">A proposed test battery and constellations of specific behavioral paradigms to investigate the behavioral phenotypes of transgenic and knockout mice.</a> Hormones and Behavior. 31 (3), 197-211 (1997).</li>
<li>d'Isa, R., Comi, G., Leocani, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Apparatus+design+and+behavioural+testing+protocol+for+the+evaluation+of+spatial+working+memory+in+mice+through+the+spontaneous+alternation+T-maze%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Reports%22%5BJournal%5D)">Apparatus design and behavioural testing protocol for the evaluation of spatial working memory in mice through the spontaneous alternation T-maze.</a> Scientific Reports. 11 (1), 21177(2021).</li>
<li>Gill, P. R., Mizumori, S. J. Y., Smith, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hippocampal+episode+fields+develop+with+learning%5BTitle%5D)+AND+%22Hippocampus%22%5BJournal%5D)">Hippocampal episode fields develop with learning.</a> Hippocampus. 21 (11), 1240-1249 (2011).</li>
<li>Takahashi, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hierarchical+organization+of+context+in+the+hippocampal+episodic+code%5BTitle%5D)+AND+%22eLife%22%5BJournal%5D)">Hierarchical organization of context in the hippocampal episodic code.</a> eLife. 2, 00321(2013).</li>
<li>Lipton, P. A., White, J. A., Eichenbaum, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Disambiguation+of+overlapping+experiences+by+neurons+in+the+medial+entorhinal+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Disambiguation of overlapping experiences by neurons in the medial entorhinal cortex.</a> The Journal of Neuroscience. 27 (21), 5787-5795 (2007).</li>
<li>Muller, R. U., Kubie, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Effects+of+Changes+in+the+Environment+on+the+Spatial+Firing+of+Hippocampal+Complex-Spike+Cells%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">The Effects of Changes in the Environment on the Spatial Firing of Hippocampal Complex-Spike Cells.</a> The Journal of Neuroscience. 7 (7), 1951-1968 (1987).</li>
<li>Knierim, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamic+interactions+between+local+surface+cues%2C+distal+landmarks%2C+and+intrinsic+circuitry+in+hippocampal+place+cells%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Dynamic interactions between local surface cues, distal landmarks, and intrinsic circuitry in hippocampal place cells.</a> The Journal of Neuroscience. 22 (14), 6254-6264 (2002).</li>
<li>Fyhn, M., Hafting, T., Treves, A., Moser, M. B., Moser, E. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hippocampal+remapping+and+grid+realignment+in+entorhinal+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Hippocampal remapping and grid realignment in entorhinal cortex.</a> Nature. 446 (7132), 190-194 (2007).</li>
<li>Maaswinkel, H., Whishaw, I. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Homing+with+locale%2C+taxon%2C+and+dead+reckoning+strategies+by+foraging+rats%3A+sensory+hierarchy+in+spatial+navigation%5BTitle%5D)+AND+%22Behavioural+Brain+Research%22%5BJournal%5D)">Homing with locale, taxon, and dead reckoning strategies by foraging rats: sensory hierarchy in spatial navigation.</a> Behavioural Brain Research. 99 (2), 143-152 (1999).</li>
<li>Wallace, D. G., Gorny, B., Whishaw, I. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rats+can+track+odors%2C+other+rats%2C+and+themselves%3A+implications+for+the+study+of+spatial+behavior%5BTitle%5D)+AND+%22Behavioural+Brain+Research%22%5BJournal%5D)">Rats can track odors, other rats, and themselves: implications for the study of spatial behavior.</a> Behavioural Brain Research. 131 (1-2), 185-192 (2002).</li>
<li>Carvell, G. E., Simons, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biometric+analyses+of+vibrissal+tactile+discrimination+in+the+rat%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Biometric analyses of vibrissal tactile discrimination in the rat.</a> The Journal of Neuroscience. 10 (8), 2638-2648 (1990).</li>
<li>Hoshino, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+reconfigurable+maze+provides+flexible%2C+scalable%2C+reproducible%2C+and+repeatable+tests%5BTitle%5D)+AND+%22iScience%22%5BJournal%5D)">The reconfigurable maze provides flexible, scalable, reproducible, and repeatable tests.</a> iScience. 23 (1), 100787(2019).</li>
<li>Salz, D. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Time+cells+in+hippocampal+area+CA3%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Time cells in hippocampal area CA3.</a> The Journal of Neuroscience. 36 (28), 7476-7484 (2016).</li>
<li>Kraus, B. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((During+running+in+place%2C+grid+cells+integrate+elapsed+time+and+distance+run%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">During running in place, grid cells integrate elapsed time and distance run.</a> Neuron. 88 (3), 578-589 (2015).</li>
<li>Mathis, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((DeepLabCut%3A+markerless+pose+estimation+of+user-defined+body+parts+with+deep+learning%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">DeepLabCut: markerless pose estimation of user-defined body parts with deep learning.</a> Nature Neuroscience. 21 (9), 1281-1289 (2018).</li>
<li>Frank, L. M., Brown, E. N., Wilson, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Trajectory+encoding+in+the+hippocampus+and+entorhinal+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">Trajectory encoding in the hippocampus and entorhinal cortex.</a> Neuron. 27 (1), 169(2000).</li>
<li>Gothard, K. M., Skaggs, W. E., McNaughton, B. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamics+of+mismatch+correction+in+the+hippocampal+ensemble+code+for+space%3A+interaction+between+path+integration+and+environmental+cues%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Dynamics of mismatch correction in the hippocampal ensemble code for space: interaction between path integration and environmental cues.</a> The Journal of Neuroscience. 16 (24), 8027-8040 (1996).</li>
<li>Greenhouse, S. W., Geisser, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On+methods+in+the+analysis+of+profile+data%5BTitle%5D)+AND+%22Psychometrika%22%5BJournal%5D)">On methods in the analysis of profile data.</a> Psychometrika. 24 (2), 95-112 (1959).</li>
<li>Kraus, B. J., Robinson, R. J., White, J. A., Eichenbaum, H., Hasselmo, M. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hippocampal+%26%2334%3Btime+cells%26%2334%3B%3A+time+versus+path+integration%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">Hippocampal &#34;time cells&#34;: time versus path integration.</a> Neuron. 78 (6), 1090(2013).</li>
<li>Lenck-Santini, P. -P., Save, E., Poucet, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Place-cell+firing+does+not+depend+on+the+direction+of+turn+in+a+Y-maze+alternation+task%5BTitle%5D)+AND+%22European+Journal+of+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Place-cell firing does not depend on the direction of turn in a Y-maze alternation task.</a> European Journal of Neuroscience. 13 (5), 1055-1058 (2001).</li>
<li>Pastalkova, E., Itskov, V., Amarasingham, A., Buzsáki, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Internally+generated+cell+assembly+sequences+in+the+rat+hippocampus%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Internally generated cell assembly sequences in the rat hippocampus.</a> Science. 321 (5894), 1322-1327 (2008).</li>
<li>O'Keefe, J., Dostrovsky, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+hippocampus+as+a+spatial+map.+Preliminary+evidence+from+unit+activity+in+the+freely-moving+rat%5BTitle%5D)+AND+%22Brain+Research%22%5BJournal%5D)">The hippocampus as a spatial map. Preliminary evidence from unit activity in the freely-moving rat.</a> Brain Research. 34 (1), 171-175 (1971).</li>
<li>Lever, C., Burton, S., Jeewajee, A., O'Keefe, J., Burgess, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Boundary+vector+cells+in+the+subiculum+of+the+hippocampal+formation%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Boundary vector cells in the subiculum of the hippocampal formation.</a> The Journal of Neuroscience. 29 (31), 9771-9777 (2009).</li>
<li>Morris, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Developments+of+a+water-maze+procedure+for+studying+spatial+learning+in+the+rat%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neuroscience+Methods%22%5BJournal%5D)">Developments of a water-maze procedure for studying spatial learning in the rat.</a> Journal of Neuroscience Methods. 11 (1), 47-60 (1984).</li>
<li>Barnes, C. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Memory+deficits+associated+with+senescence%3A+A+neurophysiological+and+behavioral+study+in+the+rat%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Comparative+and+Physiological+Psychology%22%5BJournal%5D)">Memory deficits associated with senescence: A neurophysiological and behavioral study in the rat.</a> Journal of Comparative and Physiological Psychology. 93 (1), 74-104 (1979).</li>
<li>Ormond, J., O'Keefe, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hippocampal+place+cells+have+goal-oriented+vector+fields+during+navigation%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Hippocampal place cells have goal-oriented vector fields during navigation.</a> Nature. 607 (7920), 741-746 (2022).</li>
<li>Wood, R. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+honeycomb+maze+provides+a+novel+test+to+study+hippocampal-dependent+spatial+navigation%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">The honeycomb maze provides a novel test to study hippocampal-dependent spatial navigation.</a> Nature. 554 (7690), 102-105 (2018).</li>
</ol>

S.T. 是一项已审查的日本专利申请公开（申请号：P7137179，申请人：同志社大学）的发明人，该专利涉及可重构迷宫。F.S.、K.I.、H.A. 和 Y.T. 宣布不存在利益冲突。

可重构迷宫使我们能够在单一环境中开展多种迷宫任务。地板上等距分布的孔位，以及由带底板的塔架协调的互锁系统，确保了高度的可重复性和可再现性。此外，该结构易于安装和拆卸，所需迷宫形状可即时配置，构成一个高效、灵活且可扩展的系统。
可重构迷宫使动物能够快速学习。在传统的迷宫实验环境中，改变路径的长度和形状较为困难，而开展结合多种迷宫的测试则耗时较长。本研究证明，可重构迷宫能够逐步扩展迷宫结构，从而在单日内高效完成复杂行为测试的修改与训练（图6A，B）。此外，实验人员进行修改操作也非常简便。在本研究中，多次试验测定了迷宫组装所需时间，实验人员 consistently 在约1至2分钟内完成重构（图6A）。
该迷宫系统的一个主要优势在于能够精细调节迷宫的形状。由于地面布满冲孔板上的孔洞，因此可以开展灵活多样的迷宫实验，而这类实验在传统迷宫系统中难以实现。在本研究进行的延迟交替任务中，大鼠通过探鼻动作启动延迟阶段，并离开延迟区域（图5A）。像我们在此处所做的一样，在附近放置两个饲食器，在具有固定几何结构的传统迷宫系统中是难以实现的。此外，该迷宫系统支持平衡性调整；例如，饲食器B的位置可轻松更换至对侧（图5A）。这一优势还使得不同实验室之间能够复制相同的迷宫配置。目前用于延迟交替任务的迷宫有多种，包括八图形迷宫、Y形迷宫和W形迷宫26,29,30。不同研究之间，奖励区、延迟区域及延迟方法也各不相同23,31。借助这种可重构迷宫系统，所有这些不同类型的迷宫均可在同一物理环境中构建，并可在不同实验室中重现。如果该系统得到广泛应用，将有望推动各实验室间迷宫任务的标准化。
可重构迷宫支持电生理多单元记录，可用于研究支持空间导航的神经相关机制22。在被认为对空间导航起关键作用的海马结构中，已发现多种细胞能够编码空间信息，例如当动物经过特定位置时放电的细胞32，或当接近外部环境边界时放电的细胞33。这些细胞类型的放电活动会随着远处地标的变化而发生改变16,17,18。该系统非常适合在空间导航实验期间记录神经活动，因为可重构迷宫能够在保持外部环境不变的前提下，仅改变迷宫的形状。这种设计实现了对外部环境的严格控制，符合神经活动实验的技术要求。
可重构迷宫为迷宫实验提供了较理想的环境，但也存在一些局限性。首先，该迷宫通过将部件插入打孔板上的孔洞进行组装，因此角度无法灵活调整。圆形迷宫（图4E）在一定程度上克服了这一问题，但在确保迷宫结构稳定的同时，路径中增加曲线和角度仍存在限制。此外，一些经典迷宫，如Morris水迷宫34和Barnes迷宫35，以及近年来开发的蜂巢迷宫36,37，难以通过组合可重构迷宫的部件来构建。未来的研究应致力于探索将这些迷宫类型与可重构迷宫相结合的方法，以提高其适应性，并覆盖更广泛的认知实验需求。

空间导航是动物确定通往目标路径的基本能力。在导航过程中，需要多种认知过程，如决策、学习和记忆。利用这些过程可以在确定到达目标的最短路径时实现经验学习。迷宫实验被用于研究空间导航的行为和生理机制1。例如，T型迷宫2,3、十字迷宫4、放射臂迷宫5,6 和八字迷宫7 可用于评估空间导航行为，包括决策8和焦虑9等认知变量。
每种迷宫形状都有其优缺点，因此需要采用多种迷宫任务进行多方面的实验，以评估特定的学习与记忆能力10,11。例如，自发交替任务无需动物进行学习，仅需在左臂和右臂之间进行选择，是一种典型的空间工作记忆任务，可通过T型和Y型迷宫进行评估12。十字型迷宫和放射臂迷宫利用头部方向和外部线索，用于测定目标导向的导航能力13。8字型迷宫和改良T型迷宫将选择路径与返回路径分离开来，可通过轨迹分析导航功能，用于评估空间工作记忆任务14,15。
在一项实验中使用多个迷宫时，保持迷宫之间的一致性可能具有挑战性。啮齿类动物被认为利用视觉线索进行导航16,17,18；嗅觉19,20和躯体感觉21模态也可能用于空间认知，并可能影响导航能力。如果使用不同的空间、布局、尺寸和材料进行一系列迷宫实验，这些变量可能会影响啮齿类动物的导航策略。空间导航研究需要对这些变量进行尽可能严格的控制；然而，为各种形状维持标准化的迷宫装置，或为每次实验重建迷宫，可能成本较高。这些困难阻碍了在同一实验室内部系统地开展一系列实验。
为了克服先前已建立的迷宫结构中存在的配置限制，本文介绍了一种可在单一物理环境中配置成多种形状的迷宫系统22。&#34;可重构迷宫&#34;结合了标准化组件，提供了一个高度可重复、可复现、灵活且可扩展的测试环境。本文描述了可重构迷宫用于评估啮齿类动物空间导航能力的方法。

<table><tbody><tr><td>3D 打印机</td><td>Stratasys Ltd.</td><td>uPrint</td><td></td></tr><tr><td>Arduino Mega 2560 R3</td><td>Elegoo</td><td>JP-EL-CB-002</td><td></td></tr><tr><td>相机</td><td>Basler</td><td>acA640-750uc</td><td></td></tr><tr><td>控制箱</td><td>O&amp;rsquo;Hara &amp;amp; Co., LTD. / Amuza Inc.</td><td>FMM-IF</td><td></td></tr><tr><td>DeepLabCut</td><td>洛桑联邦理工学院 Mathis 实验室</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>供料单元</td><td>O&amp;rsquo;Hara &amp;amp; Co., LTD. / Amuza Inc.</td><td>FM-PD</td><td></td></tr><tr><td>小鼠自由迷宫系统</td><td>O&amp;rsquo;Hara &amp;amp; Co., LTD. / Amuza Inc.</td><td>FM-M1</td><td></td></tr><tr><td>大鼠自由迷宫系统</td><td>O&amp;rsquo;Hara &amp;amp; Co., LTD. / Amuza Inc.</td><td>FM-R1</td><td></td></tr><tr><td>Long-Evans 大鼠</td><td>Shimizu 实验室用品有限公司&amp;nbsp;</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>MathWorks</td><td>Matlab2020b</td><td></td></tr><tr><td>小鼠可移动隔板</td><td>O&amp;rsquo;Hara &amp;amp; Co., LTD. / Amuza Inc.</td><td>FMM-DM</td><td></td></tr><tr><td>大鼠可移动隔板</td><td>O&amp;rsquo;Hara &amp;amp; Co., LTD. / Amuza Inc.</td><td>FMR-DM</td><td></td></tr><tr><td>小鼠通道与塔结构</td><td>O&amp;rsquo;Hara &amp;amp; Co., LTD. / Amuza Inc.</td><td>FMM-SS</td><td></td></tr><tr><td>大鼠通道与塔结构</td><td>O&amp;rsquo;Hara &amp;amp; Co., LTD. / Amuza Inc.</td><td>FMR-SS</td><td></td></tr><tr><td>颗粒饲料分配器</td><td>O&amp;rsquo;Hara &amp;amp; Co., LTD. / Amuza Inc.</td><td>PD-020D/PD-010D</td><td></td></tr><tr><td>大鼠光电传感器单元</td><td>O&amp;rsquo;Hara &amp;amp; Co., LTD. / Amuza Inc.</td><td>FMR-PS</td><td></td></tr><tr><td>小鼠穿孔板</td><td>O&amp;rsquo;Hara &amp;amp; Co., LTD. / Amuza Inc.</td><td>FMM-ST</td><td></td></tr><tr><td>大鼠穿孔板</td><td>O&amp;rsquo;Hara &amp;amp; Co., LTD. / Amuza Inc.</td><td>FMR-ST</td><td></td></tr><tr><td>大鼠跑步机</td><td>O&amp;rsquo;Hara &amp;amp; Co., LTD. / Amuza Inc.</td><td>FMR-TM</td><td></td></tr></tbody></table>

利用可重构迷宫系统提高啮齿类动物空间导航测试的可重复性

Utilizing a Reconfigurable Maze System to Enhance the Reproducibility of Spatial Navigation Tests in Rodents

多种迷宫形状被用于测试空间导航能力和行为表型。传统上，每个实验都需要一种独特的迷宫形状，因此需要多个不同构型的独立迷宫。在单一环境中无法重新配置迷宫几何结构，从而限制了实验的可扩展性和可重复性。可重构迷宫是一种独特的解决方案，能够以可重复的方式快速、灵活地调整迷宫路径。该系统由可互锁的路径组成，并包含饲喂器、跑步机、可移动墙壁和关闭传感器。本实验方案描述了如何利用可重构迷宫复制现有的多种迷宫类型，包括T形、十字形、W形和8字形迷宫。最初在单个实验室内构建T形迷宫，随后进行逐步修改。本文所述的快速且可扩展的实验流程展示了可重构迷宫的灵活性，通过逐步添加组件和行为训练阶段实现。该可重构迷宫可系统而精确地评估空间导航行为的多个方面的表现。

可重构迷宫的部分结构采用了先前研究中描述的标准迷宫构造方法3,4,7,26,27。在此，直线轨道、T形、W形以及8字形迷宫在相同的物理环境中被重新配置（图4A-D）。为了证明可重构迷宫能够通过逐步和快速缩放平稳地实施所需的行为测试，代表性实验结果所采用的实验方案包括四个训练阶段（图5A）。
在I期和II期，大鼠在触碰饲喂器A后触碰饲喂器R可获得奖励。在III期和IV期，大鼠需按顺序依次触碰饲喂器A和饲喂器B，之后再触碰饲喂器R才能获得奖励。在IV期，触碰饲喂器A会触发跑台的旋转，大鼠只有在强制奔跑5秒后才能接触到饲喂器B。在测试阶段（延迟交替任务）中，实验流程与IV期类似，但饲喂器R位于T型迷宫两侧臂的末端，大鼠需触碰与上一阶段相对侧的饲喂器才能获得奖励。大鼠能够根据延伸路径的长度和形状以及饲喂器位置的变化作出相应的移动调整（图5B）。所有阶段均进行30次试验，每次试验定义为大鼠成功到达饲喂器R一次。三只大鼠在各阶段完成30次试验所用的任务总时长如图6A所示。重复测量方差分析证实，大鼠在不同阶段的任务完成时间存在显著差异（F (4, 8) = 16.98，p &lt; 0.05，Greenhouse-Geisser校正28）。大鼠能够灵活适应路径长度和奖励条件的变化。在次日进行的测试阶段中，所有大鼠在3天内均趋近于高水平的正确选择反应率（图6B）。
若干实验人员构建了迷宫，以验证此类逐步扩展迷宫的操作能够快速完成（图6C）。在本文中，为了更实际地测量迷宫构建时间，将相关组件（跑步机、喂食器）的安装时间加入此前报道中路径形态变换所需的时间22。采用延迟交替任务的实验流程（图5A），五名实验人员将迷宫从II阶段形状转换为测试阶段形状。到第三次试验时，操作时间稳定在67.80 ± 3.03 s（均值 ± 标准误）。参与测试的实验人员中，既有多年使用该迷宫系统的人员，也有极少使用该系统的人员。
<img alt="迷宫装置组件，包括塔楼、通道、喂食器、可移动墙壁、跑步机和控制箱。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64754/64754fig01.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图1"> 
图1可重构迷宫的组成部分 (A-E) 大鼠用带底板的塔架及相应部件。F，G) 大鼠和小鼠的基板固定方法不同。箭头指示突出部分（白色）和螺栓（蓝色）。H信号输入/输出 通过 用于完全自动化任务的控制器。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64754/64754fig01large.jpg" target="_blank">请点击此处以查看此图的放大版本。</a>
<img alt="底板与冲孔板装置的静态平衡示意图；尺寸标注为6mm、8mm、25mm。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64754/64754fig02.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图2"> 
图2：连接冲孔板与底板。（A）底板、冲孔板的侧视图，以及凸起部分的特写照片。（B）底板与冲孔板的俯视图，以及孔位的特写照片。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64754/64754fig02large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="展示流体流动的微流控实验；带有红色流动指示的五阶段过程。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64754/64754fig03.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图3"> 
图3：用于延迟交替任务的T形迷宫组装过程。（A-E）从上方拍摄的可重构迷宫图像。组装过程的图像从左到右依次排列。红色箭头指示新组装的跑步机（C）、喂食器（D）和可移动墙壁（E）的位置。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64754/64754fig03large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="迷宫构型：线性、T形、W形、8字形、圆形、十字形路径的示意图。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64754/64754fig04.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图4"> 
图4：同一环境中多种迷宫形状。 可重构迷宫的图像。（A-D）大鼠用可重构迷宫测试。通道部件在同一环境中被重新配置成多种形状，参考（A）中红色框内通道部件的位置。（E-F）小鼠用可重构迷宫测试。这些迷宫可在任意位置放置饲食器（红色箭头）和可移动墙壁（绿色箭头）。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64754/64754fig04large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="显微镜图像中带喂食系统的相变与模式实验。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64754/64754fig05.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图 5"> 
图 5：迷宫扩展及大鼠运动轨迹。（A）在延迟交替任务的训练和测试阶段，迷宫形状逐渐变化。任务中所用喂食器的类型以彩色方框表示。（B）一只代表性大鼠的奔跑轨迹。每条轨迹对应于（A）中的相应阶段。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64754/64754fig05large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="显示大鼠任务测试、正确选择百分比和实验者组装时间的图形数据。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64754/64754fig06.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Figure 6"> 
图6：迷宫实验的表现。（A-B）从训练开始到测试结束共4天的行为表现。（A）各训练阶段及测试阶段第一天的任务完成时间（n = 3）。（B）延迟交替测试中正确选择反应的百分比（均值 ± 标准误）。虚线表示随机水平。SE：均值的标准误。（C）可重构迷宫的组装时间。线性轨道被改装为T形迷宫（上图）。改装包括添加路径（白色方块）、喂食器（黑色方块）和跑步机（绿色方块）。五名实验者每人进行了三次试验（下图）。测试前，熟练用户（实验者1）先进行一次示范试验。所有试验均在同一天完成。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64754/64754fig06large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>

本实验方案描述了一种可重构迷宫，这是一种用于检测啮齿类动物空间导航能力和行为表型的独特系统。该迷宫系统的可适应性使得在单一物理环境中能够开展多种实验。其结构易于重新配置，可产生可靠且可重复的实验结果。

多种迷宫形状被用于测试空间导航能力和行为表型。传统上，每次实验都需要使用一种独特的迷宫……

本方案提供了一个灵活的迷宫实验环境，使实验者能够在同一空间内执行多种迷宫任务。该技术的主要优势在于，通过组合标准化部件，可立即配置出所需的迷宫形状。此外，该系统易于拆卸和复制。该方法有助于研究导航行为与生理机制。在转基因和基因敲除动物的行为异常筛选中，该测试装置同样具有实用价值。首先，将带底板的塔柱插入打孔板中，形成迷宫的T形框架。将通道连接到塔柱的上部，并将延迟区域的通道替换为跑步机。将喂食器连接到迷宫的每条边缘，然后在左右分支上安装可移动的隔板。进行任务执行时，启动并连接控制箱、微控制器和计算机。编写程序以在微控制器上设置任务时间表并接收实验所需的参数，然后执行任务。构建所需的迷宫形状，将大鼠从饲养笼中移出，并将其放置于迷宫中的任意位置。让大鼠在构建的迷宫中自由探索10分钟以适应环境。设置程序以使用跑步机执行延迟交替任务，并根据需要改变迷宫的形状。将大鼠放置于迷宫中的任意位置，开始延迟交替任务的训练或测试。每次任务结束后将大鼠放回居住笼，并在每只大鼠使用后用70%乙醇彻底擦拭迷宫。再次使用迷宫前需等待至少5分钟。对于动物运动轨迹，使用安装在天花板上的数字摄像机记录大鼠在延迟交替任务期间的行为。最后，利用基于每秒50帧图像的无标记姿态估计算法软件追踪大鼠的运动轨迹。本图展示了大鼠可重构迷宫测试的图像，其中迷宫路径部分在同一环境中被重新配置为多种形状。此处显示的图像代表用于小鼠的可重构迷宫测试。这些迷宫可在任意位置放置饲喂器和可移动的墙壁。在延迟交替任务的训练和测试阶段，迷宫形状会逐渐发生变化。任务中使用的喂食器类型由一个彩色方框标示。此处显示了一只代表性大鼠的运动轨迹。这些图形图像代表了大鼠从训练开始到测试结束共4天的行为表现。此处展示了每个训练阶段及测试阶段第一天的任务完成时间。该图呈现了延迟交替测试中正确选择反应的百分比。虚线表示随机水平。本图展示了可重构迷宫的组装时间。通过增加通道、饲喂器和跑步机，将直线轨道改装为T形迷宫。五名实验人员各自进行了三次试验，所有试验均在同一天内完成。将迷宫部件正确放置在带有孔洞的地面上非常重要。通过使用基板确定布局，迷宫实验可实现高度的可重复性。

utilizing-reconfigurable-maze-system-to-enhance-reproducibility

Research

科研

JoVE Journal

Behavior

行为

利用可重构的迷宫系统提高啮齿动物空间导航测试的可重复性

小鼠使用拉什利III型迷宫进行低应激路线学习

本文介绍了使用改良的自动化装置进行小鼠T迷宫测试以评估其学习和记忆功能的实验方案。...

小鼠工作记忆与参考记忆评估的T型迷宫强制交替与左右辨别任务

本视频展示了如何在小鼠中使用巴恩斯迷宫。研究人员通过反复试验，利用巴恩斯迷宫测试程序来评估实验动物的空间学习和记忆能力。...

巴恩斯迷宫：一种评估实验动物空间学习与记忆能力的方法

干式巴恩斯迷宫被广泛用于测量动物在轻度厌恶刺激下的空间导航能力。在连续数天的测试中，对照组受试动物的表现（例如 找到逃生笼所需的时间）会逐渐改善，表明其具有正常的學習與記憶能力。大鼠與小鼠之間的差異需要對儀器和方法進行相應調整，本文將詳細介紹這些改動。...

小型与大型啮齿类动物模型的巴恩斯迷宫测试策略

本实验方案的目的是研究啮齿类动物的空间认知能力。双H形水迷宫是一种新型测试方法，特别适用于阐明学习、巩固和记忆的不同组分，以及记忆系统之间的相互作用。...

双迷宫：一种用于啮齿类动物学习与记忆研究的稳健行为学测试方法

本文介绍了一种针对小型有鳞爬行动物改良的巴恩斯迷宫方法，该迷宫是一种用于评估啮齿类动物空间记忆与学习能力的标准实验范式。...

评估小型有鳞爬行动物的空间学习与记忆能力

本方案描述了一种基于巴恩斯迷宫测试的行为学实验，用于研究空间环境知识如何调节本能防御行为。...

小鼠本能防御过程中空间记忆作用的研究行为学实验

本方案采用巴恩斯迷宫测量空间学习和记忆能力。通过一种新颖的“危难中的少女”范式来评估小鼠的运动活动性和亲社会行为。...

利用巴恩斯迷宫和遇险少女范式分析小鼠的空间学习与亲社会行为

本文介绍了一种主动位置回避测试的实验方案，这是一种针对啮齿类动物设计的依赖海马体的空间学习范式。通过调整关键参数，可在处理前、处理后或不同时间点对动物进行重复测试。...

主动位置回避（APA）测试：一种有效、多用且可重复的小鼠空间学习任务

大多数啮齿类动物的行为实验最初是为大鼠设计的。由于大鼠与小鼠之间存在行为差异，这些实验有时需要针对小鼠进行修改。本文介绍了一种用于检测小鼠空间工作记忆的方法，旨在尽量减少工作记忆任务过程中小鼠所承受的压力。...

一种用于小鼠的半自动化八臂放射迷宫中的趋近性空间工作记忆任务，可减少迷宫中恐惧记忆的关联

了解可重构迷宫系统用于啮齿动物空间导航测试的方法。该技术通过标准化组件快速配置迷宫形状，结合数字视频记录与无标记姿态估计软件，实现行为轨迹的精确追踪，为神经科学研究提供高度可重复的实验方案。

利用可重构迷宫系统提高啮齿类动物空间导航测试的可重复性

探索更多视频