Methodenartikel

Gebruik van een herconfigureerbaar doolhofsysteem om de reproduceerbaarheid van ruimtelijke navigatietests bij knaagdieren te verbeteren

DOI:

10.3791/64754

⸱

2 december 2022

 ,  ,  ,  , 
1Laboratory of Cognitive and Behavioral Neuroscience, Graduate School of Brain Science, Doshisha University

In dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Het huidige protocol beschrijft een herconfigureerbaar doolhof, een uniek systeem voor het testen van ruimtelijke navigatie en gedragsfenotypen bij knaagdieren. Het aanpassingsvermogen van dit doolhofsysteem maakt het mogelijk om verschillende experimenten in één fysieke omgeving uit te voeren. Het gemak van structurele herschikking genereert betrouwbare en reproduceerbare experimentele resultaten.

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Verschillende doolhofvormen worden gebruikt om ruimtelijke navigatieprestaties en gedragsfenotypen te testen. Traditioneel vereist elk experiment een unieke doolhofvorm, waardoor verschillende afzonderlijke doolhoven in verschillende configuraties nodig zijn. De doolhofgeometrie kan niet opnieuw worden geconfigureerd in één omgeving om schaalbaarheid en reproduceerbaarheid mogelijk te maken. Het herconfigureerbare doolhof is een unieke aanpak om de beperkingen aan te pakken, waardoor snelle en flexibele configuraties van doolhofpaden op een herhaalbare manier mogelijk zijn. Het bestaat uit in elkaar grijpende paden en omvat feeders, loopbanden, beweegbare wanden en afsluitsensoren. Het huidige protocol beschrijft hoe het herconfigureerbare doolhof bestaande doolhoven kan repliceren, waaronder de T-vormige, plus-vormige, W-vormige en figuur-acht doolhoven. Aanvankelijk werd het T-vormige doolhof gebouwd in een enkele experimentele ruimte, gevolgd door aanpassingen. Het snelle en schaalbare protocol dat hierin wordt beschreven, toont de flexibiliteit van het herconfigureerbare doolhof, bereikt door de toevoeging van componenten en gedragstrainingsfasen op een stapsgewijze manier. Het herconfigureerbare doolhof beoordeelt systematisch en nauwkeurig de prestaties van meerdere aspecten van ruimtelijk navigatiegedrag.

Inleiding

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ruimtelijke navigatie is een fundamenteel vermogen van een dier om een geschikte route naar een gericht doel te identificeren. Verschillende cognitieve processen, zoals besluitvorming, leren en geheugen, zijn nodig tijdens het navigeren. Het gebruik van deze processen maakt ervaringsleren mogelijk bij het bepalen van de kortste route naar een doel. Doolhoftests worden gebruikt om de gedrags- en fysiologische mechanismen van ruimtelijke navigatiete onderzoeken 1. Het T-vormige doolhof2,3, plusvormig doolhof4, radiaal armdoolhof5,6 en figuur-acht doolhof7 beoordelen bijvoorbeeld ruimtelijk navigatiegedrag, inclusief cognitieve variabelen zoals besluitvorming8 en angst9.

Elke doolhofvorm heeft voor- en nadelen en vereist veelzijdige experimenten met meerdere doolhoftaken om specifiek leren en geheugen te beoordelen10,11. Zo is de spontane afwisselingstaak, waarbij een dier zonder leren tussen de linker- en rechterarm selecteert, een typische ruimtelijke werkgeheugentaak die kan worden beoordeeld met de T-vormige en Y-vormige doolhoven12. De plusvormige en radiale armdoolhoven, die gebruik maken van hoofdrichting en externe signalen, worden gebruikt om het doelgerichte navigatievermogen te bepalen13. De figuur-acht en aangepaste T-vormige doolhoven, die de routes op selectie en terugkeer scheiden, worden gebruikt om ruimtelijke werkgeheugentaken te evalueren door de navigatiefunctie te analyseren op traject14,15.

Het kan een uitdaging zijn om de consistentie tussen doolhoven te behouden wanneer u meerdere doolhoven in één experiment gebruikt. Van knaagdieren wordt gedacht dat ze visuele aanwijzingen gebruiken voor navigatie16,17,18; Olfactorische19,20 en somatosensorische21 modaliteiten kunnen ook worden gebruikt voor ruimtelijke cognitie en kunnen bijdragen aan het navigatievermogen. Als een reeks doolhofexperimenten wordt uitgevoerd met verschillende ruimtes, lay-outs, afmetingen en materialen, kunnen deze variabelen de navigatiestrategie van de knaagdieren beïnvloeden. Ruimtelijke navigatiestudies vereisen een zo streng mogelijke controle van deze variabelen; Het onderhouden van een gestandaardiseerd doolhofapparaat voor verschillende vormen of het herbouwen van het doolhof voor elk experiment kan echter kostbaar zijn. Deze moeilijkheden verhinderen een systematische manier om een reeks experimenten binnen hetzelfde laboratorium uit te voeren.

Om geconfigureerde beperkingen in eerder gevestigde doolhofstructuren te bestrijden, wordt hier een doolhofsysteem beschreven dat in verschillende vormen in één fysieke omgeving kan worden geconfigureerd22 . Het "herconfigureerbare doolhof" combineert gestandaardiseerde onderdelen en biedt een zeer herhaalbare, reproduceerbare, flexibele en schaalbare testomgeving. Dit artikel beschrijft het vermogen van een herconfigureerbaar doolhof om ruimtelijke navigatie bij knaagdieren te evalueren.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Alle procedures werden goedgekeurd door de Doshisha University Institutional Animal Care and Use Committees. Drie mannelijke Long-Evans-ratten, tussen 24 en 28 weken oud (aan het begin van gedragstraining), met lichaamsgewichten van 300-350 g, werden gebruikt voor de huidige studie. De ratten werden individueel gehuisvest in thuiskooien (20 cm x 25 cm x 23 cm) volgens een 12 uur licht / 12 uur donker schema, met de lichtperiode vanaf 08:00 uur. De dieren werden verkregen uit een commerciële bron (zie tabel met materialen).

1. Doolhof systeem componenten

OPMERKING: Het doolhofsysteem (inclusief alle componenten, stappen 1.1-1.5) (zie materiaaltabel) moet worden gemonteerd in een afgeschermde ruimte bedekt met koperen gaas (4 m x 5 m voor ratten en 1,8 m × 3,0 m voor muizen) voor gelijktijdig gebruik van elektrofysiologische neurale activiteitsregistratie. Het doolhof moet op een vaste hoogte van de vloer worden verhoogd (55 cm voor ratten en 34 cm voor muizen).

  1. Ponsplank
    1. Plaats de aluminium ponsplank op de vloer van de schildkamer (afmetingen van de ponsplank: 360 cm x 480 cm x 1,2 cm voor ratten; 160 cm x 160 cm x 1,2 cm voor muizen) (figuur 1F, G).
      OPMERKING: De experimentator kan op het bord staan.
    2. Rust de ponsplank uit met een rooster van gaten op gelijke afstand (voor zowel ratten als muizen, 25 mm gatafstand en 6 mm gatdiameter) (figuur 2C).
      OPMERKING: Deze gaten maken de plaatsing van zeer herhaalbare doolhoven mogelijk (figuur 2D).
  2. Toren met bodemplaat
    1. Ontwikkel een toren met een bodemplaat van aluminium om paden van een vaste hoogte te vormen (de afmetingen van het stamgedeelte van de toren zijn 55 cm × 6 cm × 2 cm voor ratten en 34 cm × 1,3 cm × 1,3 cm voor muizen) (figuur 1A).
    2. Gebruik de bodemplaat om de positie van de doolhofdelen te bevestigen (de afmetingen van de bodemplaat zijn 18 cm × 11 cm × 0,5 cm voor ratten en 12 cm × 7 cm × 0,3 cm voor muizen).
    3. Rust de grondplaat uit met uitsteeksels om een raster van gelijk verdeelde gaten in de ponsplank te verbinden (de uitsteekseldiameter is 6 mm) (figuur 2B).
    4. Gebruik de gaten om componenten zoals feeders, beweegbare wanden en loopbanden (zie materiaaltabel) te verbinden die zijn uitgerust met torens met bodemplaten.
      OPMERKING: Voor ratten had de bodemplaat vier uitsteeksels (lengte van 8 mm) (figuur 1F) die in de gaten in de ponsplank waren gestoken. Voor muizen was de bodemplaat te licht om het pad te ondersteunen, dus werden bouten in de gaten gestoken (boutlengtes waren 14 mm) (figuur 1G).
  3. Doolhofpad
    OPMERKING: De in de handel verkrijgbare route (49 cm × 10 cm voor ratten en 39 cm × 5 cm voor muizen) was gemaakt van polyvinylchloride (dikte van 5 mm voor ratten en 3 mm voor muizen) (zie materiaaltabel).
    1. Bouw het kleinste deel van het doolhof door het pad in het bovenste deel van de toren te plaatsen (figuur 1B).
    2. Ontwerp het bovenste deel van de toren om te voldoen aan de afmetingen van de onderkant van het pad (afmetingen van het bovenste deel van de toren zijn 48 cm × 8 cm × 1 cm voor ratten en 21,9 cm × 3,9 cm × 0,3 cm voor muizen). Om het pad naar de toren te repareren, plaatst u het bovenop.
    3. Zorg voor zijbarrières van polyvinylchloride om te voorkomen dat dieren vallen (45 mm voor ratten en 30 mm voor muizen).
      OPMERKING: Er zijn verschillende patronen beschikbaar om de paden op verschillende manieren met elkaar te verbinden, zoals delen waarvan slechts één zijbarrière is verwijderd. 3D-modellen van de padonderdelen zijn beschikbaar (https://github.com/TakahashiLab/ReconfigurableMazeParts) en kunnen worden geprint met een 3D-printer (zie Materiaaltabel).
  4. Begeleidende onderdelen
    OPMERKING: De onderdelen die nodig zijn voor gedragsexperimenten kunnen worden geïmplementeerd door een gemeenschappelijke basisplaat aan het pad te bevestigen.
    1. Plaats feeders aan de zijkant van een pad om de plaats van de beloning te veranderen (figuur 1C).
      OPMERKING: Dieren die in de feeders prikken, worden gedetecteerd door de afsluitsensoren (zie materiaaltabel).
    2. Plaats beweegbare wanden in de openingen tussen de paden om dieren te dwingen de bewegingsrichting te sturen (figuur 1D).
      OPMERKING: Voor ratten, wanneer de beweegbare muur wordt verhoogd, is de hoogte van de muur 90 cm van de vloer en 29,5 cm van de zijbarrières van het pad. Wanneer de beweegbare muur wordt verlaagd, is de hoogte van de muur 54 cm van de vloer en -5,5 cm van de zijbarrières van het pad. Voor muizen, wanneer de beweegbare muur wordt verhoogd, is de hoogte van de muur 55 cm van de vloer en 17 cm van de zijbarrières van het pad. Wanneer de beweegbare muur wordt neergelaten, is de hoogte van de muur 35 cm van de vloer en -3 cm van de zijbarrières van het pad.
    3. Plaats loopbanden met paden om loopvertragingen op vaste posities te forceren (figuur 1E).
  5. Schakelkast
    OPMERKING: Bedien elk onderdeel automatisch via de besturingskast (figuur 1H) (zie materiaaltabel).
    1. Gebruik een microcontroller om signalen van de loopbanden en feeders te ontvangen via de besturingskast.
      OPMERKING: De afsluitsensor op de feeder en het aantal loopbandrotaties kunnen worden gedetecteerd.
    2. Gebruik een microcontroller om activeringssignalen naar de loopbanden, feeders en beweegbare wandactuatoren te sturen volgens een ingesteld taakschema via de besturingskast. Regel individueel het doseren en weggooien van pellets en het verhogen en verlagen van de beweegbare wand.

2. Evaluatie van speciale navigatie van knaagdieren in het herconfigureerbare doolhof

OPMERKING: Er is een diergedragsexperiment uitgevoerd met behulp van het herconfigureerbare doolhof (ontwikkeld in stap 1).

  1. Voorbeeld constructie van een doolhof
    OPMERKING: Een voorbeeld van het samenstellen van een T-vormig doolhof voor ratten die worden gebruikt in het experiment met vertraagde afwisselingstaken wordt gegeven in figuur 3.
    1. Steek torens met grondplaten in de ponsplank om een T-vormig raamwerk te vormen (figuur 3A).
    2. Bevestig paden aan het bovenste deel van de torens (figuur 3B).
    3. Vervang het pad in het vertraagde gebied door een loopband (figuur 3C).
      OPMERKING: De loopband kan worden vervangen door een pad van dezelfde hoogte en lengte.
    4. Bevestig feeders aan elke rand van het doolhof (figuur 3D).
    5. Bevestig beweegbare wanden aan de linker- en rechtertak (figuur 3E).
      OPMERKING: Zorg ervoor dat de poot en staart van het dier niet vast komen te zitten in de openingen tussen secties.
       
  2. Dieren
    1. Zorg ervoor dat het lichaamsgewicht van de ratten tussen de 300 en 350 g blijft en voer alle gedragsexperimenten overdag uit.
  3. Uitvoering van taken
    1. Start de besturingskast, microcontroller en pc op en sluit deze aan.
    2. Schrijf een programma om het taakschema in te stellen en ontvang de parameters die nodig zijn voor het experiment.
    3. Schrijf het programma naar de microcontroller en voer een taak uit.
      OPMERKING: Het voorbeeld van een ingesteld taakschema geschreven in C met behulp van een microcontrollerbord is beschikbaar in een openbare opslagplaats (https://github.com/TakahashiLab/ReconfigurableMazeExample).
  4. Gedragsexperiment
    1. Construeer de gewenste doolhofvorm (stap 2.1).
    2. Verplaats de ratten uit de kooien van het huis en plaats ze in de willekeurige positie van het doolhof.
    3. Laat de ratten het aangelegde doolhof gedurende 10 minuten vrij verkennen om te wennen.
    4. Stel een programma in om de vertraagde afwisselingstaak uit te voeren met de loopband23,24.
      OPMERKING: De parameters die nodig zijn voor het experiment kunnen automatisch worden verkregen door de programma-instellingen (bijv. aantal priktijden, duur van het experiment, loopbandsnelheid, enz.).
    5. Verander indien nodig de vorm van het doolhof.
    6. Plaats de ratten op de willekeurige positie in het doolhof en voer de training of test van de vertraagde afwisselingstaak uit.
      OPMERKING: In de huidige studie werden trainingssessies uitgevoerd met een geleidelijk toenemende vertragingstijd en testsessies (met een vertragingstijd van 5 s).
    7. Breng de ratten na elke taak terug naar de thuiskooi.
    8. Veeg het doolhof na elke rat grondig af met 70% ethanol en wacht minstens 5 minuten voordat u het doolhof opnieuw gebruikt.
      OPMERKING: De delen van het pad kunnen van de toren worden losgemaakt, zodat ze grondig kunnen worden schoongeveegd van geuren en vuil.

3. Gedragsprestaties en data-analyse

  1. Traject van dieren
    1. Leg het gedrag van dieren vast tijdens de vertraagde afwisselingstaak met een aan het plafond gemonteerde digitale videocamera (zie materiaaltabel).
      OPMERKING: Door de camera op het plafond te plaatsen, kan de experimentator constant de bewegingen van de dieren opnemen terwijl ze tijdens de taak door het doolhof rennen.
    2. Volg de lopende trajecten met markerless poseschattingssoftware25 (zie Materiaaltabel) op basis van beelden die zijn vastgelegd met 50 frames /s.

Resultaten

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Sommige delen van het herconfigureerbare doolhof gebruikten standaard doolhofconstructies beschreven in eerdere studies 3,4,7,26,27. Hier werden het lineaire spoor, T-vormig, W-vormig en figuur-acht doolhoven opnieuw geconfigureerd in dezelfde fysieke omgeving (figuur 4A-D). Om aan te tonen dat het herconfigureerbare doolhof de gewenste gedragstest soepel kon implementeren door geleidelijke en snelle schaalvergroting, omvatte het protocol dat werd gebruikt voor representatieve resultaten vier trainingsfasen (figuur 5A).

In fase I en II werden beloningen ontvangen door Feeder R te porren na het porren van Feeder A. In fase III en IV werd de beloning ontvangen door Feeder R te porren na het prikken van Feeders A en B, in die volgorde. In fase IV veroorzaakte het prikken van feeder A de rotatie van de loopband en was feeder B alleen toegankelijk na 5 s geforceerd rennen. In de testfase (vertraagde afwisselingstaak) was de procedure vergelijkbaar met die van fase IV, maar Feeder R bevond zich in de armen aan weerszijden van het T-vormige doolhof en ratten werden beloond door de tegenovergestelde feeder van de vorige fase te prikken. Ratten konden bewegen als reactie op de lengte en vorm van het uitschuivende pad en veranderende feederplaatsen (figuur 5B). Alle fasen werden uitgevoerd in 30 onderzoeken, waarbij elke proef werd gedefinieerd als een instantie van de rat die Feeder R bereikte. De taakduur van de drie ratten die in elke fase 30 proeven hebben voltooid, is weergegeven in figuur 6A. Herhaalde metingen ANOVA bevestigde dat de taakvoltooiingstijd van ratten verschilde tussen fasen (F (4, 8) = 16,98, p < 0,05, Greenhouse-Geisser gecorrigeerd28). De ratten konden zich flexibel aanpassen aan veranderingen in de lengte van het pad en de beloningsomstandigheden. In de testfase, die de volgende dag werd uitgevoerd, benaderden alle ratten asymptotisch de hoge percentages van juiste keuzeresponsen binnen 3 dagen (figuur 6B).

Verschillende experimentatoren construeerden de doolhoven om te bevestigen dat een dergelijke stapsgewijze doolhofuitbreiding snel kon worden uitgevoerd (figuur 6C). In dit artikel is de tijd van de bijbehorende onderdelen (loopband, feeders) opgeteld bij de morphingtijd van het pad in het vorige rapport22 om de doolhofbouwtijd praktisch te meten. Met behulp van de procedure voor de vertraagde afwisselingstaak (figuur 5A) veranderden vijf experimentatoren het doolhof van de fase II-vorm naar de testfasevorm. De tijd convergeerde naar 67,80 ± 3,03 s (gemiddelde ± SE) op de derde proef. De test omvatte experimentatoren die dit doolhofsysteem al enkele jaren hadden gebruikt en degenen die het zelden hadden gebruikt.

figure-results-1
Figuur 1: Elementen van het herconfigureerbare doolhof. (A-E) Toren met bodemplaat en bijbehorende delen voor ratten. (F,G) De bevestigingsmethode van de bodemplaat is anders voor ratten en muizen. Pijlen geven uitsteeksels (wit) en bouten (blauw) aan. (H) Signaalinvoer/-uitvoer via de controller voor volledig geautomatiseerde taken. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-2
Figuur 2: De ponsplank verbinden met de bodemplaat. (A) Zijaanzicht van de bodemplaat, de ponsplank en een close-upfoto van een uitsteeksel. (B) Bovenaanzicht van de bodemplaat en de ponsplank, en een close-upfoto van de gaten. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-3
Figuur 3: Proces van T-vormige doolhofassemblage voor de vertraagde afwisselingstaak. (A-E) Beelden van het herconfigureerbare doolhof van bovenaf genomen. De beelden van het assemblageproces zijn van links naar rechts in volgorde. De rode pijlen geven de posities aan van de nieuw geassembleerde loopband (C), feeders (D) en beweegbare wanden (E). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-4
Figuur 4: Meerdere doolhofvormen in één omgeving. Afbeeldingen van het herconfigureerbare doolhof. (A-D) Herconfigureerbare doolhoftest voor ratten. De paddelen werden opnieuw geconfigureerd in verschillende vormen in een enkele omgeving, met verwijzing naar de locatie van de paddelen die in rood zijn ingesloten in (A). (E-F) Herconfigureerbare doolhoftest voor muizen. Deze doolhoven werden geplaatst met voederbakken (rode pijlen) en beweegbare muren (groene pijlen) op elke locatie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-5
Figuur 5: Doolhofuitbreiding en trajecten van een rat . (A) De vorm van het doolhof verandert geleidelijk tijdens de trein- en testfasen van de vertraagde afwisselingstaak. Het type feeder dat in de taak wordt gebruikt, wordt aangegeven door een gekleurd vak. (B) Looptrajecten van een representatieve rat. Elk traject komt overeen met de fase in (A). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-6
Figuur 6: Uitvoering van doolhofexperimenten. (A-B) De gedragsprestaties gedurende 4 dagen, vanaf het begin van de training tot het einde van de test. (A) Voltooiing van de taak voor elke trainingsfase en de eerste dag van de testfase (n = 3). (B) De percentages van de juiste keuzeresponsen (gemiddelde ± SE) in de uitgestelde alternatietest. Stippellijnen geven kansniveaus aan. SE: standaardfout van het gemiddelde. (C) Herconfigureerbare doolhof montagetijd. Het lineaire spoor werd omgevormd tot een T-vormig doolhof (boven). De wijziging omvatte de toevoeging van paden (wit vierkant), feeders (zwart vierkant) en een loopband (groen vierkant). Vijf experimentatoren voerden elk drie proeven uit (onder). Voorafgaand aan de test voerde de deskundige gebruiker (Experimenter 1) één proef uit als voorbeeld. Alle proeven werden op dezelfde dag uitgevoerd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Discussie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Het herconfigureerbare doolhof stelde ons in staat om een verscheidenheid aan doolhoftaken in één omgeving uit te voeren. Gelijkmatig verdeelde gaten in de vloer en een in elkaar grijpend systeem gecoördineerd door torens met bodemplaten garandeerden een hoge mate van herhaalbaarheid en reproduceerbaarheid. Bovendien kon de structuur eenvoudig worden bevestigd en losgemaakt en kon de gewenste doolhofvorm onmiddellijk worden geconfigureerd, functionerend als een efficiënt, flexibel en schaalbaar systeem.

Het herconfigureerbare doolhof stelde de dieren in staat om snel te leren. In conventionele doolhofexperimentele omgevingen kan het moeilijk zijn om de lengte en vorm van het pad opnieuw te configureren, en het uitvoeren van tests die meerdere doolhoven combineren, is tijdrovend. Zoals aangetoond in deze studie, maakt het herconfigureerbare doolhof doolhofuitbreiding op een stapsgewijze manier mogelijk, waarbij training na modificatie van complexe gedragstests efficiënt wordt uitgevoerd in één dag (figuur 6A, B). Bovendien is het voor de experimentator gemakkelijk om wijzigingen aan te brengen. In deze studie werd de doolhofassemblagetijd gemeten in meerdere proeven en de experimentatoren voltooiden de reconstructies consequent in ongeveer 1 tot 2 minuten (figuur 6A).

Een groot voordeel van dit doolhofsysteem is dat het de vorm van het doolhof kan finetunen. Omdat de vloer gevuld is met ponsplankgaten, is het mogelijk om flexibele doolhofexperimenten uit te voeren die moeilijk te bereiken zouden zijn met conventionele doolhofsystemen. In de vertraagde afwisselingstaak die in dit onderzoek werd uitgevoerd, initieerden de ratten de vertraging en verlieten ze het vertragingsgebied door te porren (figuur 5A). Het plaatsen van twee feeders in de buurt, zoals we hier hebben gedaan, is moeilijk in een conventioneel doolhofsysteem met een vaste geometrie. Bovendien maakt dit doolhofsysteem tegenwichtaanpassingen mogelijk; de positie van feeder B kan bijvoorbeeld eenvoudig aan de andere kant worden vervangen (figuur 5A). Dit voordeel maakt het ook mogelijk om doolhofconfiguraties in laboratoria te repliceren. Verschillende doolhoven worden gebruikt voor de vertraagde afwisselingstaak, waaronder het doolhof van figuur acht, het Y-doolhof en het W-doolhof26,29,30. De beloningszone, het vertragingsgebied en de vertragingsmethode verschillen ook van studietot studie 23,31. Met het herconfigureerbare doolhof kunnen al deze verschillende doolhoven in één fysieke omgeving worden gecreëerd en in verschillende laboratoria worden gereproduceerd. Als dit systeem wijdverspreid wordt, kan dit leiden tot de standaardisatie van doolhoftaken tussen laboratoria.

Het herconfigureerbare doolhof ondersteunt elektrofysiologische multiunit-opnames, die de neurale correlaten onderzoeken die ruimtelijke navigatie ondersteunen22. Bij hippocampusvorming, die wordt beschouwd als een essentiële rol in ruimtelijke navigatie, zijn verschillende soorten cellen gemeld om ruimtelijke informatie te coderen, zoals cellen die vuren bij het passeren van een specifieke positie32 of bij het naderen van de grens van de externe omgeving33. Deze celtypen veranderen hun vuuractiviteit op basis van veranderingen in verre oriëntatiepunten16,17,18. Dit systeem is ideaal voor het registreren van neurale activiteit tijdens ruimtelijke navigatie-experimenten, omdat het herconfigureerbare doolhof alleen de vorm van het doolhof kan veranderen met behoud van dezelfde omgeving. Het herconfigureerbare doolhof handhaaft strikte externe omgevingscontrole, een specificatie die relevant is voor experimenten met neurale activiteit.

Het herconfigureerbare doolhof biedt een optimale omgeving voor doolhofexperimenten, met enkele kanttekeningen. Ten eerste wordt het doolhof geconstrueerd door onderdelen in gaten in een ponsplank te plaatsen, zodat de hoeken niet flexibel kunnen worden gewijzigd. Het cirkelvormige doolhof (figuur 4E) overwint dit probleem tot op zekere hoogte, maar er zijn beperkingen aan het toevoegen van bochten en hoeken aan het pad terwijl de stabiliteit van het doolhof wordt gewaarborgd. Daarnaast zijn sommige klassieke doolhoven, zoals het Morris waterdoolhof 34 en Barnes doolhof35, en doolhoven die de afgelopen jaren zijn ontwikkeld zoals het honingraatdoolhof36,37, moeilijk te construeren door delen van de herconfigureerbare doolhoven te combineren. Toekomstige inspanningen moeten zich richten op het verkennen van methodologieën om deze doolhoftypen samen te voegen met het herconfigureerbare doolhof om het aanpassingsvermogen te vergroten en meer cognitieve experimenten te dekken.

Openbaarmakingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

S.T. is een uitvinder van een onderzochte Japanse octrooiaanvraagpublicatie (nr. P7137179, aanvrager: Doshisha University) met betrekking tot het herconfigureerbare doolhof. F.S., K.I., H.A. en Y.T. verklaren geen belangenconflicten.

Dankbetuigingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dit werk werd ondersteund door de Japanse Vereniging voor de Bevordering van de Wetenschap, Kakenhi verleent 16H06543 en 21H05296 aan S.T.

Materialen

```html

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
3D printerStratasys Ltd.uPrint
Arduino Mega 2560 R3ElegooJP-EL-CB-002
CameraBasleracA640-750uc
Control boxO’Hara & Co., LTD. / Amuza Inc.FMM-IF
DeepLabCutMathis laboratorium aan het Swiss Federal Institute of Technology in LausanneN/A
Feeder unitO’Hara & Co., LTD. / Amuza Inc.FM-PD
Free maze system voor muizenO’Hara & Co., LTD. / Amuza Inc.FM-M1
Free maze system voor rattenO’Hara & Co., LTD. / Amuza Inc.FM-R1
Long-Evans RatShimizu Laboratory Supplies, Co. LTD. N/A
MATLABMathWorksMatlab2020b
Verplaatsbare muur voor muizenO’Hara & Co., LTD. / Amuza Inc.FMM-DM
Verplaatsbare muur voor rattenO’Hara & Co., LTD. / Amuza Inc.FMR-DM
Pad en toren voor muizenO’Hara & Co., LTD. / Amuza Inc.FMM-SS
Pad en toren voor rattenO’Hara & Co., LTD. / Amuza Inc.FMR-SS
Pellet dispenserO’Hara & Co., LTD. / Amuza Inc.PD-020D/PD-010D
Fotostraalsensoreneenheid voor rattenO’Hara & Co., LTD. / Amuza Inc.FMR-PS
Punching board voor muizenO’Hara & Co., LTD. / Amuza Inc.FMM-ST
Punching board voor rattenO’Hara & Co., LTD. / Amuza Inc.FMR-ST
Loopband voor rattenO’Hara & Co., LTD. / Amuza Inc.FMR-TM
```

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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).

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Knaagdiergedragreproduceerbaarheid van doolhovengedragsfenotypestaak voor vertraagde alternatiedoolhofconfiguratiemarkerloze pose estimatieT doolhofverplaatsbare wanden

Gerelateerde artikelen