Artykuł metodologiczny

Wykorzystanie rekonfigurowalnego systemu labiryntów w celu zwiększenia powtarzalności testów nawigacji przestrzennej u gryzoni

DOI:

10.3791/64754

⸱

2 grudnia 2022

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

W tym artykule

Podsumowanie

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

Obecny protokół opisuje rekonfigurowalny labirynt, unikalny system do testowania nawigacji przestrzennej i fenotypów behawioralnych u gryzoni. Zdolność adaptacji tego systemu labiryntów umożliwia wykonywanie różnych eksperymentów w jednym środowisku fizycznym. Łatwość przegrupowania strukturalnego pozwala uzyskać wiarygodne i powtarzalne wyniki eksperymentalne.

Streszczenie

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

Kilka kształtów labiryntów jest używanych do testowania wydajności nawigacji przestrzennej i fenotypów behawioralnych. Tradycyjnie, każdy eksperyment wymaga unikalnego kształtu labiryntu, co wymaga kilku oddzielnych labiryntów w różnych konfiguracjach. Geometrii labiryntu nie można ponownie skonfigurować w jednym środowisku w celu zapewnienia skalowalności i odtwarzalności. Rekonfigurowalny labirynt to unikalne podejście do rozwiązywania problemów, umożliwiające szybką i elastyczną konfigurację ścieżek labiryntu w powtarzalny sposób. Składa się z zazębiających się ścieżek i obejmuje podajniki, bieżnie, ruchome ściany i czujniki odcinające. Obecny protokół opisuje, w jaki sposób rekonfigurowalny labirynt może replikować istniejące labirynty, w tym labirynty w kształcie litery T, w kształcie plusa, w kształcie litery W i w kształcie ósemki. Początkowo labirynt w kształcie litery T został zbudowany w jednym pomieszczeniu eksperymentalnym, a następnie został zmodyfikowany. Szybki i skalowalny protokół opisany w niniejszym dokumencie demonstruje elastyczność rekonfigurowalnego labiryntu, osiągniętą poprzez stopniowe dodawanie komponentów i faz treningu behawioralnego. Rekonfigurowalny labirynt systematycznie i precyzyjnie ocenia wydajność wielu aspektów zachowania nawigacji przestrzennej.

Wprowadzenie

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

Nawigacja przestrzenna to podstawowa zdolność zwierzęcia do identyfikowania odpowiedniej trasy do celu. Podczas nawigacji potrzebne są różne procesy poznawcze, takie jak podejmowanie decyzji, uczenie się i pamięć. Wykorzystanie tych procesów pozwala na uczenie się przez doświadczenie przy określaniu najkrótszej drogi do celu. Testy labiryntu służą do badania behawioralnych i fizjologicznych mechanizmów nawigacji przestrzennej1. Na przykład labirynt w kształcie litery T2,3, labirynt w kształcie plusa4, labirynt z ramieniem promieniowym5,6 i labirynt ósemka7 oceniają zachowania związane z nawigacją przestrzenną, w tym zmienne poznawcze, takie jak podejmowanie decyzji8 i anxiety9.

Każdy kształt labiryntu ma zalety i wady, wymagając wieloaspektowych eksperymentów z wykorzystaniem wielu zadań labiryntowych do oceny konkretnego uczenia się i pamięci10,11. Na przykład spontaniczne zadanie naprzemienne, w którym zwierzę wybiera między lewą a prawą ręką bez konieczności uczenia się, jest typowym zadaniem przestrzennej pamięci roboczej, które można ocenić za pomocą labiryntów w kształcie litery T i Y12. Labirynty ramion w kształcie plusa i promieniowe, które wykorzystują kierunek głowy i wskazówki zewnętrzne, są używane do określania zdolności nawigacyjnych zorientowanych na cel13. Ósemka i zmodyfikowane labirynty w kształcie litery T, które rozdzielają trasy przy wyborze i powrocie, są używane do oceny zadań przestrzennej pamięci roboczej poprzez analizę funkcji nawigacji według trajektorii14,15.

Utrzymanie spójności między labiryntami może być trudne, gdy używa się kilku labiryntów w jednym eksperymencie. Uważa się, że gryzonie używają wizualnych wskazówek do nawigacji16,17,18; Modalności olfactory19,20 i somatosensory21 mogą być również wykorzystywane do poznania przestrzennego i mogą przyczyniać się do poprawy zdolności nawigacyjnych. Jeśli seria eksperymentów labiryntowych zostanie przeprowadzona przy użyciu różnych przestrzeni, układów, wymiarów i materiałów, zmienne te mogą wpływać na strategię nawigacyjną gryzoni. Badania z zakresu nawigacji przestrzennej wymagają możliwie najściślejszej kontroli tych zmiennych; Jednak utrzymanie ustandaryzowanego urządzenia labiryntowego dla różnych kształtów lub odbudowa labiryntu dla każdego eksperymentu może być kosztowne. Trudności te uniemożliwiają systematyczne przeprowadzanie serii eksperymentów w tym samym laboratorium.

Aby zwalczyć ograniczenia konfiguracji w wcześniej ustalonych strukturach labiryntów, tutaj opisano system labiryntów, który może być konfigurowany w różnych kształtach w jednym środowisku fizycznym22. "Rekonfigurowalny labirynt" łączy ustandaryzowane części, zapewniając wysoce powtarzalne, powtarzalne, elastyczne i skalowalne środowisko testowe. W tym artykule opisano zdolność rekonfigurowalnego labiryntu do oceny nawigacji przestrzennej u gryzoni.

Protokół

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

Wszystkie procedury zostały zatwierdzone przez Komitety ds. Opieki i Użytkowania Zwierząt Uniwersytetu Doshisha. Do niniejszego badania wykorzystano trzy samce szczurów Long-Evans w wieku od 24 do 28 tygodni (na początku treningu behawioralnego), o masie ciała 300-350 g. Szczury były trzymane pojedynczo w klatkach domowych (20 cm x 25 cm x 23 cm) według harmonogramu 12 godzin światła/12 godzin ciemności, przy czym okres światła rozpoczynał się o 08:00 rano. Zwierzęta zostały pozyskane ze źródła komercyjnego (patrz tabela materiałów).

1. Elementy systemu labiryntu

UWAGA: System labiryntu (w tym wszystkie komponenty, kroki 1.1-1.5) (zobacz Tabelę Materiałów) musi być zamontowany w osłoniętym pomieszczeniu pokrytym miedzianą siatką (4 m x 5 m dla szczurów i 1,8 m × 3,0 m dla myszy) do jednoczesnego korzystania z elektrofizjologicznego zapisu aktywności neuronalnej. Labirynt musi być podniesiony na ustalonej wysokości od podłogi (55 cm dla szczurów i 34 cm dla myszy).

  1. Deska do dziurkowania
    1. Umieść aluminiową deskę do dziurkowania na podłodze w pomieszczeniu z tarczami (wymiary deski do dziurkowania: 360 cm x 480 cm x 1,2 cm dla szczurów; 160 cm x 160 cm x 1,2 cm dla myszy) (Rysunek 1F,G).
      UWAGA: Eksperymentator może stać na tablicy.
    2. Wyposaż deskę do dziurkowania w siatkę równomiernie rozmieszczonych otworów (zarówno dla szczurów, jak i myszy, odstęp między otworami 25 mm i średnica otworu 6 mm) (Rysunek 2C).
      UWAGA: Otwory te umożliwiają umieszczanie wysoce powtarzalnych labiryntów (Rysunek 2D).
  2. Wieża z płytą bazową
    1. Opracuj wieżę z płytą podstawy wykonaną z aluminium, aby utworzyć ścieżki o stałej wysokości (wymiary części łodygi wieży to 55 cm × 6 cm × 2 cm dla szczurów i 34 cm × 1,3 cm × 1,3 cm dla myszy) (Rysunek 1A).
    2. Użyj płytki podstawowej, aby ustalić położenie części labiryntu (wymiary płytki podstawy to 18 cm × 11 cm × 0,5 cm dla szczurów i 12 cm × 7 cm × 0,3 cm dla myszy).
    3. Wyposaż płytę podstawy w występy, aby połączyć siatkę równomiernie rozmieszczonych otworów w desce do wykrawania (średnica występu wynosi 6 mm) (Rysunek 2B).
    4. Użyj otworów, aby połączyć elementy, takie jak podajniki, ruchome ściany i bieżnie (patrz Tabela materiałów) wyposażone w wieże z płytami podstawowymi.
      UWAGA: W przypadku szczurów płyta bazowa miała cztery występy (długość 8 mm) (Rysunek 1F) włożone w otwory w desce do wykrawania. W przypadku myszy płytka podstawy była zbyt lekka, aby podeprzeć ścieżkę, więc w otwory włożono (długość wynosiła 14 mm) (Rysunek 1G).
  3. Ścieżka labiryntu
    UWAGA: Dostępna na rynku ścieżka (49 cm × 10 cm dla szczurów i 39 cm × 5 cm dla myszy) została wykonana z polichlorku winylu (grubość 5 mm dla szczurów i 3 mm dla myszy) (patrz tabela materiałów).
    1. Zbuduj najmniejszą część labiryntu, umieszczając ścieżkę w górnej części wieży (Rysunek 1B).
    2. Zaprojektuj górną część wieży tak, aby była zgodna z wymiarami dolnej strony ścieżki (wymiary górnej części wieży to 48 cm × 8 cm × 1 cm dla szczurów i 21,9 cm × 3,9 cm × 0,3 cm dla myszy). Aby naprawić ścieżkę do wieży, umieść ją na górze.
    3. Zapewnij bariery boczne wykonane z polichlorku winylu, aby zapobiec upadkowi zwierząt (45 mm dla szczurów i 30 mm dla myszy).
      UWAGA: Dostępnych jest kilka wzorów łączenia ścieżek na różne sposoby, na przykład części z usuniętą tylko jedną boczną barierą. Dostępne są modele 3D części ścieżki (https://github.com/TakahashiLab/ReconfigurableMazeParts), które można wydrukować za pomocą drukarki 3D (patrz tabela materiałów).
  4. Części towarzyszące
    UWAGA: Części wymagane do eksperymentów behawioralnych można zaimplementować, dołączając wspólną płytkę bazową do ścieżki.
    1. Umieść karmniki z boku dowolnej ścieżki, aby zmienić miejsce nagrody (Rysunek 1C).
      UWAGA: Zwierzęta szturchające karmniki są wykrywane przez czujniki odcinające (patrz Tabela materiałów).
    2. Umieść ruchome ściany w szczelinach między ścieżkami, aby zmusić zwierzęta do kierowania kierunkiem ruchu (Rysunek 1D).
      UWAGA: W przypadku szczurów, gdy ruchoma ściana jest podniesiona, wysokość ściany wynosi 90 cm od podłogi i 29,5 cm od bocznych barierek ścieżki. Po opuszczeniu ruchomej ściany wysokość ściany wynosi 54 cm od podłogi i -5,5 cm od bocznych barierek ścieżki. W przypadku myszy, gdy ruchoma ściana jest podniesiona, wysokość ściany wynosi 55 cm od podłogi i 17 cm od bocznych barierek ścieżki. Po opuszczeniu ruchomej ściany wysokość ściany wynosi 35 cm od podłogi i -3 cm od bocznych barierek ścieżki.
    3. Umieść bieżnie ze ścieżkami, aby wymusić opóźnienia biegu w stałych pozycjach (Rysunek 1E).
  5. Skrzynka sterownicza
    UWAGA: Kontroluj każdą część automatycznie za pomocą skrzynki kontrolnej (Rysunek 1H) (patrz Tabela materiałów).
    1. Użyj mikrokontrolera, aby odbierać sygnały z bieżni i karmników za pośrednictwem skrzynki sterowniczej.
      UWAGA: Można wykryć czujnik odcięcia na podajniku i liczbę obrotów bieżni.
    2. Użyj mikrokontrolera, aby wysłać sygnały aktywacji do bieżni, podajników i ruchomych siłowników ściennych zgodnie z ustalonym harmonogramem zadań za pośrednictwem skrzynki sterowniczej. Indywidualnie kontroluj dozowanie i wyrzucanie granulek oraz podnoszenie i opuszczanie ruchomej ściany.

2. Ocena specjalnej nawigacji gryzoni w rekonfigurowalnym labiryncie

UWAGA: Eksperyment z zachowaniem zwierząt został przeprowadzony przy użyciu rekonfigurowalnego labiryntu (opracowanego w kroku 1).

  1. Przykładowa budowa labiryntu
    UWAGA: Przykład, jak złożyć labirynt w kształcie litery T dla szczurów użyty w eksperymencie z zadaniem opóźnionej zmiany, znajduje się w Rysunek 3.
    1. Włóż wieże z płytami bazowymi do deski do wykrawania, aby utworzyć ramę w kształcie litery T (Rysunek 3A).
    2. Przymocuj ścieżki do górnej części wież (Rysunek 3B).
    3. Zastąp ścieżkę w obszarze opóźnionym bieżnią (Rysunek 3C).
      UWAGA: Bieżnię można zastąpić ścieżką o tej samej wysokości i długości.
    4. Przymocuj karmniki do każdej krawędzi labiryntu (Rysunek 3D).
    5. Przymocuj ruchome ściany do lewej i prawej gałęzi (Rysunek 3E).
      UWAGA: Upewnij się, że łapa i ogon zwierzęcia nie zostaną przytrzaśnięte w przerwach między sekcjami.
       
  2. zwierzęta
    1. Upewnij się, że masa ciała szczurów pozostaje między 300 a 350 g i przeprowadzaj wszystkie eksperymenty behawioralne w ciągu dnia.
  3. Wykonywanie zadań
    1. Uruchom i podłącz skrzynkę sterowniczą, mikrokontroler i komputer.
    2. Napisz program, aby skonfigurować harmonogram zadań i otrzymać parametry potrzebne do eksperymentu.
    3. Zapisz program do mikrokontrolera i wykonaj zadanie.
      UWAGA: Przykład ustawionego harmonogramu zadań napisanego w języku C przy użyciu płytki mikrokontrolera jest dostępny w publicznym repozytorium (https://github.com/TakahashiLab/ReconfigurableMazeExample).
  4. Eksperyment behawioralny
    1. Skonstruuj żądany kształt labiryntu (krok 2.1).
    2. Przenieś szczury z klatek domowych i umieść je w dowolnej pozycji labiryntu.
    3. Pozwól szczurom swobodnie eksplorować zbudowany labirynt przez 10 minut, aby się przyzwyczaiły.
    4. Skonfiguruj program do wykonywania zadania opóźnionej zmiany na bieżni23,24.
      UWAGA: Parametry wymagane do eksperymentu można uzyskać automatycznie za pomocą ustawień programu (np. liczba czasów szturchania, czas trwania eksperymentu, prędkość bieżni itp.).
    5. W razie potrzeby zmień kształt labiryntu.
    6. Umieść szczury w dowolnej pozycji w labiryncie i wykonaj trening lub test zadania opóźnionej przemiany.
      UWAGA: W niniejszym badaniu sesje treningowe były prowadzone ze stopniowo rosnącym czasem opóźnienia oraz sesje testowe (z czasem opóźnienia 5 s).
    7. Po każdym zadaniu zwróć szczury do klatki domowej.
    8. Dokładnie przetrzyj labirynt 70% etanolem po każdym szczurze i odczekaj co najmniej 5 minut przed ponownym użyciem labiryntu.
      UWAGA: Części ścieżki można odłączyć od wieży, aby można je było dokładnie wytrzeć z zapachów i brudu.

3. Wydajność behawioralna i analiza danych

  1. Trajektoria zwierzęcia
    1. Rejestruj zachowanie zwierząt podczas zadania opóźnionej zmiany za pomocą zamontowanej na suficie cyfrowej kamery wideo (patrz Tabela materiałów).
      UWAGA: Umieszczając kamerę na suficie, eksperymentator może stale rejestrować ruchy zwierząt, które biegają po labiryncie podczas wykonywania zadania.
    2. Śledź trajektorie biegu za pomocą oprogramowania do szacowania pozycji bez znaczników25 (patrz Tabela materiałów) na podstawie obrazów zarejestrowanych z prędkością 50 klatek/s.

Wyniki

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

Niektóre części rekonfigurowalnego labiryntu korzystały ze standardowych konstrukcji labiryntu opisanych w poprzednich badaniach3,4,7,26,27. W tym przypadku labirynty toru liniowego, w kształcie litery T, W i ósemki zostały ponownie skonfigurowane w tym samym środowisku fizycznym (Rysunek 4A-D). Aby zademonstrować, że rekonfigurowalny labirynt może płynnie wdrożyć pożądany test behawioralny poprzez stopniowe i szybkie skalowanie, protokół wykorzystany do uzyskania reprezentatywnych wyników obejmował cztery fazy treningu (Rysunek 5A).

W fazach I i II, nagrody były otrzymywane poprzez szturchanie Podajnika R po szturchnięciu Podajnika A. W fazach III i IV nagroda była otrzymywana poprzez szturchanie Podajnika R po szturchnięciu Podajnika A i B, w tej kolejności. W fazie IV szturchanie podajnika A powodowało obracanie bieżni, a dostęp do podajnika B można było uzyskać dopiero po 5 sekundach wymuszonego biegu. W fazie testowej (zadanie opóźnionej zmiany) procedura była podobna do tej z fazy IV, ale Karmnik R znajdował się w ramionach na obu krawędziach labiryntu w kształcie litery T, a szczury były nagradzane poprzez szturchanie karmnika w przeciwnej fazie niż w poprzedniej fazie. Szczury były w stanie poruszać się w odpowiedzi na długość i kształt wydłużającej się ścieżki oraz zmieniające się miejsca karmienia (Ryc. 5B). Wszystkie fazy przeprowadzono w 30 próbach, z których każde zdefiniowano jako przypadek osiągnięcia przez szczura Feeder R. Czas trwania zadania spędzony przez trzy szczury na ukończeniu 30 prób w każdej fazie jest pokazany w Rysunek 6A. Powtarzane pomiary ANOVA potwierdziły, że czas wykonania zadania przez szczury różnił się w zależności od fazy (F (4, 8) = 16,98, p < 0,05, Greenhouse-Geisser corrected28). Szczury były w stanie elastycznie przystosować się do zmian długości ścieżki i warunków nagrody. W fazie testowej, która została przeprowadzona następnego dnia, wszystkie szczury asymptotycznie zbliżyły się do wysokiego odsetka odpowiedzi poprawnego wyboru w ciągu 3 dni (Rysunek 6B).

Kilku eksperymentatorów zbudowało labirynty, aby potwierdzić, że takie stopniowe rozszerzanie labiryntu może być przeprowadzone szybko (Rysunek 6C). W tym artykule czas części towarzyszących (bieżnia, karmniki) został dodany do czasu morfingu ścieżki w poprzednim raporcie22, aby praktycznie zmierzyć czas budowy labiryntu. Korzystając z procedury zadania opóźnionej przemiany (Rysunek 5A), pięciu eksperymentatorów zmieniło kształt labiryntu z kształtu fazy II na kształt fazy testowej. Czas zbiegł się do 67,80 ± 3,03 s (średnia ± SE) w trzeciej próbie. W teście wzięli udział eksperymentatorzy, którzy korzystali z tego systemu labiryntów przez kilka lat i ci, którzy rzadko go używali.

figure-results-1
Rysunek 1: Elementy rekonfigurowalnego labiryntu. (A-E) Wieża z płytą bazową i odpowiednimi częściami dla szczurów. (F,G) Metoda mocowania płytki bazowej jest inna dla szczurów i myszy. Strzałki wskazują występy (białe) i (niebieskie). (H) Wejście/wyjście sygnału przez sterownik dla w pełni zautomatyzowanych zadań. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-2
Rysunek 2: Łączenie deski do dziurkowania z płytą podstawy. (A) Widok z boku na płytę podstawy, deskę do dziurkowania i zbliżenie na występ. (B) Widok z góry na płytę podstawy i deskę do dziurkowania oraz zbliżenie na otwory. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-3
Rysunek 3: Proces składania labiryntu w kształcie litery T dla zadania opóźnionej zmiany. (A-E) Zdjęcia rekonfigurowalnego labiryntu wykonane z góry. Obrazy przedstawiające proces montażu są ułożone w kolejności od lewej do prawej. Czerwone strzałki wskazują pozycje nowo zmontowanej bieżni (C), podajników (D) i ruchomych ścian (E). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-4
Rysunek 4: Kilka kształtów labiryntu w jednym środowisku. Obrazy rekonfigurowalnego labiryntu. (A-D) Rekonfigurowalny test labiryntu dla szczurów. Części ścieżki zostały ponownie skonfigurowane w kilka kształtów w jednym środowisku, z odniesieniem do lokalizacji części ścieżki ujętych w kolor czerwony w (A). (E-F) Rekonfigurowalny test labiryntu dla myszy. Labirynty te były umieszczane z karmnikami (czerwone strzałki) i ruchomymi ścianami (zielone strzałki) w dowolnym miejscu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-5
Rysunek 5: Rozszerzanie labiryntu i trajektorie szczura. (A) Kształt labiryntu zmienia się stopniowo podczas fazy treningu i testowania zadania opóźnionej zmiany. Rodzaj podajnika użytego w zadaniu jest oznaczony kolorowym polem. (B) Trajektorie przejazdu reprezentatywnego szczura. Każda trajektoria odpowiada fazie w (A). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-6
Rysunek 6: Wydajność eksperymentów labiryntowych. (A-B) Wydajność behawioralna przez 4 dni, od początku treningu do końca testu. (A) Czas wykonania zadania dla każdej fazy szkolenia i pierwszego dnia fazy testowej (n = 3). (B) Odsetek odpowiedzi poprawnego wyboru (średnia ± SE) w teście opóźnionej zmiany. Przerywane linie wskazują poziomy szansy. SE: błąd standardowy średniej. (C) Rekonfigurowalny czas montażu labiryntu. Tor liniowy został zmodyfikowany w labirynt w kształcie litery T (u góry). Modyfikacja obejmowała dodanie ścieżek (biały kwadrat), karmników (kwadrat) i bieżni (zielony kwadrat). Pięciu eksperymentatorów przeprowadziło po trzy próby (na dole). Przed testem użytkownik ekspert (Eksperymentator 1) przeprowadził jedną próbę jako przykład. Wszystkie badania przeprowadzono tego samego dnia. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Dyskusja

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

Rekonfigurowalny labirynt umożliwił nam wykonywanie różnorodnych zadań labiryntu w jednym środowisku. Równomiernie rozmieszczone otwory w podłodze i system nastawczy koordynowany przez wieże z płytami podstawy gwarantowały wysoki stopień powtarzalności i odtwarzalności. Ponadto konstrukcję można łatwo przymocować i odczepić, a pożądany kształt labiryntu można było natychmiast skonfigurować, działając jako wydajny, elastyczny i skalowalny system.

Rekonfigurowalny labirynt pozwolił zwierzętom szybko się uczyć. W konwencjonalnych środowiskach eksperymentalnych labiryntów rekonfiguracja długości i kształtu ścieżki może być trudna, a przeprowadzanie testów łączących wiele labiryntów jest czasochłonne. Jak wykazano w tym badaniu, rekonfigurowalny labirynt umożliwia rozszerzanie labiryntu krok po kroku, w którym szkolenie po modyfikacji złożonych testów behawioralnych jest przeprowadzane efektywnie w ciągu jednego dnia (Rysunek 6A,B). Co więcej, eksperymentator może łatwo dokonywać modyfikacji. W tym badaniu czas składania labiryntu mierzono w wielu próbach, a eksperymentatorzy konsekwentnie wykonywali rekonstrukcje w około 1 do 2 minut (ryc. 6A).

Główną zaletą tego systemu labiryntów jest to, że pozwala na precyzyjne dostrojenie kształtu labiryntu. Ponieważ podłoga jest wypełniona otworami w deskach do dziurkowania, możliwe jest przeprowadzanie eksperymentów z elastycznymi labiryntami, które byłyby trudne do osiągnięcia przy użyciu konwencjonalnych systemów labiryntów. W zadaniu opóźnionej przemiany wykonanym w tym badaniu, szczury zainicjowały opóźnienie i opuściły obszar opóźnienia poprzez szturchanie (ryc. 5A). Umieszczenie dwóch karmników w pobliżu, tak jak zrobiliśmy to tutaj, jest trudne w konwencjonalnym systemie labiryntu o stałej geometrii. Dodatkowo ten system labiryntów umożliwia modyfikacje z przeciwwagą; na przykład pozycję podajnika B można łatwo zmienić po przeciwnej stronie (Rysunek 5A). Ta zaleta pozwala również na replikację konfiguracji labiryntów w różnych laboratoriach. Do zadania opóźnionej przemiany używanych jest kilka labiryntów, w tym labirynt ósemkowy, labirynt Y i labirynt W 26,29,30. Strefa nagrody, obszar opóźnienia i metoda opóźnienia również różnią się w zależności od badania23,31. Dzięki rekonfigurowalnemu labiryntowi wszystkie te różne labirynty mogą być tworzone w jednym środowisku fizycznym i odtwarzane w różnych laboratoriach. Jeśli system ten stanie się powszechny, może to doprowadzić do standaryzacji zadań labiryntowych między laboratoriami.

Rekonfigurowalny labirynt obsługuje elektrofizjologiczne zapisy wielojednostkowe, które badają korelaty neuronalne wspierające nawigację przestrzenną22. W formacji hipokampa, która jest uważana za odgrywającą istotną rolę w nawigacji przestrzennej, odnotowano kilka typów komórek kodujących informacje przestrzenne, takie jak komórki, które uruchamiają się po przekroczeniu określonej pozycji32 lub gdy zbliżają się do granicy środowiska zewnętrznego33. Te typy komórek zmieniają swoją aktywność wypalania w oparciu o zmiany w odległych punktach orientacyjnych 16,17,18. System ten idealnie nadaje się do rejestrowania aktywności neuronalnej podczas eksperymentów z nawigacją przestrzenną, ponieważ rekonfigurowalny labirynt może zmieniać tylko kształt labiryntu przy zachowaniu tego samego środowiska. Rekonfigurowalny labirynt utrzymuje ścisłą kontrolę środowiska zewnętrznego, co jest specyfikacją istotną dla eksperymentów z aktywnością neuronalną.

Rekonfigurowalny labirynt zapewnia optymalne środowisko do eksperymentów z labiryntem, z pewnymi zastrzeżeniami. Po pierwsze, labirynt jest konstruowany poprzez dopasowywanie części do otworów w desce do wykrawania, dzięki czemu kąty nie mogą być elastycznie zmieniane. Okrągły labirynt (rysunek 4E) rozwiązuje ten problem do pewnego stopnia, ale istnieją ograniczenia w dodawaniu krzywych i kątów do ścieżki przy jednoczesnym zapewnieniu stabilności labiryntu. Ponadto niektóre klasyczne labirynty, takie jak labirynt wodny Morris34 i labirynt Barnesa35, oraz labirynty opracowane w ostatnich latach, takie jak labirynt o strukturze plastra miodu36,37, są trudne do zbudowania poprzez połączenie części rekonfigurowalnych labiryntów. Przyszłe wysiłki powinny koncentrować się na badaniu metodologii łączenia tych typów labiryntów z labiryntem rekonfigurowalnym w celu zwiększenia zdolności adaptacyjnych i objęcia większą liczbą eksperymentów poznawczych.

Oświadczenia

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

S.T. jest wynalazcą badanej japońskiej publikacji patentowej (nr P7137179, zgłaszający: Uniwersytet Doshisha) dotyczącej rekonfigurowalnego labiryntu. F.S., K.I., H.A. i Y.T. nie deklarują braku konfliktu interesów.

Podziękowania

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

Ta praca była wspierana przez Japońskie Towarzystwo Promocji Nauki, Kakenhi przyznaje S.T. 16H06543 i 21H05296.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Drukarka 3DStratasys Sp. z o.o.uPrint
Arduino Mega 2560 R3ElegooJP-EL-CB-002
KameraBasleracA640-750UC
Skrzynka sterowniczaO' Hara & Co., LTD. / Amuza Inc.Laboratorium FMM-IF
DeepLabCutMathis w Szwajcarskim Federalnym Instytucie Technologii w LozannieN/A
Jednostka zasilającaO' Hara & Co., LTD. / Amuza Inc.FM-PD
Free labirynt system dla myszyO' Hara & Co., LTD. / Amuza Inc.FM-M1
Darmowy system labiryntu dla szczurówO' Hara & Co., LTD. / Amuza Inc.FM-R1
Long-Evans RatShimizu Materiały laboratoryjne, Co. LTD. N/A
MATLAB MathWorksMatlab2020b
Ruchoma ściana dla myszyO' Hara & Co., LTD. / Amuza Inc.FMM-DM
Ruchoma ściana dla szczurówO' Hara & Co., LTD. / Amuza Inc.FMR-DM
Ścieżka i wieża dla myszyO' Hara & Co., LTD. / Amuza Inc.FMM-SS
Ścieżka i wieża dla szczurówO' Hara & Co., LTD. / Amuza Inc.FMR-SS
Dozownik pelletuO' Hara & Co., LTD. / Amuza Inc.PD-020D/PD-010D
Czujnik wiązki zdjęć dla szczurówO' Hara & Co., LTD. / Amuza Inc.FMR-PS
Deska do dziurkowania dla myszyO' Hara & Co., LTD. / Amuza Inc.FMM-ST
Deska do dziurkowania dla szczurówO' Hara & Co., LTD. / Amuza Inc.FMR-ST
Bieżnia dla szczurówO' Hara & Co., LTD. / Amuza Inc.FMR-TM

Bibliografia

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

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

zachowanie gryzonipowtarzalno labiryntufenotypy behawioralnezadanie z op nion alternacjkonfiguracja labiryntubezmarkerowa estymacja pozylabirynt w kszta cie litery Truchome cianki

Powiązane artykuły