Denne protokol beskriver en rekonfigurerbar labyrint, et unikt system til test af rumlig navigation og adfærdsmæssige fænotyper hos gnavere. Tilpasningsevnen af dette labyrintsystem muliggør udførelse af forskellige eksperimenter i et enkelt fysisk miljø. Den lette strukturelle omlejring genererer pålidelige og reproducerbare eksperimentelle resultater.
Flere labyrintformer bruges til at teste rumlig navigationsydelse og adfærdsmæssige fænotyper. Traditionelt kræver hvert eksperiment en unik labyrintform, hvilket kræver flere separate labyrinter i forskellige konfigurationer. Labyrintgeometrien kan ikke omkonfigureres i et enkelt miljø for at imødekomme skalerbarhed og reproducerbarhed. Den rekonfigurerbare labyrint er en unik tilgang til at løse begrænsningerne og muliggør hurtige og fleksible konfigurationer af labyrintstier på en gentagelig måde. Den består af sammenlåsende stier og inkluderer fødere, løbebånd, bevægelige vægge og lukkesensorer. Den aktuelle protokol beskriver, hvordan den rekonfigurerbare labyrint kan replikere eksisterende labyrinter, herunder de T-formede, plusformede, W-formede og ottetalslabyrinter. Oprindeligt blev den T-formede labyrint konstrueret inde i et enkelt eksperimentelt rum efterfulgt af ændringer. Den hurtige og skalerbare protokol, der er skitseret heri, demonstrerer fleksibiliteten i den rekonfigurerbare labyrint, opnået ved at tilføje komponenter og adfærdstræningsfaser på en trinvis måde. Den rekonfigurerbare labyrint vurderer systematisk og præcist ydeevnen af flere aspekter af rumlig navigationsadfærd.
Rumlig navigation er et dyrs grundlæggende evne til at identificere en passende rute til et målrettet mål. Forskellige kognitive processer, såsom beslutningstagning, læring og hukommelse, er nødvendige under navigation. Brug af disse processer tillader erfaringsmæssig læring, når man bestemmer den korteste vej til et mål. Maze test bruges til at undersøge adfærdsmæssige og fysiologiske mekanismer i rumlig navigation1. For eksempel vurderer den T-formede labyrint2,3, plusformet labyrint4, radial armlabyrint5,6 og ottetal-labyrint7 rumlig navigationsadfærd, herunder kognitive variabler som beslutningstagning8 og angst9.
Hver labyrintform har fordele og ulemper, hvilket kræver mangesidede eksperimenter ved hjælp af flere labyrintopgaver til at vurdere specifik læring og hukommelse10,11. For eksempel er den spontane vekslende opgave, hvor et dyr vælger mellem venstre og højre arm uden at kræve læring, en typisk rumlig arbejdshukommelsesopgave, der kan vurderes med de T-formede og Y-formede labyrinter12. De plusformede og radiale armlabyrinter, der bruger hovedretning og eksterne signaler, bruges til at bestemme målrettet navigationsevne13. De ottetalsformede og modificerede T-formede labyrinter, der adskiller ruterne ved valg og retur, bruges til at evaluere rumlige arbejdshukommelsesopgaver ved at analysere navigationsfunktionen ved bane14,15.
Det kan være udfordrende at opretholde konsistens mellem labyrinter, når du bruger flere labyrinter i et eksperiment. Gnavere menes at bruge visuelle signaler til navigation16,17,18; Olfaktoriske19,20 og somatosensoriske21 modaliteter kan også bruges til rumlig kognition og kan bidrage til navigationsevne. Hvis en række labyrinteksperimenter udføres ved hjælp af forskellige rum, layouter, dimensioner og materialer, kan disse variabler påvirke gnavernes navigationsstrategi. Rumlige navigationsundersøgelser kræver den strengest mulige kontrol af disse variabler; Det kan dog være dyrt at vedligeholde et standardiseret labyrintapparat til forskellige former eller genopbygge labyrinten til hvert eksperiment. Disse vanskeligheder forhindrer en systematisk måde at gennemføre en række eksperimenter på inden for samme laboratorium.
For at bekæmpe konfigurerede begrænsninger i tidligere etablerede labyrintstrukturer beskrives her et labyrintsystem, der kan konfigureres i forskellige former i et enkelt fysisk miljø22 . Den “rekonfigurerbare labyrint” kombinerer standardiserede dele, hvilket giver et meget gentageligt, reproducerbart, fleksibelt og skalerbart testmiljø. Denne artikel beskriver evnen hos en rekonfigurerbar labyrint til at evaluere rumlig navigation hos gnavere.
Den rekonfigurerbare labyrint gjorde det muligt for os at udføre en række labyrintopgaver i et enkelt miljø. Lige store huller på gulvet og et sammenlåsningssystem koordineret af tårne med bundplader garanterede en høj grad af repeterbarhed og reproducerbarhed. Derudover kunne strukturen let fastgøres og løsnes, og den ønskede labyrintform kunne konfigureres øjeblikkeligt og fungere som et effektivt, fleksibelt og skalerbart system.
Den rekonfigurerbare labyrint gjorde det muligt for dyrene at lære hurtigt. I konventionelle labyrinteksperimentelle miljøer kan det være svært at omkonfigurere længden og formen af stien, og det er tidskrævende at udføre tests, der kombinerer flere labyrinter. Som demonstreret i denne undersøgelse muliggør den rekonfigurerbare labyrint labyrintudvidelse trin for trin, hvor træning efter ændring af komplekse adfærdstests udføres effektivt på en enkelt dag (figur 6A, B). Desuden er det let for eksperimentatoren at foretage ændringer. I denne undersøgelse blev labyrintens samlingstid målt i flere forsøg, og eksperimenterne gennemførte konsekvent rekonstruktionerne på cirka 1 til 2 minutter (figur 6A).
En stor fordel ved dette labyrintsystem er, at det giver mulighed for at finjustere labyrintens form. Fordi gulvet er fyldt med hulhuller på stansebrættet, er det muligt at udføre fleksible labyrinteksperimenter, der ville være vanskelige at opnå med konventionelle labyrintsystemer. I den forsinkede vekselopgave, der blev udført i denne undersøgelse, indledte rotterne forsinkelsen og forlod forsinkelsesområdet ved at stikke (figur 5A). At placere to fødere i nærheden, som vi har gjort her, er vanskeligt i et konventionelt labyrintsystem med en fast geometri. Derudover muliggør dette labyrintsystem modvægtede ændringer; for eksempel kan placeringen af feeder B let udskiftes på den modsatte side (figur 5A). Denne fordel giver også mulighed for replikering af labyrintkonfigurationer på tværs af laboratorier. Flere labyrinter bruges til den forsinkede vekslingsopgave, herunder ottetalslabyrinten, Y-labyrinten og W-labyrinten26,29,30. Belønningszonen, forsinkelsesområdet og forsinkelsesmetoden adskiller sig også fra undersøgelse til undersøgelse23,31. Med den rekonfigurerbare labyrint kan alle disse forskellige labyrinter oprettes i et enkelt fysisk miljø og gengives i forskellige laboratorier. Hvis dette system bliver udbredt, kan det føre til standardisering af labyrintopgaver mellem laboratorier.
Den rekonfigurerbare labyrint understøtter elektrofysiologiske multiunit-optagelser, som undersøger de neurale korrelater, der understøtter rumlig navigation22. I hippocampus dannelse, som anses for at spille en væsentlig rolle i rumlig navigation, er flere typer celler blevet rapporteret at kode rumlig information, såsom celler, der affyres, når de passerer en bestemt position32 eller når man nærmer sig grænsen for det ydre miljø33. Disse celletyper ændrer deres affyringsaktivitet baseret på ændringer i fjerne landemærker16,17,18. Dette system er ideelt til registrering af neural aktivitet under rumlige navigationseksperimenter, fordi den rekonfigurerbare labyrint kun kan ændre labyrintens form, samtidig med at det samme miljø opretholdes. Den rekonfigurerbare labyrint opretholder streng ekstern miljøkontrol, en specifikation, der er relevant for eksperimentering med neural aktivitet.
Den rekonfigurerbare labyrint giver et optimalt miljø for labyrinteksperimenter med nogle forbehold. For det første konstrueres labyrinten ved at montere dele i huller i et hulbræt, så vinklerne ikke kan ændres fleksibelt. Den cirkulære labyrint (figur 4E) overvinder dette problem til en vis grad, men der er begrænsninger for at tilføje kurver og vinkler til stien, samtidig med at labyrintens stabilitet sikres. Derudover er nogle klassiske labyrinter, såsom Morris vandlabyrint 34 og Barnes labyrint 35, og labyrinter udviklet i de senere år, såsom honeycomb labyrint36,37, vanskelige at konstruere ved at kombinere dele af de rekonfigurerbare labyrinter. Fremtidige bestræbelser bør fokusere på at udforske metoder til at fusionere disse labyrinttyper med den rekonfigurerbare labyrint for at øge tilpasningsevnen og dække mere kognitive eksperimenter.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev støttet af det japanske samfund til fremme af videnskab, Kakenhi-tilskud 16H06543 og 21H05296 til ST.
3D printer | Stratasys Ltd. | uPrint | |
Arduino Mega 2560 R3 | Elegoo | JP-EL-CB-002 | |
Camera | Basler | acA640-750uc | |
Control box | O’Hara & Co., LTD. / Amuza Inc. | FMM-IF | |
DeepLabCut | Mathis laboratory at Swiss Federal Institute of Technology in Lausanne | N/A | |
Feeder unit | O’Hara & Co., LTD. / Amuza Inc. | FM-PD | |
Free maze system for mice | O’Hara & Co., LTD. / Amuza Inc. | FM-M1 | |
Free maze system for rats | O’Hara & Co., LTD. / Amuza Inc. | FM-R1 | |
Long-Evans Rat | Shimizu Laboratory Supplies, Co. LTD. | N/A | |
MATLAB | MathWorks | Matlab2020b | |
Movable wall for mice | O’Hara & Co., LTD. / Amuza Inc. | FMM-DM | |
Movable wall for rats | O’Hara & Co., LTD. / Amuza Inc. | FMR-DM | |
Pathway and tower for mice | O’Hara & Co., LTD. / Amuza Inc. | FMM-SS | |
Pathway and tower for rats | O’Hara & Co., LTD. / Amuza Inc. | FMR-SS | |
Pellet dispenser | O’Hara & Co., LTD. / Amuza Inc. | PD-020D/PD-010D | |
Photo beam sensors unit for rats | O’Hara & Co., LTD. / Amuza Inc. | FMR-PS | |
Punching board for mice | O’Hara & Co., LTD. / Amuza Inc. | FMM-ST | |
Punching board for rats | O’Hara & Co., LTD. / Amuza Inc. | FMR-ST | |
Treadmill for rats | O’Hara & Co., LTD. / Amuza Inc. | FMR-TM |