Mevcut protokol, kemirgenlerde mekansal navigasyon ve davranışsal fenotipleri test etmek için benzersiz bir sistem olan yeniden yapılandırılabilir bir labirenti tanımlamaktadır. Bu labirent sisteminin uyarlanabilirliği, çeşitli deneylerin tek bir fiziksel ortamda yürütülmesini sağlar. Yapısal yeniden düzenlemenin kolaylığı, güvenilir ve tekrarlanabilir deneysel sonuçlar üretir.
Uzamsal navigasyon performansını ve davranışsal fenotipleri test etmek için çeşitli labirent şekilleri kullanılır. Geleneksel olarak, her deney benzersiz bir labirent şekli gerektirir, bu nedenle farklı konfigürasyonlarda birkaç ayrı labirent gerektirir. Labirent geometrisi, ölçeklenebilirlik ve yeniden üretilebilirliğe uyum sağlamak için tek bir ortamda yeniden yapılandırılamaz. Yeniden yapılandırılabilir labirent, sınırlamaları ele almak için benzersiz bir yaklaşımdır ve labirent yollarının tekrarlanabilir bir şekilde hızlı ve esnek bir şekilde yapılandırılmasını sağlar. Birbirine kenetlenen yollardan oluşur ve besleyiciler, koşu bantları, hareketli duvarlar ve kapatma sensörleri içerir. Mevcut protokol, yeniden yapılandırılabilir labirentin T şeklinde, artı şekilli, W şeklinde ve sekiz rakamlı labirentler de dahil olmak üzere mevcut labirentleri nasıl çoğaltabileceğini açıklar. Başlangıçta, T şeklindeki labirent tek bir deney odasının içine inşa edildi, ardından modifikasyonlar yapıldı. Burada özetlenen hızlı ve ölçeklenebilir protokol, bileşenlerin ve davranışsal eğitim aşamalarının kademeli olarak eklenmesiyle elde edilen yeniden yapılandırılabilir labirentin esnekliğini göstermektedir. Yeniden yapılandırılabilir labirent, mekansal navigasyon davranışının birçok yönünün performansını sistematik ve hassas bir şekilde değerlendirir.
Mekansal navigasyon, bir hayvanın hedeflenen bir hedefe uygun bir rota belirleme konusundaki temel yeteneğidir. Navigasyon sırasında karar verme, öğrenme ve hafıza gibi çeşitli bilişsel süreçlere ihtiyaç vardır. Bu süreçleri kullanmak, bir hedefe giden en kısa yolu belirlerken deneyimsel öğrenmeye izin verir. Labirent testleri, mekansal navigasyonun davranışsal ve fizyolojik mekanizmalarını araştırmak için kullanılır1. Örneğin, T şeklindeki labirent2,3, artı şekilli labirent4, radyal kol labirenti5,6 ve sekiz numaralı labirent7, karar verme8 ve anksiyete9 gibi bilişsel değişkenler de dahil olmak üzere mekansal navigasyon davranışını değerlendirir.
Her labirent şeklinin avantajları ve dezavantajları vardır, bu da belirli öğrenme ve hafızayı değerlendirmek için birden fazla labirent görevi kullanan çok yönlü deneyler gerektirir10,11. Örneğin, bir hayvanın öğrenmeye ihtiyaç duymadan sol ve sağ kol arasında seçim yaptığı kendiliğinden değişim görevi, T şeklindeki ve Y şeklindeki labirentlerle değerlendirilebilen tipik bir mekansal çalışma belleği görevidir12. Kafa yönünü ve dış ipuçlarını kullanan artı şekilli ve radyal kol labirentleri, hedefe yönelik navigasyon yeteneğini belirlemek için kullanılır13. Seçim ve geri dönüşteki rotaları ayıran sekiz rakamlı ve modifiye edilmiş T şeklindeki labirentler, navigasyon fonksiyonunuyörünge 14,15 ile analiz ederek mekansal çalışma belleği görevlerini değerlendirmek için kullanılır.
Bir deneyde birkaç labirent kullanırken labirentler arasında tutarlılığı korumak zor olabilir. Kemirgenlerin navigasyon için görsel ipuçları kullandıkları düşünülmektedir16,17,18; kokualma 19,20 ve somatosensoriyel21 modaliteleri mekansal biliş için de kullanılabilir ve navigasyon yeteneğine katkıda bulunabilir. Farklı alanlar, düzenler, boyutlar ve malzemeler kullanılarak bir dizi labirent deneyi yapılırsa, bu değişkenler kemirgenlerin navigasyon stratejisini etkileyebilir. Mekansal navigasyon çalışmaları, bu değişkenlerin mümkün olan en sıkı kontrolünü gerektirir; Bununla birlikte, çeşitli şekiller için standartlaştırılmış bir labirent aparatını korumak veya her deney için labirenti yeniden inşa etmek maliyetli olabilir. Bu zorluklar, aynı laboratuvarda bir dizi deneyin sistematik bir şekilde yürütülmesini engellemektedir.
Daha önce kurulmuş labirent yapılarında yapılandırılmış sınırlamalarla mücadele etmek için, tek bir fiziksel ortamda çeşitli şekillerde yapılandırılabilen bir labirent sistemi22 burada açıklanmaktadır. “Yeniden yapılandırılabilir labirent”, standartlaştırılmış parçaları birleştirerek yüksek oranda tekrarlanabilir, tekrarlanabilir, esnek ve ölçeklenebilir bir test ortamı sağlar. Bu makalede, yeniden yapılandırılabilir bir labirentin kemirgenlerde mekansal navigasyonu değerlendirme yeteneği açıklanmaktadır.
Yeniden yapılandırılabilir labirent, tek bir ortamda çeşitli labirent görevlerini yürütmemizi sağladı. Zeminde eşit aralıklı delikler ve taban plakalı kuleler tarafından koordine edilen birbirine kenetlenen bir sistem, yüksek derecede tekrarlanabilirlik ve tekrarlanabilirlik garantisi verdi. Ek olarak, yapı kolayca takılıp çıkarılabilir ve istenen labirent şekli anında yapılandırılabilir, verimli, esnek ve ölçeklenebilir bir sistem olarak işlev görebilir.
Yeniden yapılandırılabilir labirent, hayvanların hızlı bir şekilde öğrenmesini sağladı. Geleneksel labirent deney ortamlarında, yolun uzunluğunu ve şeklini yeniden yapılandırmak zor olabilir ve birden fazla labirenti birleştiren testler yapmak zaman alıcıdır. Bu çalışmada gösterildiği gibi, yeniden yapılandırılabilir labirent, karmaşık davranış testlerinin modifikasyonu sonrası eğitimin tek bir günde verimli bir şekilde gerçekleştirildiği adım adım bir şekilde labirent genişlemesini sağlar (Şekil 6A, B). Ayrıca, deneycinin değişiklik yapması kolaydır. Bu çalışmada, labirent montaj süresi birden fazla denemede ölçüldü ve deneyciler rekonstrüksiyonları yaklaşık 1 ila 2 dakika içinde tutarlı bir şekilde tamamladılar (Şekil 6A).
Bu labirent sisteminin en büyük avantajı, labirentin şekline ince ayar yapılmasına izin vermesidir. Zemin delme tahtası delikleriyle dolu olduğundan, geleneksel labirent sistemleriyle elde edilmesi zor olacak esnek labirent deneyleri yapmak mümkündür. Bu çalışmada yapılan gecikmeli alternasyon görevinde sıçanlar gecikmeyi başlatmış ve dürterek gecikme alanından çıkmışlardır (Şekil 5A). Burada yaptığımız gibi, yakınlara iki besleyici yerleştirmek, sabit geometrili geleneksel bir labirent sisteminde zordur. Ek olarak, bu labirent sistemi dengesiz modifikasyonlara olanak tanır; örneğin, Besleyici B’nin konumu karşı tarafta kolayca değiştirilebilir (Şekil 5A). Bu avantaj, labirent yapılandırmalarının laboratuvarlar arasında çoğaltılmasına da olanak tanır. Gecikmiş değişim görevi için, sekiz rakamlı labirent, Y labirenti ve W labirenti 26,29,30 dahil olmak üzere birkaç labirent kullanılır. Ödül bölgesi, gecikme alanı ve gecikme yöntemi de çalışmadan çalışmaya23,31 farklılık gösterir. Yeniden yapılandırılabilir labirent ile, tüm bu farklı labirentler tek bir fiziksel ortamda oluşturulabilir ve farklı laboratuvarlarda çoğaltılabilir. Bu sistem yaygınlaşırsa, laboratuvarlar arasındaki labirent görevlerinin standardizasyonuna yol açabilir.
Yeniden yapılandırılabilir labirent, uzamsal navigasyonu destekleyen nöral korelasyonları inceleyen elektrofizyolojik çok birimli kayıtları destekler22. Mekansal navigasyonda önemli bir rol oynadığı düşünülen hipokampal formasyonda, belirli bir pozisyonu geçerken ateşlenen hücreler gibi mekansal bilgiyi kodlayan çeşitli hücre tiplerinin32 veya dış çevrenin sınırına yaklaşırken33 olduğu bildirilmiştir. Bu hücre tipleri, uzak yerlerdeki değişikliklere dayanarak ateşleme aktivitelerini değiştirir16,17,18. Bu sistem, uzamsal navigasyon deneyleri sırasında sinirsel aktiviteyi kaydetmek için idealdir, çünkü yeniden yapılandırılabilir labirent, aynı ortamı korurken yalnızca labirentin şeklini değiştirebilir. Yeniden yapılandırılabilir labirent, sinirsel aktivite deneyleriyle ilgili bir spesifikasyon olan sıkı dış ortam kontrolünü korur.
Yeniden yapılandırılabilir labirent, bazı uyarılarla birlikte labirent deneyleri için en uygun ortamı sağlar. İlk olarak, labirent, parçaların bir delme tahtasındaki deliklere yerleştirilmesiyle inşa edilir, böylece açılar esnek bir şekilde değiştirilemez. Dairesel labirent (Şekil 4E) bu sorunun bir dereceye kadar üstesinden gelir, ancak labirentin stabilitesini sağlarken yola eğriler ve açılar eklemek için sınırlamalar vardır. Buna ek olarak, Morris su labirenti34 ve Barnes labirenti 35 gibi bazı klasik labirentler ve petek labirenti36,37 gibi son yıllarda geliştirilen labirentlerin, yeniden yapılandırılabilir labirentlerin parçalarını birleştirerek inşa edilmesi zordur. Gelecekteki çabalar, uyarlanabilirliği artırmak ve daha bilişsel deneyleri kapsayacak şekilde bu labirent türlerini yeniden yapılandırılabilir labirentle birleştirmek için metodolojileri keşfetmeye odaklanmalıdır.
The authors have nothing to disclose.
Bu çalışma Japon Bilimi Geliştirme Derneği tarafından desteklendi, Kakenhi S.T.’ye 16H06543 ve 21H05296 verdi.
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 |