Waiting
로그인 처리 중...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Behavior
Click here for the English version

Behavior

Brug af et rekonfigurerbart labyrintsystem til at forbedre reproducerbarheden af rumlige navigationstest hos gnavere

Published: December 2, 2022 doi: 10.3791/64754
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1
1Laboratory of Cognitive and Behavioral Neuroscience, Graduate School of Brain Science, Doshisha University

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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.

Protocol

Alle procedurer blev godkendt af Doshisha University Institutional Animal Care and Use Committees. Tre Long-Evans-hanrotter i alderen mellem 24 og 28 uger (ved starten af adfærdstræning) med kropsvægte på 300-350 g blev anvendt til denne undersøgelse. Rotterne blev opstaldet enkeltvis i hjemmebure (20 cm x 25 cm x 23 cm) på en 12 timers lys/12 timers mørk tidsplan, hvor lysperioden startede kl. 08:00. Dyrene blev hentet fra en kommerciel kilde (se materialetabel).

1. Maze systemkomponenter

BEMÆRK: Labyrintsystemet (inklusive alle komponenter, trin 1.1-1.5) (se materialetabel) skal monteres i et afskærmet rum dækket med kobbernet (4 m x 5 m for rotter og 1,8 m × 3,0 m for mus) til samtidig brug af elektrofysiologisk neural aktivitetsregistrering. Labyrinten skal hæves i en fast højde fra gulvet (55 cm for rotter og 34 cm for mus).

  1. Hulbræt
    1. Placer aluminiumsstansebrættet på skærmrummets gulv (dimensioner på stansebrættet: 360 cm x 480 cm x 1,2 cm til rotter; 160 cm x 160 cm x 1,2 cm til mus) (figur 1F, G).
      BEMÆRK: Eksperimentatoren kan stå på tavlen.
    2. Hulbrættet udstyres med et gitter med lige store huller (til både rotter og mus, 25 mm hulafstand og 6 mm huldiameter) (figur 2C).
      BEMÆRK: Disse huller muliggør placering af meget repeterbare labyrinter (figur 2D).
  2. Tårn med byggeplade
    1. Udvikle et tårn med en bundplade lavet af aluminium for at danne stier med en fast højde (dimensionerne på tårnets stammedel er 55 cm × 6 cm × 2 cm for rotter og 34 cm × 1,3 cm × 1,3 cm for mus) (figur 1A).
    2. Brug bundpladen til at fastgøre labyrintdelenes position (bundpladens dimensioner er 18 cm × 11 cm × 0,5 cm for rotter og 12 cm × 7 cm × 0,3 cm for mus).
    3. Udstyr bundpladen med fremspring for at forbinde et gitter med lige store huller i stansebrættet (fremspringets diameter er 6 mm) (figur 2B).
    4. Brug hullerne til at forbinde komponenter såsom fødere, bevægelige vægge og løbebånd (se materialetabel) udstyret med tårne med bundplader.
      BEMÆRK: For rotter havde bundpladen fire fremspring (længde på 8 mm) (figur 1F) indsat i hullerne i stansebrættet. For mus var bundpladen for let til at understøtte banen, så bolte blev indsat i hullerne (boltlængder var 14 mm) (figur 1G).
  3. Labyrint sti
    BEMÆRK: Den kommercielt tilgængelige vej (49 cm × 10 cm for rotter og 39 cm × 5 cm for mus) var lavet af polyvinylchlorid (tykkelse på 5 mm for rotter og 3 mm for mus) (se materialetabel).
    1. Konstruer den mindste del af labyrinten ved at placere stien i den øverste del af tårnet (figur 1B).
    2. Design den øverste del af tårnet, så den er i overensstemmelse med dimensionerne på undersiden af stien (dimensionerne på den øverste del af tårnet er 48 cm × 8 cm × 1 cm for rotter og 21,9 cm × 3,9 cm × 0,3 cm for mus). For at fastgøre stien til tårnet skal du placere den ovenpå.
    3. Sørg for sidebarrierer lavet af polyvinylchlorid for at forhindre dyr i at falde (45 mm for rotter og 30 mm for mus).
      BEMÆRK: Flere mønstre er tilgængelige til at forbinde stierne på forskellige måder, såsom dele med kun en sidebarriere fjernet. 3D-modeller af banedelene er tilgængelige (https://github.com/TakahashiLab/ReconfigurableMazeParts) og kan udskrives ved hjælp af en 3D-printer (se Materialetabel).
  4. Medfølgende dele
    BEMÆRK: De dele, der kræves til adfærdseksperimenter, kan implementeres ved at fastgøre en fælles bundplade med vejen.
    1. Placer fødeautomater på siden af en hvilken som helst vej for at ændre belønningsstedet (figur 1C).
      BEMÆRK: Dyr, der stikker foderautomaterne, registreres af afspærringssensorerne (se materialetabel).
    2. Placer bevægelige vægge i mellemrummene mellem stierne for at tvinge dyrene til at styre bevægelsesretningen (figur 1D).
      BEMÆRK: For rotter, når den bevægelige væg hæves, er væggens højde 90 cm fra gulvet og 29,5 cm fra stiens sidebarrierer. Når den bevægelige væg sænkes, er væggens højde 54 cm fra gulvet og -5,5 cm fra stiens sidebarrierer. For mus, når den bevægelige væg hæves, er væggens højde 55 cm fra gulvet og 17 cm fra stiens sidebarrierer. Når den bevægelige væg sænkes, er væggens højde 35 cm fra gulvet og -3 cm fra stiens sidebarrierer.
    3. Placer løbebånd med stier for at tvinge løbeforsinkelser på faste positioner (figur 1E).
  5. Kontrolboks
    BEMÆRK: Kontroller hver del automatisk via kontrolboksen (figur 1H) (se materialetabel).
    1. Brug en mikrocontroller til at modtage signaler fra løbebånd og fødere via kontrolboksen.
      BEMÆRK: Afspærringssensoren på føderen og antallet af løbebåndsrotationer kan registreres.
    2. Brug en mikrocontroller til at sende aktiveringssignaler til løbebånd, fødere og bevægelige vægaktuatorer i henhold til en fastlagt opgaveplan via kontrolboksen. Kontroller individuelt dispensering og kassering af pellets og hævning og sænkning af den bevægelige væg.

2. Evaluering af speciel navigation af gnavere i den rekonfigurerbare labyrint

BEMÆRK: Et dyreadfærdsforsøg blev udført ved hjælp af den rekonfigurerbare labyrint (udviklet i trin 1).

  1. Eksempel konstruktion af en labyrint
    BEMÆRK: Et eksempel på, hvordan man samler en T-formet labyrint til rotter, der anvendes i forsøget med forsinket vekselbehandling, findes i figur 3.
    1. Indsæt tårne med bundplader i hulbrættet for at danne en T-formet ramme (figur 3A).
    2. Fastgør stier til den øverste del af tårnene (figur 3B).
    3. Udskift stien i det forsinkede område med et løbebånd (figur 3C).
      BEMÆRK: Løbebåndet kan erstattes af en sti af samme højde og længde.
    4. Fastgør fødere til hver kant af labyrinten (figur 3D).
    5. Fastgør bevægelige vægge til venstre og højre gren (figur 3E).
      BEMÆRK: Sørg for, at dyrets pote og hale ikke bliver fanget i hullerne mellem sektionerne.
       
  2. Dyr
    1. Sørg for, at rotternes kropsvægt forbliver mellem 300 og 350 g, og udfør alle adfærdsmæssige eksperimenter om dagen.
  3. Udførelse af opgaver
    1. Start og tilslut kontrolboksen, mikrocontrolleren og pc'en.
    2. Skriv et program for at oprette opgaveplanen og modtage de parametre, der er nødvendige for eksperimentet.
    3. Skriv programmet til mikrocontrolleren og udfør en opgave.
      BEMÆRK: Eksemplet på en fast opgaveplan skrevet i C ved hjælp af et mikrocontrollerkort er tilgængeligt i et offentligt lager (https://github.com/TakahashiLab/ReconfigurableMazeExample).
  4. Adfærdsmæssigt eksperiment
    1. Konstruer den ønskede labyrintform (trin 2.1).
    2. Flyt rotterne fra hjemmeburene og læg dem i labyrintens vilkårlige position.
    3. Lad rotterne frit udforske den konstruerede labyrint i 10 minutter for at vænne sig.
    4. Opret et program til at udføre den forsinkede vekselopgave med løbebåndet23,24.
      BEMÆRK: De parametre, der kræves til eksperimentet, kan opnås automatisk ved hjælp af programindstillingerne (f.eks. Antal priktider, eksperimentets varighed, løbebåndshastighed osv.).
    5. Skift labyrintens form, hvis det er nødvendigt.
    6. Placer rotterne på den vilkårlige position i labyrinten og udfør træningen eller testen af den forsinkede vekslingsopgave.
      BEMÆRK: I dette studie blev træningssessioner udført med en gradvist stigende forsinkelsestid og testsessioner (med en forsinkelsestid på 5 sek.).
    7. Returner rotterne til hjemmeburet efter hver opgave.
    8. Tør labyrinten grundigt af med 70% ethanol efter hver rotte, og vent mindst 5 minutter, før du bruger labyrinten igen.
      BEMÆRK: Delene af stien kan løsnes fra tårnet, så de kan tørres grundigt af for lugt og snavs.

3. Adfærdsmæssig ydeevne og dataanalyse

  1. Dyr bane
    1. Optag dyrs adfærd under den forsinkede vekselopgave med et loftmonteret digitalt videokamera (se materialetabel).
      BEMÆRK: Ved at placere kameraet i loftet kan eksperimentatoren konstant optage dyrenes bevægelser, når de løber rundt i labyrinten under opgaven.
    2. Spor løbebanerne ved hjælp af markørfri positurestimeringssoftware25 (se materialetabel) baseret på billeder taget med 50 billeder / s.

Representative Results

Nogle dele af den rekonfigurerbare labyrint brugte standard labyrintkonstruktioner beskrevet i tidligere undersøgelser 3,4,7,26,27. Her blev det lineære spor, T-formede, W-formede og ottetalslabyrinter omkonfigureret i det samme fysiske miljø (figur 4A-D). For at demonstrere, at den rekonfigurerbare labyrint problemfrit kunne implementere den ønskede adfærdstest ved gradvis og hurtig skalering, omfattede protokollen, der blev brugt til repræsentative resultater, fire træningsfaser (figur 5A).

I fase I og II blev belønninger modtaget ved at stikke Feeder R efter at have stukket Feeder A. I fase III og IV blev belønningen modtaget ved at stikke Feeder R efter at have stukket feeders A og B i den rækkefølge. I fase IV udløste stikket af Feeder A løbebåndets rotation, og Feeder B kunne kun nås efter 5 s tvangskørsel. I testfasen (forsinket vekselopgave) lignede proceduren fase IV, men feeder R var i armene i hver kant af den T-formede labyrint, og rotter blev belønnet ved at stikke den modsatte feeder fra den foregående fase. Rotter var i stand til at bevæge sig som reaktion på længden og formen af forlængelsesvejen og skiftende fødesteder (figur 5B). Alle faser blev udført i 30 forsøg, hvor hvert forsøg blev defineret som et tilfælde af, at rotten nåede Feeder R. Opgavevarigheden brugt af de tre rotter, der gennemførte 30 forsøg i hver fase, er vist i figur 6A. Gentagne foranstaltninger ANOVA bekræftede, at opgavens færdiggørelsestid for rotter varierede mellem faser (F (4, 8) = 16,98, p < 0,05, Greenhouse-Geisser korrigeret28). Rotterne var i stand til fleksibelt at tilpasse sig ændringer i stilængde og belønningsforhold. I testfasen, som blev udført den følgende dag, nærmede alle rotter sig asymptotisk de høje procentdele af korrekte valgresponser inden for 3 dage (figur 6B).

Flere eksperimenter konstruerede labyrinterne for at bekræfte, at en sådan trinvis labyrintudvidelse kunne udføres hurtigt (figur 6C). I denne artikel blev tiden for de ledsagende dele (løbebånd, fødefodere) tilføjet til stiens morphing-tid i den foregående rapport22 for praktisk at måle labyrintkonstruktionstiden. Ved hjælp af proceduren for den forsinkede vekselopgave (figur 5A) ændrede fem eksperimenter labyrinten fra fase II-formen til testfaseformen. Tiden konvergerede til 67,80 ± 3,03 s (gennemsnit ± SE) i det tredje forsøg. Testen omfattede eksperimenter, der havde brugt dette labyrintsystem i flere år, og dem, der sjældent havde brugt det.

Figure 1
Figur 1: Elementer i den rekonfigurerbare labyrint. (A-E) Tårn med bundplade og tilsvarende dele til rotter. (F,G) Fastgørelsesmetoden for bundpladen er forskellig for rotter og mus. Pile angiver fremspring (hvid) og bolte (blå). (H) Signalindgang/-udgang via controlleren til fuldautomatiske opgaver. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 2
Figur 2: Tilslutning af hulpladen med bundpladen. (A) Set fra siden af bundpladen, hulbrættet og et nærbillede af et fremspring. (B) Set ovenfra af bundpladen og hulbrættet samt et nærbillede af hullerne. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 3
Figur 3: Proces med T-formet labyrintsamling til den forsinkede vekslingsopgave. (A-E) Billeder af den rekonfigurerbare labyrint taget ovenfra. Billederne af samleprocessen er i rækkefølge fra venstre mod højre. De røde pile angiver positionerne for det nymonterede løbebånd (C), fødefoder (D) og bevægelige vægge (E). Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 4
Figur 4: Flere labyrintformer i et enkelt miljø. Billeder af den rekonfigurerbare labyrint. (A-D) Rekonfigurerbar labyrinttest til rotter. Gangdelene blev omkonfigureret til flere former i et enkelt miljø med henvisning til placeringen af de gangdele, der er indesluttet i rødt i (A). (E-F) Rekonfigurerbar labyrinttest til mus. Disse labyrinter blev placeret med fødefoder (røde pile) og bevægelige vægge (grønne pile) hvor som helst. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 5
Figur 5: Labyrintudvidelse og en rottes bane . (A) Labyrintens form ændres gradvist i løbet af tog- og testfaserne af den forsinkede vekselopgave. Den type feeder, der bruges i opgaven, er angivet med en farvet boks. (B) Løbebaner for en repræsentativ rotte. Hvert forløb svarer til fasen i (A). Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 6
Figur 6: Udførelse af labyrintforsøg. (A-B) Den adfærdsmæssige præstation i 4 dage, fra starten af træningen til slutningen af testen. A) Opgavens fuldførelsestid for hver uddannelsesfase og den første dag i prøvningsfasen (n = 3). (B) Procentdelen af korrekte valgsvar (gennemsnit ± SE) i den forsinkede alternativtest. Stiplede linjer angiver chanceniveauer. SE: standardfejl i middelværdien. (C) Rekonfigurerbar samlingstid for labyrint. Det lineære spor blev ændret til en T-formet labyrint (øverst). Modifikationen omfattede tilføjelse af stier (hvid firkant), fødefoder (sort firkant) og en løbebånd (grøn firkant). Fem eksperimenter udførte tre forsøg hver (nederst). Før testen udførte ekspertbrugeren (eksperiment 1) et forsøg som et eksempel. Alle forsøg blev udført samme dag. Klik her for at se en større version af denne figur.

Discussion

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.

Disclosures

S.T. er opfinder af en undersøgt japansk patentansøgningspublikation (nr. P7137179, ansøger: Doshisha University) vedrørende den rekonfigurerbare labyrint. F.S., K.I., H.A. og Y.T. erklærer ingen interessekonflikter.

Acknowledgments

Dette arbejde blev støttet af det japanske samfund til fremme af videnskab, Kakenhi-tilskud 16H06543 og 21H05296 til ST.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

Adfærd udgave 190
Brug af et rekonfigurerbart labyrintsystem til at forbedre reproducerbarheden af rumlige navigationstest hos gnavere
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Sawatani, F., Tamatsu, Y., Ide, K.,… More

Sawatani, F., Tamatsu, Y., Ide, K., Azechi, H., Takahashi, S. Utilizing a Reconfigurable Maze System to Enhance the Reproducibility of Spatial Navigation Tests in Rodents. J. Vis. Exp. (190), e64754, doi:10.3791/64754 (2022).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter