Den nåværende protokollen beskriver en rekonfigurerbar labyrint, et unikt system for testing av romlig navigasjon og atferdsfenotyper hos gnagere. Tilpasningsevnen til dette labyrintsystemet muliggjør utførelse av ulike eksperimenter i et enkelt fysisk miljø. Den enkle strukturelle omleggingen genererer pålitelige og reproduserbare eksperimentelle resultater.
Flere labyrintformer brukes til å teste romlig navigasjonsytelse og atferdsfenotyper. Tradisjonelt krever hvert eksperiment en unik labyrintform, og krever dermed flere separate labyrinter i forskjellige konfigurasjoner. Labyrintgeometrien kan ikke konfigureres på nytt i ett enkelt miljø for å imøtekomme skalerbarhet og reproduserbarhet. Den rekonfigurerbare labyrinten er en unik tilnærming for å løse begrensningene, noe som muliggjør raske og fleksible konfigurasjoner av labyrintveier på en repeterbar måte. Den består av sammenlåsende veier og inkluderer matere, tredemøller, bevegelige vegger og avstengningssensorer. Den nåværende protokollen beskriver hvordan den rekonfigurerbare labyrinten kan gjenskape eksisterende labyrinter, inkludert de T-formede, plussformede, W-formede og figur-åtte labyrinter. I utgangspunktet ble den T-formede labyrinten konstruert inne i et enkelt eksperimentelt rom, etterfulgt av modifikasjoner. Den raske og skalerbare protokollen som er skissert her, demonstrerer fleksibiliteten til den omkonfigurerbare labyrinten, oppnådd gjennom tillegg av komponenter og atferdsopplæringsfaser på en trinnvis måte. Den rekonfigurerbare labyrinten vurderer systematisk og presist ytelsen til flere aspekter av romlig navigasjonsoppførsel.
Romlig navigasjon er en grunnleggende evne for et dyr til å identifisere en passende rute til et målrettet mål. Ulike kognitive prosesser, som beslutningstaking, læring og hukommelse, er nødvendig under navigering. Bruk av disse prosessene tillater erfaringslæring når man bestemmer den korteste veien til et mål. Mazetester brukes til å undersøke atferdsmessige og fysiologiske mekanismer for romlig navigasjon1. For eksempel vurderer den T-formede labyrinten2,3, plussformet labyrint4, radialarmlabyrint5,6 og figur-åtte labyrint7 romlig navigasjonsatferd, inkludert kognitive variabler som beslutningstaking8 og angst9.
Hver labyrintform har fordeler og ulemper, og krever mangefasetterte eksperimenter ved hjelp av flere labyrintoppgaver for å vurdere spesifikk læring og minne10,11. For eksempel er den spontane vekslingsoppgaven, der et dyr velger mellom venstre og høyre arm uten å kreve læring, en typisk romlig arbeidsminneoppgave som kan vurderes med de T-formede og Y-formede labyrinter12. De plussformede og radiale armlabyrinter, som bruker hoderetning og eksterne signaler, brukes til å bestemme målrettet navigasjonsevne13. Figur-åtte og modifiserte T-formede labyrinter, som skiller rutene ved valg og retur, brukes til å evaluere romlige arbeidsminneoppgaver ved å analysere navigasjonsfunksjonen etter bane14,15.
Det kan være utfordrende å opprettholde konsistens mellom labyrinter når du bruker flere labyrinter i ett eksperiment. Gnagere antas å bruke visuelle signaler for navigering16,17,18; Olfaktoriske19,20 og somatosensoriske21 modaliteter kan også brukes til romlig kognisjon og kan bidra til navigasjonsevne. Hvis en serie labyrinteksperimenter utføres ved hjelp av forskjellige rom, oppsett, dimensjoner og materialer, kan disse variablene påvirke navigasjonsstrategien til gnagere. Romlige navigasjonsstudier krever strengest mulig kontroll av disse variablene; Imidlertid kan det være kostbart å opprettholde et standardisert labyrintapparat for forskjellige former eller gjenoppbygge labyrinten for hvert eksperiment. Disse vanskelighetene hindrer en systematisk måte å gjennomføre en rekke eksperimenter innenfor samme laboratorium.
For å bekjempe konfigurerte begrensninger i tidligere etablerte labyrintstrukturer, beskrives et labyrintsystem som kan konfigureres i forskjellige former i et enkelt fysisk miljø22 her. Den “rekonfigurerbare labyrinten” kombinerer standardiserte deler, og gir et svært repeterbart, reproduserbart, fleksibelt og skalerbart testmiljø. Denne artikkelen beskriver muligheten for en omkonfigurerbar labyrint til å evaluere romlig navigasjon hos gnagere.
Den rekonfigurerbare labyrinten gjorde det mulig for oss å utføre en rekke labyrintoppgaver i et enkelt miljø. Like fordelte hull på gulvet og et forriglingssystem koordinert av tårn med baseplater garanterte en høy grad av repeterbarhet og reproduserbarhet. I tillegg kan strukturen enkelt festes og løsnes, og ønsket labyrintform kan konfigureres umiddelbart, og fungere som et effektivt, fleksibelt og skalerbart system.
Den omkonfigurerbare labyrinten tillot dyrene å lære raskt. I konvensjonelle labyrinteksperimentelle miljøer kan det være vanskelig å rekonfigurere lengden og formen på banen, og det er tidkrevende å gjennomføre tester som kombinerer flere labyrinter. Som demonstrert i denne studien, muliggjør den rekonfigurerbare labyrinten labyrintforlengelse på en trinnvis måte, der trening etter modifisering av komplekse atferdstester utføres effektivt på en enkelt dag (figur 6A, B). Videre er det enkelt for eksperimentøren å gjøre endringer. I denne studien ble labyrintmonteringstiden målt i flere forsøk, og eksperimentene fullførte konsekvent rekonstruksjonene på omtrent 1 til 2 minutter (figur 6A).
En stor fordel med dette labyrintsystemet er at det gjør det mulig å finjustere formen på labyrinten. Fordi gulvet er fylt med hull på stansebrettet, er det mulig å utføre fleksible labyrinteksperimenter som ville være vanskelig å oppnå med konvensjonelle labyrintsystemer. I den forsinkede vekslingsoppgaven som ble utført i denne studien, startet rottene forsinkelsen og forlot forsinkelsesområdet ved å stikke (figur 5A). Å plassere to matere i nærheten, som vi har gjort her, er vanskelig i et konvensjonelt labyrintsystem med fast geometri. I tillegg muliggjør dette labyrintsystemet motbalanserte modifikasjoner; for eksempel kan posisjonen til mater B enkelt byttes ut på motsatt side (figur 5A). Denne fordelen tillater også replikering av labyrintkonfigurasjoner på tvers av laboratorier. Flere labyrinter brukes til den forsinkede vekslingsoppgaven, inkludert figur-åtte-labyrinten, Y-labyrinten og W-labyrinten26,29,30. Belønningssonen, forsinkelsesområdet og forsinkelsesmetoden varierer også fra studie til studie23,31. Med den rekonfigurerbare labyrinten kan alle disse forskjellige labyrinter opprettes i et enkelt fysisk miljø og reproduseres i forskjellige laboratorier. Hvis dette systemet blir utbredt, kan det føre til standardisering av labyrintoppgaver mellom laboratorier.
Den rekonfigurerbare labyrinten støtter elektrofysiologiske multienhetsopptak, som undersøker nevrale korrelater som støtter romlig navigasjon22. I hippocampus-formasjon, som anses å spille en viktig rolle i romlig navigasjon, har flere typer celler blitt rapportert å kode romlig informasjon, for eksempel celler som skyter når de passerer en bestemt posisjon32 eller når de nærmer seg grensen til det ytre miljø33. Disse celletypene endrer sin avfyringsaktivitet basert på endringer i fjerne landemerker16,17,18. Dette systemet er ideelt for registrering av nevral aktivitet under romlige navigasjonseksperimenter fordi den rekonfigurerbare labyrinten bare kan endre formen på labyrinten samtidig som det samme miljøet opprettholdes. Den rekonfigurerbare labyrinten opprettholder streng ekstern miljøkontroll, en spesifikasjon som er relevant for eksperimentering med nevral aktivitet.
Den rekonfigurerbare labyrinten gir et optimalt miljø for labyrinteksperimenter, med noen forbehold. For det første konstrueres labyrinten ved å montere deler i hull i et stansebrett, slik at vinklene ikke kan endres fleksibelt. Den sirkulære labyrinten (figur 4E) overvinner dette problemet til en viss grad, men det er begrensninger for å legge kurver og vinkler til banen samtidig som man sikrer stabiliteten til labyrinten. I tillegg er noen klassiske labyrinter, som Morris vannlabyrint 34 og Barnes labyrint 35, og labyrinter utviklet de siste årene som honeycomb labyrinten36,37, vanskelig å konstruere ved å kombinere deler av de rekonfigurerbare labyrinter. Fremtidig innsats bør fokusere på å utforske metoder for å slå sammen disse labyrinttypene med den omkonfigurerbare labyrinten for å øke tilpasningsevnen og dekke mer kognitiv eksperimentering.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble støttet av det japanske samfunnet for fremme av vitenskap, Kakenhi gir 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 |