El presente protocolo describe un laberinto reconfigurable, un sistema único para probar la navegación espacial y los fenotipos de comportamiento en roedores. La adaptabilidad de este sistema de laberinto permite la ejecución de varios experimentos en un solo entorno físico. La facilidad de reordenamiento estructural genera resultados experimentales fiables y reproducibles.
Se utilizan varias formas de laberinto para probar el rendimiento de la navegación espacial y los fenotipos de comportamiento. Tradicionalmente, cada experimento requiere una forma de laberinto única, por lo que requiere varios laberintos separados en diferentes configuraciones. La geometría del laberinto no se puede reconfigurar en un único entorno para adaptarse a la escalabilidad y la reproducibilidad. El laberinto reconfigurable es un enfoque único para abordar las limitaciones, permitiendo configuraciones rápidas y flexibles de caminos de laberinto de una manera repetible. Consiste en caminos entrelazados e incluye alimentadores, cintas de correr, paredes móviles y sensores de cierre. El protocolo actual describe cómo el laberinto reconfigurable puede replicar los laberintos existentes, incluidos los laberintos en forma de T, en forma de más, en forma de W y en forma de ocho. Inicialmente, el laberinto en forma de T se construyó dentro de una sola sala experimental, seguida de modificaciones. El protocolo rápido y escalable descrito en este documento demuestra la flexibilidad del laberinto reconfigurable, logrado mediante la adición de componentes y fases de entrenamiento conductual de manera gradual. El laberinto reconfigurable evalúa de forma sistemática y precisa el rendimiento de múltiples aspectos del comportamiento de navegación espacial.
La navegación espacial es una habilidad fundamental de un animal para identificar una ruta adecuada hacia un objetivo específico. Varios procesos cognitivos, como la toma de decisiones, el aprendizaje y la memoria, son necesarios durante la navegación. La utilización de estos procesos permite el aprendizaje experiencial al determinar la ruta más corta hacia una meta. Las pruebas de laberinto se utilizan para investigar los mecanismos conductuales y fisiológicos de la navegación espacial1. Por ejemplo, el laberinto en forma de T 2,3, el laberinto en forma de más 4, el laberinto de brazo radial5,6 y el laberinto en forma de ocho 7 evalúan el comportamiento de navegación espacial, incluidas variables cognitivas como la toma de decisiones8 y la ansiedad9.
Cada forma de laberinto tiene ventajas y desventajas, requiriendo experimentos multifacéticos utilizando múltiples tareas de laberinto para evaluar el aprendizaje y la memoria específicos10,11. Por ejemplo, la tarea de alternancia espontánea, en la que un animal selecciona entre el brazo izquierdo y derecho sin necesidad de aprendizaje, es una tarea típica de memoria de trabajo espacial que puede evaluarse con los laberintos en forma de T y en forma de Y12. Los laberintos de brazos radiales y en forma de plus, que utilizan la dirección de la cabeza y señales externas, se utilizan para determinar la capacidad de navegación orientada a objetivos13. Los laberintos en forma de T modificados y en forma de ocho, que separan las rutas de selección y retorno, se utilizan para evaluar las tareas de memoria de trabajo espacial mediante el análisis de la función de navegación por trayectoria14,15.
Puede ser difícil mantener la consistencia entre los laberintos cuando se usan varios laberintos en un experimento. Se cree que los roedores utilizan señales visuales para la navegación16,17,18; Las modalidades olfativas19,20 y somatosensoriales 21 también se pueden utilizar para la cognición espacial y pueden contribuir a la capacidad de navegación. Si se realizan una serie de experimentos de laberinto utilizando diferentes espacios, diseños, dimensiones y materiales, estas variables pueden influir en la estrategia de navegación de los roedores. Los estudios de navegación espacial requieren el control más estricto posible de estas variables; Sin embargo, mantener un aparato de laberinto estandarizado para varias formas o reconstruir el laberinto para cada experimento puede ser costoso. Estas dificultades impiden una forma sistemática de llevar a cabo una serie de experimentos dentro del mismo laboratorio.
Para combatir las limitaciones configuradas en estructuras de laberinto previamente establecidas, aquí se describe un sistema de laberinto que se puede configurar en varias formas en un solo entorno físico22 . El “laberinto reconfigurable” combina piezas estandarizadas, proporcionando un entorno de prueba altamente repetible, reproducible, flexible y escalable. Este artículo describe la capacidad de un laberinto reconfigurable para evaluar la navegación espacial en roedores.
El laberinto reconfigurable nos permitió realizar una variedad de tareas de laberinto en un solo entorno. Los agujeros igualmente espaciados en el piso y un sistema de enclavamiento coordinado por torres con placas base garantizaron un alto grado de repetibilidad y reproducibilidad. Además, la estructura podría adjuntarse y separarse fácilmente, y la forma de laberinto deseada podría configurarse instantáneamente, funcionando como un sistema eficiente, flexible y escalable.
El laberinto reconfigurable permitió a los animales aprender rápidamente. En entornos experimentales de laberintos convencionales, puede ser difícil reconfigurar la longitud y la forma de la vía, y realizar pruebas que combinen múltiples laberintos lleva mucho tiempo. Como se demostró en este estudio, el laberinto reconfigurable permite la extensión del laberinto paso a paso, donde el entrenamiento posterior a la modificación de pruebas de comportamiento complejas se lleva a cabo de manera eficiente en un solo día (Figura 6A, B). Además, es fácil para el experimentador hacer modificaciones. En este estudio, el tiempo de ensamblaje del laberinto se midió en múltiples ensayos, y los experimentadores completaron consistentemente las reconstrucciones en aproximadamente 1 a 2 minutos (Figura 6A).
Una gran ventaja de este sistema de laberinto es que permite ajustar la forma del laberinto. Debido a que el piso está lleno de agujeros de perforación de tablas de perforación, es posible realizar experimentos de laberinto flexibles que serían difíciles de lograr con los sistemas de laberinto convencionales. En la tarea de alternancia retardada realizada en este estudio, las ratas iniciaron el retraso y salieron del área de retraso empujando (Figura 5A). Colocar dos alimentadores cerca, como hemos hecho aquí, es difícil en un sistema de laberinto convencional con una geometría fija. Además, este sistema de laberinto permite modificaciones contrapesadas; por ejemplo, la posición del alimentador B se puede reemplazar fácilmente en el lado opuesto (Figura 5A). Esta ventaja también permite la replicación de configuraciones de laberinto en todos los laboratorios. Se utilizan varios laberintos para la tarea de alternancia retardada, incluido el laberinto en forma de ocho, el laberinto Y y el laberinto W26,29,30. La zona de recompensa, el área de retraso y el método de retraso también difieren de un estudio a otro23,31. Con el laberinto reconfigurable, todos estos laberintos diferentes se pueden crear en un solo entorno físico y reproducirse en diferentes laboratorios. Si este sistema se generaliza, podría conducir a la estandarización de tareas de laberinto entre laboratorios.
El laberinto reconfigurable soporta grabaciones electrofisiológicas multiunidad, que examinan los correlatos neuronales que soportan la navegación espacial22. En la formación del hipocampo, que se considera que desempeña un papel esencial en la navegación espacial, se ha informado que varios tipos de células codifican información espacial, como las células que se disparan al pasar una posición específica32 o al acercarse al límite del entorno externo33. Estos tipos de células cambian su actividad de disparo en función de alteraciones en puntos de referencia distantes16,17,18. Este sistema es ideal para registrar la actividad neuronal durante los experimentos de navegación espacial porque el laberinto reconfigurable solo puede cambiar la forma del laberinto mientras mantiene el mismo entorno. El laberinto reconfigurable mantiene un estricto control del entorno externo, una especificación pertinente a la experimentación de la actividad neuronal.
El laberinto reconfigurable proporciona un entorno óptimo para experimentos de laberinto, con algunas advertencias. Primero, el laberinto se construye encajando piezas en agujeros en un tablero perforador, por lo que los ángulos no se pueden cambiar de manera flexible. El laberinto circular (Figura 4E) supera este problema hasta cierto punto, pero existen limitaciones para agregar curvas y ángulos al camino al tiempo que se garantiza la estabilidad del laberinto. Además, algunos laberintos clásicos, como el laberinto de aguaMorris 34 y el laberinto Barnes 35, y laberintos desarrollados en los últimos años como el laberinto de panal36,37, son difíciles de construir combinando partes de los laberintos reconfigurables. Los esfuerzos futuros deberían centrarse en explorar metodologías para fusionar estos tipos de laberintos con el laberinto reconfigurable para aumentar la adaptabilidad y cubrir más experimentación cognitiva.
The authors have nothing to disclose.
Este trabajo fue apoyado por la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia, Kakenhi otorga 16H06543 y 21H05296 a S.T.
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 |