استخدام نظام متاهة قابل لإعادة التكوين لتعزيز قابلية استنساخ اختبارات الملاحة المكانية في القوارض
Summary
يصف البروتوكول الحالي متاهة قابلة لإعادة التشكيل ، وهو نظام فريد لاختبار الملاحة المكانية والأنماط الظاهرية السلوكية في القوارض. تتيح القدرة على التكيف لنظام المتاهة هذا تنفيذ تجارب مختلفة في بيئة مادية واحدة. سهولة إعادة الترتيب الهيكلي تولد نتائج تجريبية موثوقة وقابلة للتكرار.
Abstract
تستخدم العديد من أشكال المتاهة لاختبار أداء الملاحة المكانية والأنماط الظاهرية السلوكية. تقليديا ، تتطلب كل تجربة شكل متاهة فريد ، وبالتالي تتطلب عدة متاهات منفصلة في تكوينات مختلفة. لا يمكن إعادة تكوين هندسة المتاهة في بيئة واحدة لاستيعاب قابلية التوسع وقابلية التكاثر. المتاهة القابلة لإعادة التكوين هي نهج فريد لمعالجة القيود ، مما يسمح بتكوينات سريعة ومرنة لمسارات المتاهة بطريقة قابلة للتكرار. يتكون من مسارات متشابكة ويتضمن مغذيات وأجهزة مشي وجدران متحركة وأجهزة استشعار للإغلاق. يصف البروتوكول الحالي كيف يمكن للمتاهة القابلة لإعادة التكوين تكرار المتاهات الموجودة ، بما في ذلك متاهات الشكل T والشكل الزائد والشكل W والشكل الثامن. في البداية ، تم بناء المتاهة على شكل حرف T داخل غرفة تجريبية واحدة ، تليها تعديلات. يوضح البروتوكول السريع والقابل للتطوير الموضح هنا مرونة المتاهة القابلة لإعادة التشكيل ، والتي تتحقق من خلال إضافة المكونات ومراحل التدريب السلوكي بطريقة تدريجية. تقوم المتاهة القابلة لإعادة التكوين بشكل منهجي ودقيق بتقييم أداء جوانب متعددة من سلوك الملاحة المكانية.
Introduction
الملاحة المكانية هي قدرة أساسية للحيوان على تحديد طريق مناسب لهدف مستهدف. هناك حاجة إلى عمليات معرفية مختلفة ، مثل صنع القرار والتعلم والذاكرة ، أثناء التنقل. يسمح استخدام هذه العمليات بالتعلم التجريبي عند تحديد أقصر طريق لتحقيق الهدف. تستخدم اختبارات المتاهة للتحقيق في الآليات السلوكية والفسيولوجية للملاحة المكانية1. على سبيل المثال ، المتاهة على شكل حرف T 2,3 ، المتاهةعلى شكل زائد4 ، متاهة الذراع الشعاعية 5,6 ، ومتاهة الشكلالثامن 7 تقيم سلوك الملاحة المكانية ، بما في ذلك المتغيرات المعرفية مثل اتخاذ القرار 8 والقلق9.
كل شكل متاهة له مزايا وعيوب ، يتطلب تجارب متعددة الأوجه باستخدام مهام متاهة متعددة لتقييم التعلم والذاكرةالمحددة 10,11. على سبيل المثال ، مهمة التناوب التلقائي ، التي يختار فيها الحيوان بين الذراع الأيسر والأيمن دون الحاجة إلى التعلم ، هي مهمة ذاكرة عاملة مكانية نموذجية يمكن تقييمها باستخدام متاهات على شكل حرف T و Y12. تستخدم متاهات الذراع ذات الشكل الزائد والشعاعي ، والتي تستخدم اتجاه الرأس والإشارات الخارجية ، لتحديد قدرة الملاحة الموجهة نحو الهدف13. يتم استخدام الشكل الثامن والمتاهات المعدلة على شكل حرف T ، والتي تفصل بين المسارات عند الاختيار والعودة ، لتقييم مهام الذاكرة العاملة المكانية من خلال تحليل وظيفة الملاحة حسب المسار14,15.
قد يكون من الصعب الحفاظ على الاتساق بين المتاهات عند استخدام عدة متاهات في تجربة واحدة. يعتقد أن القوارض تستخدم الإشارات المرئية للملاحة16،17،18 ؛ يمكن أيضا استخدام طرائق حاسة الشم19،20 والحسية الجسدية21 للإدراك المكاني وقد تساهم في قدرة الملاحة. إذا تم إجراء سلسلة من تجارب المتاهة باستخدام مساحات وتخطيطات وأبعاد ومواد مختلفة ، فقد تؤثر هذه المتغيرات على استراتيجية التنقل للقوارض. تتطلب دراسات الملاحة المكانية رقابة صارمة ممكنة على هذه المتغيرات. ومع ذلك ، فإن الحفاظ على جهاز متاهة موحد لمختلف الأشكال أو إعادة بناء المتاهة لكل تجربة قد يكون مكلفا. هذه الصعوبات تمنع طريقة منهجية لإجراء سلسلة من التجارب داخل نفس المختبر.
لمكافحة القيود التي تم تكوينها في هياكل المتاهة المنشأة مسبقا ، يتم وصف نظام المتاهة الذي يمكن تكوينه بأشكال مختلفة في بيئة مادية واحدة22 هنا. تجمع “المتاهة القابلة لإعادة التكوين” بين الأجزاء القياسية ، مما يوفر بيئة اختبار قابلة للتكرار والتكرار ومرنة وقابلة للتطوير. توضح هذه المقالة قدرة متاهة قابلة لإعادة التكوين لتقييم التنقل المكاني في القوارض.
Protocol
Representative Results
Discussion
مكنتنا المتاهة القابلة لإعادة التكوين من إجراء مجموعة متنوعة من مهام المتاهة في بيئة واحدة. تضمن الثقوب المتباعدة بالتساوي على الأرض ونظام متشابك يتم تنسيقه بواسطة أبراج ذات ألواح أساسية درجة عالية من التكرار والتكاثر. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن ربط الهيكل وفصله بسهولة ، ويمكن تكوين شكل المتاهة المطلوب على الفور ، والعمل كنظام فعال ومرن وقابل للتطوير.
سمحت المتاهة القابلة لإعادة التكوين للحيوانات بالتعلم بسرعة. في البيئات التجريبية التقليدية للمتاهة ، قد يكون من الصعب إعادة تكوين طول وشكل المسار ، وإجراء الاختبارات التي تجمع بين متاهات متعددة يستغرق وقتا طويلا. كما هو موضح في هذه الدراسة ، فإن المتاهة القابلة لإعادة التكوين تمكن من تمديد المتاهة بطريقة خطوة بخطوة ، حيث يتم إجراء التدريب بعد التعديل للاختبارات السلوكية المعقدة بكفاءة في يوم واحد (الشكل 6 أ ، ب). علاوة على ذلك ، من السهل على المجرب إجراء تعديلات. في هذه الدراسة ، تم قياس وقت تجميع المتاهة في تجارب متعددة ، وأكمل المجربون باستمرار عمليات إعادة البناء في حوالي 1 إلى 2 دقيقة (الشكل 6 أ).
الميزة الرئيسية لنظام المتاهة هذا هي أنه يسمح بضبط شكل المتاهة. نظرا لأن الأرضية مليئة بثقوب ألواح التثقيب ، فمن الممكن إجراء تجارب متاهة مرنة يصعب تحقيقها باستخدام أنظمة المتاهة التقليدية. في مهمة التناوب المتأخر التي تم إجراؤها في هذه الدراسة ، بدأت الفئران التأخير وخرجت من منطقة التأخير عن طريق الوخز (الشكل 5 أ). من الصعب وضع مغذيين في مكان قريب ، كما فعلنا هنا ، في نظام متاهة تقليدي بهندسة ثابتة. بالإضافة إلى ذلك ، يتيح نظام المتاهة هذا تعديلات متوازنة. على سبيل المثال ، يمكن بسهولة استبدال موضع وحدة التغذية B على الجانب الآخر (الشكل 5A). تسمح هذه الميزة أيضا بتكرار تكوينات المتاهة عبر المختبرات. يتم استخدام العديد من المتاهات لمهمة التناوب المتأخرة ، بما في ذلك متاهة الشكل الثامن ، ومتاهة Y ، ومتاهة W26،29،30. تختلف منطقة المكافأة ومنطقة التأخير وطريقة التأخير أيضا من دراسة إلى أخرى 23,31. مع المتاهة القابلة لإعادة التكوين ، يمكن إنشاء كل هذه المتاهات المختلفة في بيئة مادية واحدة وإعادة إنتاجها في مختبرات مختلفة. إذا أصبح هذا النظام واسع الانتشار ، فقد يؤدي ذلك إلى توحيد مهام المتاهة بين المختبرات.
تدعم المتاهة القابلة لإعادة التكوين التسجيلات الكهربية متعددة الوحدات ، والتي تفحص الارتباطات العصبية التي تدعم الملاحة المكانية22. في تكوين الحصين ، الذي يعتبر يلعب دورا أساسيا في الملاحة المكانية ، تم الإبلاغ عن عدة أنواع من الخلايا لتشفير المعلومات المكانية ، مثل الخلايا التي تطلق النار عند اجتياز موضع معين32 أو عند الاقتراب من حدود البيئة الخارجية33. تغير أنواع الخلايا هذه نشاط إطلاقها بناء على التغييرات في المعالم البعيدة16،17،18. هذا النظام مثالي لتسجيل النشاط العصبي أثناء تجارب الملاحة المكانية لأن المتاهة القابلة لإعادة التكوين يمكنها فقط تغيير شكل المتاهة مع الحفاظ على نفس البيئة. تحافظ المتاهة القابلة لإعادة التكوين على تحكم صارم في البيئة الخارجية ، وهي مواصفات ذات صلة بتجربة النشاط العصبي.
توفر المتاهة القابلة لإعادة التكوين بيئة مثالية لتجارب المتاهة ، مع بعض المحاذير. أولا ، يتم إنشاء المتاهة عن طريق تركيب أجزاء في ثقوب في لوح التثقيب ، لذلك لا يمكن تغيير الزوايا بمرونة. تتغلب المتاهة الدائرية (الشكل 4E) على هذه المشكلة إلى حد ما ، ولكن هناك قيود على إضافة منحنيات وزوايا إلى المسار مع ضمان استقرار المتاهة. بالإضافة إلى ذلك ، يصعب بناء بعض المتاهات الكلاسيكية ، مثل متاهة موريس المائية34 ومتاهة بارنز 35 ، والمتاهات التي تم تطويرها في السنوات الأخيرة مثل متاهة قرص العسل36,37 ، من خلال الجمع بين أجزاء من المتاهات القابلة لإعادة التشكيل. يجب أن تركز الجهود المستقبلية على استكشاف منهجيات لدمج أنواع المتاهات هذه مع المتاهة القابلة لإعادة التشكيل لزيادة القدرة على التكيف وتغطية المزيد من التجارب المعرفية.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا العمل من قبل الجمعية اليابانية لتعزيز العلوم ، ومنح Kakenhi 16H06543 و 21H05296 إلى S.T.
Materials
| 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 |
References
- Olton, D. S. Mazes, maps, and memory. American Psychologist. 34 (7), 583-596 (1979).
- Small, W. S. Experimental Study of the Mental Processes of the Rat. The American Journal of Psychology. 12 (2), 206-239 (1901).
- 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).
- 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).
- 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).
- Olton, D. S. The radial arm maze as a tool in behavioral pharmacology. Physiology & Behavior. 40 (6), 793-797 (1987).
- Baeg, E. H., et al. Dynamics of population code for working memory in the prefrontal cortex. Neuron. 40 (1), 177-188 (2003).
- Redish, A. D. Vicarious trial and error. Nature Reviews Neuroscience. 17 (3), 147-159 (2016).
- 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).
- Levin, E. D. Learning about cognition risk with the radial-arm maze in the developmental neurotoxicology battery. Neurotoxicology and Teratology. 52, 88-92 (2015).
- 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).
- 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).
- Gill, P. R., Mizumori, S. J. Y., Smith, D. M. Hippocampal episode fields develop with learning. Hippocampus. 21 (11), 1240-1249 (2011).
- Takahashi, S. Hierarchical organization of context in the hippocampal episodic code. eLife. 2, 00321 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Carvell, G. E., Simons, D. J. Biometric analyses of vibrissal tactile discrimination in the rat. The Journal of Neuroscience. 10 (8), 2638-2648 (1990).
- Hoshino, S., et al. The reconfigurable maze provides flexible, scalable, reproducible, and repeatable tests. iScience. 23 (1), 100787 (2019).
- Salz, D. M., et al. Time cells in hippocampal area CA3. The Journal of Neuroscience. 36 (28), 7476-7484 (2016).
- Kraus, B. J., et al. During running in place, grid cells integrate elapsed time and distance run. Neuron. 88 (3), 578-589 (2015).
- Mathis, A., et al. DeepLabCut: markerless pose estimation of user-defined body parts with deep learning. Nature Neuroscience. 21 (9), 1281-1289 (2018).
- Frank, L. M., Brown, E. N., Wilson, M. Trajectory encoding in the hippocampus and entorhinal cortex. Neuron. 27 (1), 169 (2000).
- 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).
- Greenhouse, S. W., Geisser, S. On methods in the analysis of profile data. Psychometrika. 24 (2), 95-112 (1959).
- 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).
- 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).
- Pastalkova, E., Itskov, V., Amarasingham, A., Buzsáki, G. Internally generated cell assembly sequences in the rat hippocampus. Science. 321 (5894), 1322-1327 (2008).
- 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).
- 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).
- Morris, R. Developments of a water-maze procedure for studying spatial learning in the rat. Journal of Neuroscience Methods. 11 (1), 47-60 (1984).
- 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).
- Ormond, J., O’Keefe, J. Hippocampal place cells have goal-oriented vector fields during navigation. Nature. 607 (7920), 741-746 (2022).
- Wood, R. A., et al. The honeycomb maze provides a novel test to study hippocampal-dependent spatial navigation. Nature. 554 (7690), 102-105 (2018).
