Le présent protocole décrit un labyrinthe reconfigurable, un système unique pour tester la navigation spatiale et les phénotypes comportementaux chez les rongeurs. L’adaptabilité de ce système de labyrinthe permet l’exécution de diverses expériences dans un seul environnement physique. La facilité du réarrangement structurel génère des résultats expérimentaux fiables et reproductibles.
Plusieurs formes de labyrinthe sont utilisées pour tester les performances de navigation spatiale et les phénotypes comportementaux. Traditionnellement, chaque expérience nécessite une forme de labyrinthe unique, nécessitant ainsi plusieurs labyrinthes distincts dans différentes configurations. La géométrie du labyrinthe ne peut pas être reconfigurée dans un environnement unique pour prendre en charge l’évolutivité et la reproductibilité. Le labyrinthe reconfigurable est une approche unique pour répondre aux limitations, permettant des configurations rapides et flexibles des chemins de labyrinthe de manière reproductible. Il se compose de chemins de verrouillage et comprend des mangeoires, des tapis roulants, des parois mobiles et des capteurs d’arrêt. Le protocole actuel décrit comment le labyrinthe reconfigurable peut reproduire les labyrinthes existants, y compris les labyrinthes en forme de T, en forme de plus, en forme de W et en huit. Initialement, le labyrinthe en forme de T a été construit à l’intérieur d’une seule salle expérimentale, suivie de modifications. Le protocole rapide et évolutif décrit ici démontre la flexibilité du labyrinthe reconfigurable, obtenue grâce à l’ajout de composants et de phases d’entraînement comportemental de manière progressive. Le labyrinthe reconfigurable évalue systématiquement et précisément les performances de multiples aspects du comportement de navigation spatiale.
La navigation spatiale est une capacité fondamentale d’un animal à identifier un itinéraire approprié vers un objectif ciblé. Divers processus cognitifs, tels que la prise de décision, l’apprentissage et la mémoire, sont nécessaires pendant la navigation. L’utilisation de ces processus permet un apprentissage par l’expérience lors de la détermination du chemin le plus court vers un objectif. Les tests de labyrinthe sont utilisés pour étudier les mécanismes comportementaux et physiologiques de la navigation spatiale1. Par exemple, le labyrinthe en forme de T2,3, le labyrinthe en forme de plus4, le labyrinthe de bras radial5,6 et lelabyrinthe en forme de huit 7 évaluent le comportement de navigation spatiale, y compris les variables cognitives telles que la prise de décision8 et l’anxiété9.
Chaque forme de labyrinthe présente des avantages et des inconvénients, nécessitant des expériences à multiples facettes utilisant plusieurs tâches de labyrinthe pour évaluer l’apprentissage et la mémoirespécifiques 10,11. Par exemple, la tâche d’alternance spontanée, dans laquelle un animal choisit entre le bras gauche et le bras droit sans nécessiter d’apprentissage, est une tâche typique de mémoire de travail spatiale qui peut être évaluée avec les labyrinthes en forme de T et de Y12. Les labyrinthes de bras en forme de plus et radiaux, qui utilisent la direction de la tête et des repères externes, sont utilisés pour déterminer la capacité de navigation axée sur les objectifs13. Les labyrinthes en forme de T en forme de huit et modifiés, qui séparent les itinéraires lors de la sélection et du retour, sont utilisés pour évaluer les tâches de mémoire de travail spatiale en analysant la fonction de navigation par trajectoire14,15.
Il peut être difficile de maintenir la cohérence entre les labyrinthes lors de l’utilisation de plusieurs labyrinthes dans une expérience. On pense que les rongeurs utilisent des repères visuels pour la navigation16,17,18; Les modalités olfactives19,20 et somatosensorielles 21 peuvent également être utilisées pour la cognition spatiale et peuvent contribuer à la capacité de navigation. Si une série d’expériences de labyrinthe est menée en utilisant différents espaces, dispositions, dimensions et matériaux, ces variables peuvent influencer la stratégie de navigation des rongeurs. Les études de navigation spatiale exigent le contrôle le plus strict possible de ces variables; Cependant, le maintien d’un appareil de labyrinthe standardisé pour différentes formes ou la reconstruction du labyrinthe pour chaque expérience peut être coûteux. Ces difficultés empêchent une manière systématique de mener une série d’expériences au sein d’un même laboratoire.
Pour lutter contre les limitations configurées dans les structures de labyrinthe précédemment établies, un système de labyrinthe qui peut être configuré sous différentes formes dans un seul environnement physique22 est décrit ici. Le « labyrinthe reconfigurable » combine des pièces standardisées, offrant un environnement de test hautement reproductible, reproductible, flexible et évolutif. Cet article décrit la capacité d’un labyrinthe reconfigurable à évaluer la navigation spatiale chez les rongeurs.
Le labyrinthe reconfigurable nous a permis d’effectuer une variété de tâches de labyrinthe dans un seul environnement. Des trous également espacés sur le sol et un système de verrouillage coordonné par des tours avec des plaques de base garantissaient un haut degré de répétabilité et de reproductibilité. En outre, la structure pouvait être facilement fixée et détachée, et la forme de labyrinthe souhaitée pouvait être configurée instantanément, fonctionnant comme un système efficace, flexible et évolutif.
Le labyrinthe reconfigurable a permis aux animaux d’apprendre rapidement. Dans les environnements expérimentaux de labyrinthe conventionnels, il peut être difficile de reconfigurer la longueur et la forme du chemin, et la réalisation de tests combinant plusieurs labyrinthes prend beaucoup de temps. Comme démontré dans cette étude, le labyrinthe reconfigurable permet l’extension du labyrinthe étape par étape, où la formation post-modification de tests comportementaux complexes est effectuée efficacement en une seule journée (Figure 6A,B). De plus, il est facile pour l’expérimentateur d’apporter des modifications. Dans cette étude, le temps d’assemblage du labyrinthe a été mesuré dans plusieurs essais, et les expérimentateurs ont systématiquement terminé les reconstructions en environ 1 à 2 minutes (Figure 6A).
Un avantage majeur de ce système de labyrinthe est qu’il permet d’affiner la forme du labyrinthe. Parce que le sol est rempli de trous de planche de perforation, il est possible d’effectuer des expériences de labyrinthe flexibles qui seraient difficiles à réaliser avec des systèmes de labyrinthe conventionnels. Dans la tâche d’alternance retardée effectuée dans cette étude, les rats ont amorcé le retard et sont sortis de la zone de retard en piquant (figure 5A). Placer deux mangeoires à proximité, comme nous l’avons fait ici, est difficile dans un système de labyrinthe conventionnel à géométrie fixe. De plus, ce système de labyrinthe permet des modifications contrebalancées; par exemple, la position du chargeur B peut facilement être remplacée du côté opposé (figure 5A). Cet avantage permet également de reproduire les configurations de labyrinthe entre les laboratoires. Plusieurs labyrinthes sont utilisés pour la tâche d’alternance retardée, y compris le labyrinthe en huit, le labyrinthe Y et le labyrinthe W26,29,30. La zone de récompense, la zone de retard et la méthode de retard diffèrent également d’une étude à l’autre23,31. Avec le labyrinthe reconfigurable, tous ces différents labyrinthes peuvent être créés dans un seul environnement physique et reproduits dans différents laboratoires. Si ce système se généralise, il pourrait conduire à la standardisation des tâches de labyrinthe entre les laboratoires.
Le labyrinthe reconfigurable prend en charge les enregistrements électrophysiologiques multi-unités, qui examinent les corrélats neuronaux qui soutiennent la navigation spatiale22. Dans la formation hippocampique, qui est considérée comme jouant un rôle essentiel dans la navigation spatiale, plusieurs types de cellules ont été signalés pour coder l’information spatiale, telles que les cellules qui se déclenchent lors du passage d’une position spécifique32 ou à l’approche de la limite de l’environnement extérieur33. Ces types de cellules modifient leur activité de tir en fonction des altérations dans des repères éloignés16,17,18. Ce système est idéal pour enregistrer l’activité neuronale pendant les expériences de navigation spatiale, car le labyrinthe reconfigurable ne peut changer que la forme du labyrinthe tout en conservant le même environnement. Le labyrinthe reconfigurable maintient un contrôle strict de l’environnement externe, une spécification pertinente pour l’expérimentation de l’activité neuronale.
Le labyrinthe reconfigurable fournit un environnement optimal pour les expériences de labyrinthe, avec quelques mises en garde. Tout d’abord, le labyrinthe est construit en insérant des pièces dans des trous dans une planche de poinçonnage, de sorte que les angles ne peuvent pas être modifiés de manière flexible. Le labyrinthe circulaire (Figure 4E) résout ce problème dans une certaine mesure, mais il y a des limites à ajouter des courbes et des angles au sentier tout en assurant la stabilité du labyrinthe. En outre, certains labyrinthes classiques, tels que le labyrinthe aquatiqueMorris 34 et le labyrintheBarnes 35, et les labyrinthes développés ces dernières années tels que le labyrinthe en nid d’abeille36,37, sont difficiles à construire en combinant des parties des labyrinthes reconfigurables. Les efforts futurs devraient se concentrer sur l’exploration de méthodologies pour fusionner ces types de labyrinthe avec le labyrinthe reconfigurable afin d’accroître l’adaptabilité et de couvrir davantage d’expérimentation cognitive.
The authors have nothing to disclose.
Ce travail a été soutenu par la Société japonaise pour la promotion de la science, Kakenhi subventions 16H06543 et 21H05296 à 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 |