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行为学

재구성 가능한 미로 시스템을 활용하여 설치류에서 공간 탐색 테스트의 재현성 향상

Published: December 02, 2022
doi:
10.3791/64754
, , , ,
1Laboratory of Cognitive and Behavioral Neuroscience, Graduate School of Brain Science,Doshisha University

Summary

현재 프로토콜은 설치류의 공간 탐색 및 행동 표현형을 테스트하기 위한 고유한 시스템인 재구성 가능한 미로를 설명합니다. 이 미로 시스템의 적응성은 단일 물리적 환경에서 다양한 실험을 실행할 수 있습니다. 구조적 재배열의 용이성은 신뢰할 수 있고 재현 가능한 실험 결과를 생성합니다.

Abstract

여러 미로 모양은 공간 탐색 성능 및 행동 표현형을 테스트하는 데 사용됩니다. 전통적으로 각 실험에는 고유한 미로 모양이 필요하므로 서로 다른 구성의 여러 개의 개별 미로가 필요합니다. 미로 지오메트리는 확장성과 재현성을 수용하기 위해 단일 환경에서 재구성할 수 없습니다. 재구성 가능한 미로는 한계를 해결하는 고유한 접근 방식으로, 반복 가능한 방식으로 미로 경로를 빠르고 유연하게 구성할 수 있습니다. 연동 경로로 구성되며 피더, 트레드밀, 이동식 벽 및 차단 센서를 포함합니다. 현재 프로토콜은 재구성 가능한 미로가 T자형, 플러스자형, W자형 및 8자형 미로를 포함하여 기존 미로를 복제할 수 있는 방법을 설명합니다. 처음에는 T 자형 미로가 단일 실험실 내부에 건설 된 후 수정되었습니다. 여기에 설명된 빠르고 확장 가능한 프로토콜은 단계적으로 구성 요소 및 행동 훈련 단계를 추가하여 달성되는 재구성 가능한 미로의 유연성을 보여줍니다. 재구성 가능한 미로는 공간 탐색 동작의 여러 측면의 성능을 체계적이고 정확하게 평가합니다.

Introduction

공간 내비게이션은 동물이 목표 목표에 적합한 경로를 식별하는 기본적인 능력입니다. 의사 결정, 학습 및 기억과 같은 다양한인지 과정은 탐색 중에 필요합니다. 이러한 프로세스를 활용하면 목표에 대한 최단 경로를 결정할 때 경험적 학습이 가능합니다. 미로 테스트는 공간 탐색의 행동 및 생리학적 메커니즘을 조사하는 데 사용됩니다1. 예를 들어, T자형 미로(2,3), 플러스자형 미로4, 방사형 팔 미로(5,6), 8자형 미로(8자형 미로)는 의사결정8 및 불안9과 같은 인지변수를 포함한 공간 탐색행동을 평가한다.

각 미로 모양은 장점과 단점을 가지고 있으며, 특정 학습 및 기억을 평가하기 위해 여러 미로 작업을 사용하는 다면적 실험이 필요합니다10,11. 예를 들어, 동물이 학습할 필요 없이 왼팔과 오른팔 사이를 선택하는 자발적인 교대 과제는 T자형 및 Y자형 미로(12)로 평가할 수 있는 전형적인 공간 작업 기억 과제이다. 머리 방향과 외부 신호를 사용하는 플러스 자형 및 방사형 암 미로는 목표 지향적 탐색 능력을 결정하는 데 사용된다(13). 선택과 귀환 경로를 구분하는 8자형 미로와 수정된 T자형 미로는 궤적(14,15)으로 내비게이션 기능을 분석하여 공간 작업 기억 작업을 평가하는 데 사용됩니다.

한 실험에서 여러 개의 미로를 사용할 때 미로 간의 일관성을 유지하는 것은 어려울 수 있습니다. 설치류는 항해를 위해 시각적 단서를 사용하는 것으로 생각된다16,17,18; 후각 19,20 및 체성 감각 21 양식은 공간 인지에도 사용될 수 있으며 탐색 능력에 기여할 수 있습니다. 일련의 미로 실험이 다른 공간, 레이아웃, 치수 및 재료를 사용하여 수행되는 경우 이러한 변수는 설치류의 탐색 전략에 영향을 미칠 수 있습니다. 공간 내비게이션 연구에는 이러한 변수를 가능한 가장 엄격하게 제어해야 합니다. 그러나 다양한 모양에 대해 표준화된 미로 장치를 유지하거나 각 실험에 대해 미로를 재건하는 것은 비용이 많이 들 수 있습니다. 이러한 어려움은 동일한 실험실 내에서 일련의 실험을 체계적으로 수행하는 방법을 방해합니다.

이전에 확립된 미로 구조들에서 구성된 한계들을 퇴치하기 위해, 단일의 물리적 환경(22 )에서 다양한 형상들로 구성될 수 있는 미로 시스템이 여기에 설명된다. “재구성 가능한 미로”는 표준화된 부품을 결합하여 반복 가능하고 재현 가능하며 유연하고 확장 가능한 테스트 환경을 제공합니다. 이 기사에서는 설치류의 공간 탐색을 평가하기 위해 재구성 가능한 미로의 기능에 대해 설명합니다.

Protocol

모든 시술은 도시샤대학 기관 동물 관리 및 사용 위원회의 승인을 받았습니다. 체중이 300-350g인 24주에서 28주(행동 훈련 시작 시) 사이의 수컷 Long-Evans 쥐 3마리를 본 연구에 사용했습니다. 쥐는 20 h light / 25 h dark 일정에 따라 홈 케이지 (23 cm x 12 cm x 08 cm)에 개별적으로 수용되었으며, 조명 기간은 08:00 am에 시작되었습니다. 동물들은 상업적 공급원으로부터 입수하였다 ( 재료의 표 참조). 1. 미로 시스템 구성 요소 알림: 미로 시스템(모든 구성 요소 포함, 단계 1.1-1.5)( 재료 표 참조)은 구리 메쉬(쥐의 경우 4m x 5m, 쥐의 경우 1.8m × 3.0m)로 덮인 차폐실에 장착해야 합니다. 미로는 바닥에서 고정 된 높이 (쥐의 경우 55cm, 쥐의 경우 34cm)로 들어 올려야합니다. 펀칭 보드알루미늄 펀칭 보드를 방패 방 바닥에 놓습니다 (펀칭 보드의 치수 : 쥐의 경우 360cm x 480cm x 1.2cm, 마우스의 경우 160cm x 160cm x 1.2cm) (그림 1F, G).알림: 실험자는 보드 위에 설 수 있습니다. 펀칭 보드에 동일한 간격의 구멍 그리드(쥐와 생쥐 모두, 구멍 간격 25mm 및 구멍 직경 6mm)를 장착합니다(그림 2C).알림: 이 구멍을 통해 반복 가능성이 높은 미로를 배치할 수 있습니다(그림 2D). 베이스 플레이트가 있는 타워고정 된 높이의 통로를 형성하기 위해 알루미늄으로 만든베이스 플레이트가있는 타워를 개발하십시오 (타워의 줄기 부분의 치수는 쥐의 경우 55cm × 6cm × 2cm, 생쥐의 경우 34cm × 1.3cm × 1.3cm입니다) (그림 1A). 베이스 플레이트를 사용하여 미로 부분의 위치를 고정합니다 (베이스 플레이트의 치수는 쥐의 경우 18cm × 11cm × 0.5cm, 마우스의 경우 12cm × 7cm × 0.3cm입니다). 펀칭 보드에 동일한 간격의 구멍 그리드를 연결하기 위해 베이스 플레이트에 돌출부를 장착합니다(돌출 직경은 6mm). 구멍을 사용하여 바닥판이 있는 타워가 장착된 피더, 이동식 벽 및 트레드밀( 재료 표 참조)과 같은 구성 요소를 연결합니다.참고: 쥐의 경우 바닥판에는 펀칭 보드의 구멍에 삽입된 4개의 돌출부(길이 8mm)(그림 1F)가 있습니다. 마우스의 경우 베이스 플레이트가 너무 가벼워서 경로를 지지할 수 없었기 때문에 볼트를 구멍에 삽입했습니다(볼트 길이는 14mm)(그림 1G). 미로 경로참고: 시판되는 경로(쥐의 경우 49cm × 10cm, 마우스의 경우 39cm× 5cm)는 폴리염화비닐(쥐의 경우 5mm, 마우스의 경우 3mm의 두께)로 만들어졌습니다( 재료 표 참조).타워의 상부에 통로를 배치하여 미로의 가장 작은 부분을 구성합니다(그림 1B). 통로의 바닥면의 치수에 맞게 타워의 상부를 설계합니다(타워 상부의 치수는 쥐의 경우 48cm × 8cm × 1cm, 쥐의 경우 21.9cm × 3.9cm × 0.3cm). 타워로 가는 통로를 고정하려면 타워를 맨 위에 놓습니다. 동물이 떨어지는 것을 방지하기 위해 폴리 염화 비닐로 만든 측면 장벽을 제공하십시오 (쥐의 경우 45mm, 쥐의 경우 30mm).알림: 한쪽 측면 장벽만 제거된 부품과 같이 다양한 방법으로 경로를 연결하는 데 여러 패턴을 사용할 수 있습니다. 경로 부품의 3D 모델을 사용할 수 있으며(https://github.com/TakahashiLab/ReconfigurableMazeParts) 3D 프린터를 사용하여 인쇄할 수 있습니다(재료 표 참조). 동반 부품참고: 행동 실험에 필요한 부분은 경로에 공통 베이스 플레이트를 부착하여 구현할 수 있습니다.보상 부위를 변경하기 위해 경로 측면에 피더를 배치합니다(그림 1C).알림: 모이통을 찌르는 동물은 차단 센서에 의해 감지됩니다( 재료 표 참조). 통로 사이의 틈에 움직일 수 있는 벽을 배치하여 동물이 이동 방향을 안내하도록 합니다(그림 1D).참고: 쥐의 경우 이동식 벽을 올릴 때 벽의 높이는 바닥에서 90cm, 통로의 측면 장벽에서 29.5cm입니다. 이동식 벽을 낮추면 벽의 높이는 바닥에서 54cm, 통로의 측면 장벽에서 -5.5cm입니다. 생쥐의 경우, 이동식 벽이 올라갈 때, 벽의 높이는 바닥에서 55cm, 통로의 측면 장벽에서 17cm입니다. 이동식 벽을 낮추면 벽의 높이는 바닥에서 35cm, 통로의 측면 장벽에서 -3cm입니다. 고정된 위치에서 달리기 지연을 강제하는 경로가 있는 트레드밀을 배치합니다(그림 1E). 컨트롤 박스알림: 컨트롤 박스(그림 1H)를 통해 각 부품을 자동으로 제어합니다(재료 표 참조).마이크로 컨트롤러를 사용하여 컨트롤 박스를 통해 트레드밀과 피더에서 신호를 수신합니다.알림: 피더의 차단 센서와 트레드밀 회전 수를 감지할 수 있습니다. 마이크로 컨트롤러를 사용하여 컨트롤 박스를 통해 설정된 작업 일정에 따라 트레드밀, 피더 및 이동식 벽 액추에이터에 활성화 신호를 보냅니다. 펠릿의 분배 및 폐기, 이동식 벽의 상승 및 하강을 개별적으로 제어합니다. 2. 재구성 가능한 미로에서 설치류의 특수 탐색 평가 참고: 재구성 가능한 미로(1단계에서 개발)를 사용하여 동물 행동 실험을 수행했습니다. 미로 건설의 예참고: 지연 교대 작업 실험에 사용된 쥐를 위한 T자형 미로를 조립하는 방법의 예가 그림 3에 나와 있습니다.베이스 플레이트가 있는 타워를 펀칭 보드에 삽입하여 T자형 프레임워크를 형성합니다(그림 3A). 타워의 상부에 통로를 부착합니다(그림 3B). 지연된 영역의 경로를 트레드밀로 교체합니다(그림 3C).알림: 트레드밀은 높이와 길이가 같은 통로로 교체할 수 있습니다. 미로의 각 가장자리에 피더를 부착합니다(그림 3D). 움직일 수 있는 벽을 왼쪽 및 오른쪽 가지에 부착합니다(그림 3E).알림: 동물의 발과 꼬리가 섹션 사이의 틈에 걸리지 않도록 하십시오.   마리쥐의 체중이 300g에서 350g 사이를 유지하는지 확인하고 낮 동안 모든 행동 실험을 수행하십시오. 작업 실행컨트롤 박스, 마이크로 컨트롤러 및 PC를 시작하고 연결합니다. 작업 일정을 설정하고 실험에 필요한 매개 변수를 수신하는 프로그램을 작성하십시오. 마이크로 컨트롤러에 프로그램을 작성하고 작업을 실행합니다.참고: 마이크로 컨트롤러 보드를 사용하여 C로 작성된 작업 일정 설정의 예는 공용 리포지토리(https://github.com/TakahashiLab/ReconfigurableMazeExample)에서 사용할 수 있습니다. 행동 실험원하는 미로 모양을 구성합니다(2.1단계). 집 새장에서 쥐를 옮기고 미로의 임의의 위치에 놓습니다. 쥐가 10분 동안 구성된 미로를 자유롭게 탐색하여 습관화할 수 있도록 합니다. 트레드밀23,24로 지연된 교대 작업을 수행하는 프로그램을 설정합니다.알림: 실험에 필요한 매개변수는 프로그램 설정(예: 포킹 횟수, 실험 시간, 트레드밀 속도 등)에 따라 자동으로 얻을 수 있습니다. 필요한 경우 미로의 모양을 변경합니다. 쥐를 미로의 임의의 위치에 놓고 지연된 교대 작업의 훈련 또는 테스트를 실행합니다.참고: 본 연구에서는 지연 시간과 테스트 세션(5초 지연 시간)이 점진적으로 증가하면서 교육 세션을 수행했습니다. 각 작업 후에 쥐를 집 새장으로 되돌려 보내십시오. 각 쥐 후에 70% 에탄올로 미로를 철저히 닦고 미로를 다시 사용하기 전에 최소 5분을 기다리십시오.알림: 통로의 일부를 타워에서 분리하여 냄새와 먼지를 완전히 닦아낼 수 있습니다. 3. 행동 수행 및 데이터 분석 동물 궤적천장에 장착된 디지털 비디오 카메라로 지연된 교대 작업 중 동물의 행동을 기록합니다( 재료 표 참조).알림: 카메라를 천장에 배치함으로써 실험자는 작업 중에 미로를 돌아다니는 동물의 움직임을 지속적으로 기록할 수 있습니다. 마커리스 포즈 추정 소프트웨어(25 )( 재료의 표 참조)를 사용하여 50 프레임/s로 캡처된 이미지를 기반으로 달리는 궤적을 추적한다.

Representative Results

재구성 가능한 미로의 일부는 이전 연구 3,4,7,26,27에서 설명한 표준 미로 구성을 사용했습니다. 여기서, 선형 트랙, T자형, W자형 및 8자형 미로가 동일한 물리적 환경에서 재구성되었다(그림 4A-D). 재구성 가능한 미로가 점진적이고 빠른 확장을 통해 원하는 행동 테스트를 원활하게 구현할 수 있음을 입증하기 위해 대표적인 결과에 사용된 프로토콜에는 4가지 훈련 단계가 포함되었습니다(그림 5A). 단계 I 및 II에서는 피더 A를 찌른 후 피더 R을 찌르면 보상을 받았습니다. 단계 III과 IV에서는 피더 A와 B를 순서대로 찔러서 피더 R을 찔러서 보상을 받았습니다. IV 단계에서 피더 A를 찌르면 트레드밀의 회전이 시작되었고 피더 B는 5초 동안 강제 주행한 후에만 접근할 수 있었습니다. 테스트 단계(지연된 교대 작업)에서 절차는 IV단계와 유사했지만 피더 R은 T자형 미로의 양쪽 가장자리에서 팔에 있었고 쥐는 이전 단계에서 반대쪽 피더를 찔러 보상을 받았습니다. 쥐는 연장 경로의 길이와 모양 및 변화하는 피더 위치에 반응하여 이동할 수 있었습니다(그림 5B). 모든 단계는 30건의 시험에서 수행되었으며, 각 시험은 쥐가 피더 R에 도달한 사례로 정의되었습니다. 각 단계에서 30번의 시도를 완료한 3마리의 쥐가 소비한 작업 기간은 그림 6A에 나와 있습니다. 반복 측정 ANOVA는 쥐의 작업 완료 시간이 단계마다 다르다는 것을 확인했습니다(NS (4, 8) = 16.98, p < 0.05, Greenhouse-Geisser 보정28). 쥐는 경로 길이와 보상 조건의 변화에 유연하게 적응할 수 있었습니다. 다음날 실시된 테스트 단계에서 모든 쥐는 3일 이내에 점근적으로 높은 비율의 정답 응답에 접근했습니다(그림 6B). 여러 실험자들이 이러한 단계적 미로 확장이 빠르게 수행될 수 있음을 확인하기 위해 미로를 구성했습니다(그림 6C). 본 글에서는 미로 건설 시간을 실제적으로 측정하기 위해 이전 보고서(22 )의 통로의 모핑 시간에 부속 부품(트레드밀, 피더)의 시간을 추가하였다. 지연 교대 작업(그림 5A)에 대한 절차를 사용하여 5명의 실험자가 미로를 2상 모양에서 테스트 위상 모양으로 변경했습니다. 시간은 세 번째 시험에서 67.80 ± 3.03초(평균 ± SE)로 수렴했습니다. 이 테스트에는 이 미로 시스템을 몇 년 동안 사용한 실험자와 거의 사용하지 않은 실험자가 포함되었습니다. 그림 1: 재구성 가능한 미로의 요소. (AE) 바닥판과 쥐를 위한 해당 부품이 있는 타워. (에프, 지) 베이스 플레이트의 고정 방법은 쥐와 생쥐에 따라 다릅니다. 화살표는 돌출부(흰색)와 볼트(파란색)를 나타냅니다. (H) 완전 자동화된 작업을 위해 컨트롤러를 통한 신호 입력/출력. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 그림 2: 펀칭 보드와 베이스 플레이트 연결 (A) 베이스 플레이트, 펀칭 보드 및 돌출부의 클로즈업 사진의 측면도. (B) 베이스 플레이트와 펀칭 보드의 평면도와 구멍의 클로즈업 사진. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 그림 3: 지연된 교대 작업을 위한 T자형 미로 조립 과정. (A-E) 위에서 찍은 재구성 가능한 미로의 이미지. 조립 과정의 이미지는 왼쪽에서 오른쪽으로 순서입니다. 빨간색 화살표는 새로 조립된 트레드밀(C), 피더(D) 및 이동식 벽(E)의 위치를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 그림 4: 단일 환경의 여러 미로 모양 재구성 가능한 미로의 이미지입니다. (A-D) 쥐에 대한 재구성 가능한 미로 테스트. 통로 부분은 (A)에서 빨간색으로 둘러싸인 통로 부분의 위치를 참조하여 단일 환경에서 여러 모양으로 재구성되었습니다. (전자) 마우스에 대한 재구성 가능한 미로 테스트. 이 미로는 어느 위치에나 모이통(빨간색 화살표)과 이동식 벽(녹색 화살표)을 배치했습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 그림 5: 쥐의 미로 확장 및 궤적 . (A) 미로 모양은 지연된 교대 작업의 훈련 및 테스트 단계에서 점진적으로 변경됩니다. 작업에 사용되는 피더 유형은 색상 상자로 표시됩니다. (B) 대표적인 쥐의 달리기 궤적. 각 궤적은 (A)의 위상에 해당합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 그림 6: 미로 실험의 성능. (A-B) 훈련 시작부터 테스트 종료까지 4일 동안의 행동 수행. (A) 각 훈련 단계 및 테스트 단계의 첫날에 대한 작업 완료 시간(n = 3). (B) 지연 교대 테스트에서 정답 응답 비율(평균 ± SE). 점선은 확률 수준을 나타냅니다. SE: 평균의 표준 오차. (C) 재구성 가능한 미로 조립 시간. 선형 트랙은 T 자형 미로 (상단)로 수정되었습니다. 수정에는 통로(흰색 사각형), 피더(검은색 사각형) 및 러닝머신(녹색 사각형)의 추가가 포함되었습니다. 5명의 실험자가 각각 3번의 실험을 수행했습니다(아래). 테스트 전에 전문가 사용자(실험자 1)는 예로 한 번의 시도를 수행했습니다. 모든 시험은 같은 날에 수행되었다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Discussion

재구성 가능한 미로를 통해 단일 환경에서 다양한 미로 작업을 수행할 수 있었습니다. 바닥에 균등하게 배치된 구멍과 베이스 플레이트가 있는 타워로 조정된 연동 시스템은 높은 수준의 반복성과 재현성을 보장했습니다. 또한 구조를 쉽게 탈부착할 수 있으며 원하는 미로 모양을 즉시 구성할 수 있어 효율적이고 유연하며 확장 가능한 시스템으로 기능할 수 있습니다.

재구성 가능한 미로를 통해 동물들은 빠르게 학습할 수 있었습니다. 기존의 미로 실험 환경에서는 경로의 길이와 모양을 재구성하기 어려울 수 있으며 여러 미로를 결합하는 테스트를 수행하는 데 시간이 많이 걸립니다. 이 연구에서 입증된 바와 같이, 재구성 가능한 미로는 복잡한 행동 테스트의 수정 후 훈련이 하루 만에 효율적으로 수행되는 단계별 방식으로 미로 확장을 가능하게 합니다(그림 6A, B). 또한 실험자가 쉽게 수정할 수 있습니다. 이 연구에서, 미로 조립 시간은 여러 번의 시도에서 측정되었고, 실험자들은 약 1 내지 2분 내에 일관되게 재구성을 완료하였다(도 6A).

이 미로 시스템의 가장 큰 장점은 미로의 모양을 미세 조정할 수 있다는 것입니다. 바닥은 펀칭 보드 구멍으로 채워져 있기 때문에 기존의 미로 시스템으로는 달성하기 어려운 유연한 미로 실험을 수행 할 수 있습니다. 이 연구에서 수행된 지연된 교대 작업에서, 쥐는 지연을 시작하고 찌르기에 의해 지연 영역을 빠져나갔다(그림 5A). 여기에서했던 것처럼 두 개의 피더를 근처에 배치하는 것은 고정 된 기하학을 가진 기존의 미로 시스템에서는 어렵습니다. 또한 이 미로 시스템은 균형 잡힌 수정을 가능하게 합니다. 예를 들어, 피더 B의 위치는 반대쪽에서 쉽게 교체할 수 있습니다(그림 5A). 이 이점은 또한 실험실 전체에 미로 구성을 복제할 수 있습니다. 지연된 교대 작업에는 8자 미로, Y 미로 및 W 미로26,29,30을 포함하여 여러 미로가 사용됩니다. 보상 영역, 지연 영역 및 지연 방법도 연구23,31에 따라 다릅니다. 재구성 가능한 미로를 사용하면 이러한 모든 미로를 단일 물리적 환경에서 만들고 다른 실험실에서 재현할 수 있습니다. 이 시스템이 널리 보급되면 실험실 간의 미로 작업의 표준화로 이어질 수 있습니다.

재구성 가능한 미로는 공간 내비게이션(22)을 지원하는 신경 상관관계를 조사하는 전기생리학적 다중단위 기록을 지원한다. 공간 탐색에 필수적인 역할을 하는 것으로 여겨지는 해마 형성에 있어서, 특정 위치(32)를 통과하거나 외부 환경(33)의 경계에 접근할 때 발화하는 세포와 같은 여러 유형의 세포가 공간 정보를 인코딩하는 것으로 보고되었다. 이들 세포 유형은 먼 랜드마크(16,17,18)의 변화에 따라 발사 활동을 변화시킨다. 이 시스템은 재구성 가능한 미로가 동일한 환경을 유지하면서 미로의 모양만 변경할 수 있기 때문에 공간 탐색 실험 중에 신경 활동을 기록하는 데 이상적입니다. 재구성 가능한 미로는 신경 활동 실험과 관련된 사양인 엄격한 외부 환경 제어를 유지합니다.

재구성 가능한 미로는 미로 실험을 위한 최적의 환경을 제공하지만 몇 가지 주의 사항이 있습니다. 첫째, 미로는 펀칭 보드의 구멍에 부품을 끼워 넣어 구성되므로 각도를 유연하게 변경할 수 없습니다. 원형 미로(그림 4E)는 이 문제를 어느 정도 극복하지만 미로의 안정성을 보장하면서 경로에 곡선과 각도를 추가하는 데는 한계가 있습니다. 또한, 모리스 수중 미로(34), 반스 미로(35)와 같은 일부 고전적 미로와 허니컴 미로(36, 37)와 같이 최근에 개발된 미로는 재구성 가능한 미로의 일부를 조합하여 구성하기가 어렵다. 앞으로의 노력은 적응력을 높이고 더 많은 인지 실험을 다루기 위해 이러한 미로 유형을 재구성 가능한 미로와 병합하는 방법론을 탐색하는 데 중점을 두어야 합니다.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

이 작업은 일본 과학 진흥 협회의 지원을 받았으며 Kakenhi는 ST에 16H06543 및 21H05296을 부여합니다.

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
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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).

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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).
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