Het huidige protocol beschrijft een herconfigureerbaar doolhof, een uniek systeem voor het testen van ruimtelijke navigatie en gedragsfenotypen bij knaagdieren. Het aanpassingsvermogen van dit doolhofsysteem maakt het mogelijk om verschillende experimenten in één fysieke omgeving uit te voeren. Het gemak van structurele herschikking genereert betrouwbare en reproduceerbare experimentele resultaten.
Verschillende doolhofvormen worden gebruikt om ruimtelijke navigatieprestaties en gedragsfenotypen te testen. Traditioneel vereist elk experiment een unieke doolhofvorm, waardoor verschillende afzonderlijke doolhoven in verschillende configuraties nodig zijn. De doolhofgeometrie kan niet opnieuw worden geconfigureerd in één omgeving om schaalbaarheid en reproduceerbaarheid mogelijk te maken. Het herconfigureerbare doolhof is een unieke aanpak om de beperkingen aan te pakken, waardoor snelle en flexibele configuraties van doolhofpaden op een herhaalbare manier mogelijk zijn. Het bestaat uit in elkaar grijpende paden en omvat feeders, loopbanden, beweegbare wanden en afsluitsensoren. Het huidige protocol beschrijft hoe het herconfigureerbare doolhof bestaande doolhoven kan repliceren, waaronder de T-vormige, plus-vormige, W-vormige en figuur-acht doolhoven. Aanvankelijk werd het T-vormige doolhof gebouwd in een enkele experimentele ruimte, gevolgd door aanpassingen. Het snelle en schaalbare protocol dat hierin wordt beschreven, toont de flexibiliteit van het herconfigureerbare doolhof, bereikt door de toevoeging van componenten en gedragstrainingsfasen op een stapsgewijze manier. Het herconfigureerbare doolhof beoordeelt systematisch en nauwkeurig de prestaties van meerdere aspecten van ruimtelijk navigatiegedrag.
Ruimtelijke navigatie is een fundamenteel vermogen van een dier om een geschikte route naar een gericht doel te identificeren. Verschillende cognitieve processen, zoals besluitvorming, leren en geheugen, zijn nodig tijdens het navigeren. Het gebruik van deze processen maakt ervaringsleren mogelijk bij het bepalen van de kortste route naar een doel. Doolhoftests worden gebruikt om de gedrags- en fysiologische mechanismen van ruimtelijke navigatiete onderzoeken 1. Het T-vormige doolhof2,3, plusvormig doolhof4, radiaal armdoolhof5,6 en figuur-acht doolhof7 beoordelen bijvoorbeeld ruimtelijk navigatiegedrag, inclusief cognitieve variabelen zoals besluitvorming8 en angst9.
Elke doolhofvorm heeft voor- en nadelen en vereist veelzijdige experimenten met meerdere doolhoftaken om specifiek leren en geheugen te beoordelen10,11. Zo is de spontane afwisselingstaak, waarbij een dier zonder leren tussen de linker- en rechterarm selecteert, een typische ruimtelijke werkgeheugentaak die kan worden beoordeeld met de T-vormige en Y-vormige doolhoven12. De plusvormige en radiale armdoolhoven, die gebruik maken van hoofdrichting en externe signalen, worden gebruikt om het doelgerichte navigatievermogen te bepalen13. De figuur-acht en aangepaste T-vormige doolhoven, die de routes op selectie en terugkeer scheiden, worden gebruikt om ruimtelijke werkgeheugentaken te evalueren door de navigatiefunctie te analyseren op traject14,15.
Het kan een uitdaging zijn om de consistentie tussen doolhoven te behouden wanneer u meerdere doolhoven in één experiment gebruikt. Van knaagdieren wordt gedacht dat ze visuele aanwijzingen gebruiken voor navigatie16,17,18; Olfactorische19,20 en somatosensorische21 modaliteiten kunnen ook worden gebruikt voor ruimtelijke cognitie en kunnen bijdragen aan het navigatievermogen. Als een reeks doolhofexperimenten wordt uitgevoerd met verschillende ruimtes, lay-outs, afmetingen en materialen, kunnen deze variabelen de navigatiestrategie van de knaagdieren beïnvloeden. Ruimtelijke navigatiestudies vereisen een zo streng mogelijke controle van deze variabelen; Het onderhouden van een gestandaardiseerd doolhofapparaat voor verschillende vormen of het herbouwen van het doolhof voor elk experiment kan echter kostbaar zijn. Deze moeilijkheden verhinderen een systematische manier om een reeks experimenten binnen hetzelfde laboratorium uit te voeren.
Om geconfigureerde beperkingen in eerder gevestigde doolhofstructuren te bestrijden, wordt hier een doolhofsysteem beschreven dat in verschillende vormen in één fysieke omgeving kan worden geconfigureerd22 . Het “herconfigureerbare doolhof” combineert gestandaardiseerde onderdelen en biedt een zeer herhaalbare, reproduceerbare, flexibele en schaalbare testomgeving. Dit artikel beschrijft het vermogen van een herconfigureerbaar doolhof om ruimtelijke navigatie bij knaagdieren te evalueren.
Het herconfigureerbare doolhof stelde ons in staat om een verscheidenheid aan doolhoftaken in één omgeving uit te voeren. Gelijkmatig verdeelde gaten in de vloer en een in elkaar grijpend systeem gecoördineerd door torens met bodemplaten garandeerden een hoge mate van herhaalbaarheid en reproduceerbaarheid. Bovendien kon de structuur eenvoudig worden bevestigd en losgemaakt en kon de gewenste doolhofvorm onmiddellijk worden geconfigureerd, functionerend als een efficiënt, flexibel en schaalbaar systeem.
Het herconfigureerbare doolhof stelde de dieren in staat om snel te leren. In conventionele doolhofexperimentele omgevingen kan het moeilijk zijn om de lengte en vorm van het pad opnieuw te configureren, en het uitvoeren van tests die meerdere doolhoven combineren, is tijdrovend. Zoals aangetoond in deze studie, maakt het herconfigureerbare doolhof doolhofuitbreiding op een stapsgewijze manier mogelijk, waarbij training na modificatie van complexe gedragstests efficiënt wordt uitgevoerd in één dag (figuur 6A, B). Bovendien is het voor de experimentator gemakkelijk om wijzigingen aan te brengen. In deze studie werd de doolhofassemblagetijd gemeten in meerdere proeven en de experimentatoren voltooiden de reconstructies consequent in ongeveer 1 tot 2 minuten (figuur 6A).
Een groot voordeel van dit doolhofsysteem is dat het de vorm van het doolhof kan finetunen. Omdat de vloer gevuld is met ponsplankgaten, is het mogelijk om flexibele doolhofexperimenten uit te voeren die moeilijk te bereiken zouden zijn met conventionele doolhofsystemen. In de vertraagde afwisselingstaak die in dit onderzoek werd uitgevoerd, initieerden de ratten de vertraging en verlieten ze het vertragingsgebied door te porren (figuur 5A). Het plaatsen van twee feeders in de buurt, zoals we hier hebben gedaan, is moeilijk in een conventioneel doolhofsysteem met een vaste geometrie. Bovendien maakt dit doolhofsysteem tegenwichtaanpassingen mogelijk; de positie van feeder B kan bijvoorbeeld eenvoudig aan de andere kant worden vervangen (figuur 5A). Dit voordeel maakt het ook mogelijk om doolhofconfiguraties in laboratoria te repliceren. Verschillende doolhoven worden gebruikt voor de vertraagde afwisselingstaak, waaronder het doolhof van figuur acht, het Y-doolhof en het W-doolhof26,29,30. De beloningszone, het vertragingsgebied en de vertragingsmethode verschillen ook van studietot studie 23,31. Met het herconfigureerbare doolhof kunnen al deze verschillende doolhoven in één fysieke omgeving worden gecreëerd en in verschillende laboratoria worden gereproduceerd. Als dit systeem wijdverspreid wordt, kan dit leiden tot de standaardisatie van doolhoftaken tussen laboratoria.
Het herconfigureerbare doolhof ondersteunt elektrofysiologische multiunit-opnames, die de neurale correlaten onderzoeken die ruimtelijke navigatie ondersteunen22. Bij hippocampusvorming, die wordt beschouwd als een essentiële rol in ruimtelijke navigatie, zijn verschillende soorten cellen gemeld om ruimtelijke informatie te coderen, zoals cellen die vuren bij het passeren van een specifieke positie32 of bij het naderen van de grens van de externe omgeving33. Deze celtypen veranderen hun vuuractiviteit op basis van veranderingen in verre oriëntatiepunten16,17,18. Dit systeem is ideaal voor het registreren van neurale activiteit tijdens ruimtelijke navigatie-experimenten, omdat het herconfigureerbare doolhof alleen de vorm van het doolhof kan veranderen met behoud van dezelfde omgeving. Het herconfigureerbare doolhof handhaaft strikte externe omgevingscontrole, een specificatie die relevant is voor experimenten met neurale activiteit.
Het herconfigureerbare doolhof biedt een optimale omgeving voor doolhofexperimenten, met enkele kanttekeningen. Ten eerste wordt het doolhof geconstrueerd door onderdelen in gaten in een ponsplank te plaatsen, zodat de hoeken niet flexibel kunnen worden gewijzigd. Het cirkelvormige doolhof (figuur 4E) overwint dit probleem tot op zekere hoogte, maar er zijn beperkingen aan het toevoegen van bochten en hoeken aan het pad terwijl de stabiliteit van het doolhof wordt gewaarborgd. Daarnaast zijn sommige klassieke doolhoven, zoals het Morris waterdoolhof 34 en Barnes doolhof35, en doolhoven die de afgelopen jaren zijn ontwikkeld zoals het honingraatdoolhof36,37, moeilijk te construeren door delen van de herconfigureerbare doolhoven te combineren. Toekomstige inspanningen moeten zich richten op het verkennen van methodologieën om deze doolhoftypen samen te voegen met het herconfigureerbare doolhof om het aanpassingsvermogen te vergroten en meer cognitieve experimenten te dekken.
The authors have nothing to disclose.
Dit werk werd ondersteund door de Japanse Vereniging voor de Bevordering van de Wetenschap, Kakenhi verleent 16H06543 en 21H05296 aan 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 |