本プロトコルは、再構成可能な迷路、げっ歯類における空間ナビゲーションおよび行動表現型を試験するためのユニークなシステムを記述する。この迷路システムの適応性により、単一の物理環境でさまざまな実験を実行できます。構造再配列の容易さは、信頼性が高く再現性のある実験結果を生成します。
いくつかの迷路形状を使用して、空間ナビゲーションのパフォーマンスと行動表現型をテストします。従来、各実験には固有の迷路形状が必要であるため、異なる構成のいくつかの別々の迷路が必要でした。迷路ジオメトリは、スケーラビリティと再現性に対応するために単一の環境で再構成することはできません。再構成可能な迷路は、制限に対処するための独自のアプローチであり、繰り返し可能な方法で迷路経路を迅速かつ柔軟に構成できます。インターロッキング経路で構成され、フィーダー、トレッドミル、可動壁、シャットオフセンサーが含まれています。現在のプロトコルでは、再構成可能な迷路が、T字型、プラス型、W字型、8の字型の迷路など、既存の迷路をどのように複製できるかを説明しています。当初、T字型の迷路は1つの実験室の中に構築され、その後修正が行われました。本明細書で概説する迅速でスケーラブルなプロトコルは、コンポーネントおよび行動訓練フェーズを段階的に追加することによって達成される再構成可能な迷路の柔軟性を実証する。再構成可能な迷路は、空間ナビゲーション動作の複数の側面のパフォーマンスを体系的かつ正確に評価します。
空間ナビゲーションは、目標とする目標への適切なルートを識別する動物の基本的な能力です。ナビゲーション中には、意思決定、学習、記憶などのさまざまな認知プロセスが必要です。これらのプロセスを活用することで、目標への最短ルートを決定する際の体験学習が可能になります。迷路テストは、空間ナビゲーションの行動的および生理学的メカニズムを調べるために使用されます1。例えば、T字型迷路2,3、プラス型迷路4、放射状アーム迷路5,6、および8の字型迷路7は、意思決定8および不安9などの認知変数を含む空間ナビゲーション行動を評価する。
それぞれの迷路形状には長所と短所があり、特定の学習と記憶を評価するために複数の迷路タスクを使用する多面的な実験が必要です10,11。例えば、動物が学習を必要とせずに左右の腕を選択する自発的交替課題は、T字型およびY字型の迷路12で評価できる典型的な空間ワーキングメモリ課題である。頭の方向と外部の手がかりを使用するプラス型および放射状の腕の迷路は、目標指向のナビゲーション能力を決定するために使用されます13。選択と帰還のルートを分離する8の字型迷路と修正T字型迷路は、軌道14,15によってナビゲーション関数を分析することによって空間ワーキングメモリタスクを評価するために使用されます。
1 回の実験で複数の迷路を使用する場合、迷路間の一貫性を維持するのは難しい場合があります。げっ歯類はナビゲーションに視覚的な手がかりを使用すると考えられています16,17,18;嗅覚19,20および体性感覚21モダリティも空間認知に使用され得、ナビゲーション能力に寄与し得る。一連の迷路実験が異なる空間、レイアウト、寸法、および材料を使用して実施される場合、これらの変数はげっ歯類のナビゲーション戦略に影響を与える可能性があります。空間ナビゲーションの調査では、これらの変数を可能な限り厳密に制御する必要があります。ただし、さまざまな形状の標準化された迷路装置を維持したり、実験ごとに迷路を再構築したりすると、コストがかかる可能性があります。これらの困難は、同じ実験室内で一連の実験を実施する体系的な方法を妨げます。
以前に確立された迷路構造における構成済みの制限に対抗するために、単一の物理的環境22 において様々な形状に構成することができる迷路システムがここで説明される。「再構成可能な迷路」は、標準化された部品を組み合わせて、再現性、再現性、柔軟性、拡張性に優れたテスト環境を提供します。この記事では、げっ歯類の空間ナビゲーションを評価する再構成可能な迷路の機能について説明します。
再構成可能な迷路により、さまざまな迷路タスクを1つの環境で実行できるようになりました。床に等間隔に配置された穴と、ベースプレートを備えたタワーによって調整されたインターロックシステムにより、高度な再現性と再現性が保証されました。さらに、構造物の着脱が容易で、希望の迷路形状を瞬時に構成でき、効率的で柔軟かつスケーラブルなシステムとして機能することができます。
再構成可能な迷路により、動物は急速に学ぶことができました。従来の迷路実験環境では、経路の長さや形状の再構成が難しく、複数の迷路を組み合わせた試験を行うのは時間がかかります。本研究で実証したように、再構成可能な迷路は、複雑な行動テストの修正後のトレーニングを1日で効率的に行う、段階的な迷路拡張を可能にします(図6A,B)。さらに、実験者が変更を加えるのは簡単です。この研究では、迷路の組み立て時間を複数の試行で測定し、実験者は一貫して約1〜2分で再構成を完了しました(図6A)。
この迷路システムの主な利点は、迷路の形状を微調整できることです。床に打ち板穴が開けられているため、従来の迷路システムでは難しかった柔軟な迷路実験が可能です。この研究で実施された遅延交替課題において、ラットは遅延を開始し、突くことによって遅延領域を出た(図5A)。ここで行ったように、近くに2つのフィーダーを配置することは、固定ジオメトリを持つ従来の迷路システムでは困難です。さらに、この迷路システムは、カウンターバランスの変更を可能にします。たとえば、フィーダーBの位置は反対側に簡単に交換できます(図5A)。この利点により、ラボ間で迷路構成を再現することもできます。遅延交替タスクには、8の字迷路、Y迷路、W迷路26、29、30など、いくつかの迷路が使用されます。報酬ゾーン、遅延領域、および遅延方法も、研究ごとに異なります23,31。再構成可能な迷路を使用すると、これらの異なる迷路のすべてを単一の物理環境で作成し、さまざまな実験室で再現できます。このシステムが普及すれば、研究室間の迷路作業の標準化につながる可能性がある。
再構成可能な迷路は、電気生理学的マルチユニット記録をサポートし、空間ナビゲーション22をサポートする神経相関を調べる。空間ナビゲーションに不可欠な役割を果たすと考えられている海馬形成において、特定の位置32 を通過したり、外部環境33の境界に近づいたりすると発火する細胞など、いくつかの種類の細胞が空間情報をコード化することが報告されている。これらの細胞型は、離れたランドマークの変化に基づいて発火活性を変化させます16、17、18。再構成可能な迷路は、同じ環境を維持しながら迷路の形状のみを変更できるため、空間ナビゲーション実験中の神経活動を記録するのに最適です。再構成可能な迷路は、神経活動実験に関連する仕様である厳格な外部環境制御を維持します。
再構成可能な迷路は、迷路の実験に最適な環境を提供しますが、いくつかの注意点があります。まず、迷路はパンチングボードの穴に部品をはめ込んで構築されるため、角度を柔軟に変更することはできません。円形迷路(図4E)はこの問題をある程度克服していますが、迷路の安定性を確保しながら経路に曲線や角度を加えることには限界があります。また、モリス水迷路34やバーンズ迷路35などの古典迷路や、ハニカム迷路36,37など近年開発された迷路は、再構成可能な迷路の部分を組み合わせて構築することが難しいものもあります。今後の取り組みは、これらの迷路タイプを再構成可能な迷路とマージして適応性を高め、より多くの認知実験をカバーする方法論の探求に焦点を当てる必要があります。
The authors have nothing to disclose.
本研究は、日本学術振興会の支援を受けて、科学研究費助成事業(16H06543、21H05296)を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 |