Mevcut protokol, kemirgenlerde mekansal navigasyon ve davranışsal fenotipleri test etmek için benzersiz bir sistem olan yeniden yapılandırılabilir bir labirenti tanımlamaktadır. Bu labirent sisteminin uyarlanabilirliği, çeşitli deneylerin tek bir fiziksel ortamda yürütülmesini sağlar. Yapısal yeniden düzenlemenin kolaylığı, güvenilir ve tekrarlanabilir deneysel sonuçlar üretir.
Uzamsal navigasyon performansını ve davranışsal fenotipleri test etmek için çeşitli labirent şekilleri kullanılır. Geleneksel olarak, her deney benzersiz bir labirent şekli gerektirir, bu nedenle farklı konfigürasyonlarda birkaç ayrı labirent gerektirir. Labirent geometrisi, ölçeklenebilirlik ve yeniden üretilebilirliğe uyum sağlamak için tek bir ortamda yeniden yapılandırılamaz. Yeniden yapılandırılabilir labirent, sınırlamaları ele almak için benzersiz bir yaklaşımdır ve labirent yollarının tekrarlanabilir bir şekilde hızlı ve esnek bir şekilde yapılandırılmasını sağlar. Birbirine kenetlenen yollardan oluşur ve besleyiciler, koşu bantları, hareketli duvarlar ve kapatma sensörleri içerir. Mevcut protokol, yeniden yapılandırılabilir labirentin T şeklinde, artı şekilli, W şeklinde ve sekiz rakamlı labirentler de dahil olmak üzere mevcut labirentleri nasıl çoğaltabileceğini açıklar. Başlangıçta, T şeklindeki labirent tek bir deney odasının içine inşa edildi, ardından modifikasyonlar yapıldı. Burada özetlenen hızlı ve ölçeklenebilir protokol, bileşenlerin ve davranışsal eğitim aşamalarının kademeli olarak eklenmesiyle elde edilen yeniden yapılandırılabilir labirentin esnekliğini göstermektedir. Yeniden yapılandırılabilir labirent, mekansal navigasyon davranışının birçok yönünün performansını sistematik ve hassas bir şekilde değerlendirir.
Mekansal navigasyon, bir hayvanın hedeflenen bir hedefe uygun bir rota belirleme konusundaki temel yeteneğidir. Navigasyon sırasında karar verme, öğrenme ve hafıza gibi çeşitli bilişsel süreçlere ihtiyaç vardır. Bu süreçleri kullanmak, bir hedefe giden en kısa yolu belirlerken deneyimsel öğrenmeye izin verir. Labirent testleri, mekansal navigasyonun davranışsal ve fizyolojik mekanizmalarını araştırmak için kullanılır1. Örneğin, T şeklindeki labirent2,3, artı şekilli labirent4, radyal kol labirenti5,6 ve sekiz numaralı labirent7, karar verme8 ve anksiyete9 gibi bilişsel değişkenler de dahil olmak üzere mekansal navigasyon davranışını değerlendirir.
Her labirent şeklinin avantajları ve dezavantajları vardır, bu da belirli öğrenme ve hafızayı değerlendirmek için birden fazla labirent görevi kullanan çok yönlü deneyler gerektirir10,11. Örneğin, bir hayvanın öğrenmeye ihtiyaç duymadan sol ve sağ kol arasında seçim yaptığı kendiliğinden değişim görevi, T şeklindeki ve Y şeklindeki labirentlerle değerlendirilebilen tipik bir mekansal çalışma belleği görevidir12. Kafa yönünü ve dış ipuçlarını kullanan artı şekilli ve radyal kol labirentleri, hedefe yönelik navigasyon yeteneğini belirlemek için kullanılır13. Seçim ve geri dönüşteki rotaları ayıran sekiz rakamlı ve modifiye edilmiş T şeklindeki labirentler, navigasyon fonksiyonunuyörünge 14,15 ile analiz ederek mekansal çalışma belleği görevlerini değerlendirmek için kullanılır.
Bir deneyde birkaç labirent kullanırken labirentler arasında tutarlılığı korumak zor olabilir. Kemirgenlerin navigasyon için görsel ipuçları kullandıkları düşünülmektedir16,17,18; kokualma 19,20 ve somatosensoriyel21 modaliteleri mekansal biliş için de kullanılabilir ve navigasyon yeteneğine katkıda bulunabilir. Farklı alanlar, düzenler, boyutlar ve malzemeler kullanılarak bir dizi labirent deneyi yapılırsa, bu değişkenler kemirgenlerin navigasyon stratejisini etkileyebilir. Mekansal navigasyon çalışmaları, bu değişkenlerin mümkün olan en sıkı kontrolünü gerektirir; Bununla birlikte, çeşitli şekiller için standartlaştırılmış bir labirent aparatını korumak veya her deney için labirenti yeniden inşa etmek maliyetli olabilir. Bu zorluklar, aynı laboratuvarda bir dizi deneyin sistematik bir şekilde yürütülmesini engellemektedir.
Daha önce kurulmuş labirent yapılarında yapılandırılmış sınırlamalarla mücadele etmek için, tek bir fiziksel ortamda çeşitli şekillerde yapılandırılabilen bir labirent sistemi22 burada açıklanmaktadır. "Yeniden yapılandırılabilir labirent", standartlaştırılmış parçaları birleştirerek yüksek oranda tekrarlanabilir, tekrarlanabilir, esnek ve ölçeklenebilir bir test ortamı sağlar. Bu makalede, yeniden yapılandırılabilir bir labirentin kemirgenlerde mekansal navigasyonu değerlendirme yeteneği açıklanmaktadır.
Tüm prosedürler Doshisha Üniversitesi Kurumsal Hayvan Bakım ve Kullanım Komiteleri tarafından onaylanmıştır. Bu çalışmada vücut ağırlıkları 300-350 g olan 24 ila 28 hafta (davranışsal eğitimin başlangıcında) yaşları arasında üç erkek Long-Evans sıçanı kullanılmıştır. Sıçanlar, 12 saatlik ışık / 12 saatlik karanlık bir programda ev kafeslerine (20 cm x 25 cm x 23 cm) ayrı ayrı yerleştirildi ve ışık süresi 08: 00'de başladı. Hayvanlar ticari bir kaynaktan elde edilmiştir (bakınız Malzeme Tablosu).
1. Labirent sistem bileşenleri
NOT: Labirent sistemi (tüm bileşenler dahil, adım 1.1-1.5) ( bakınız Malzeme Tablosu), elektrofizyolojik nöral aktivite kaydının eşzamanlı kullanımı için bakır ağ (sıçanlar için 4 m x 5 m ve fareler için 1,8 m × 3,0 m) ile kaplı korumalı bir odaya monte edilmelidir. Labirentin zeminden sabit bir yükseklikte yükseltilmesi gerekir (sıçanlar için 55 cm ve fareler için 34 cm).
2. Yeniden yapılandırılabilir labirentte kemirgenlerin özel navigasyonunun değerlendirilmesi
NOT: Yeniden yapılandırılabilir labirent kullanılarak bir hayvan davranış deneyi gerçekleştirilmiştir (1. adımda geliştirilmiştir).
3. Davranışsal performans ve veri analizi
Yeniden yapılandırılabilir labirentin bazı kısımları, önceki çalışmalarda açıklanan standart labirent yapılarını kullandı 3,4,7,26,27. Burada, doğrusal iz, T şeklinde, W şeklinde ve sekiz numaralı labirentler aynı fiziksel ortamda yeniden yapılandırılmıştır (Şekil 4A-D). Yeniden yapılandırılabilir labirentin kademeli ve hızlı ölçeklendirme ile istenen davranış testini sorunsuz bir şekilde uygulayabileceğini göstermek için, temsili sonuçlar için kullanılan protokol dört eğitim aşamasını içeriyordu (Şekil 5A).
I. ve II. aşamalarda, ödüller Besleyici A'yı dürttükten sonra Besleyici R'yi dürterek alındı. III. ve IV. aşamalarda, ödül, Besleyici A ve B'yi bu sırayla dürttükten sonra Besleyici R'yi dürterek alındı. IV. aşamada, Besleyici A'nın dürtülmesi koşu bandının dönmesini tetikledi ve Besleyici B'ye ancak 5 s zorla koştuktan sonra erişilebildi. Test aşamasında (gecikmeli değişim görevi), prosedür faz IV'ünkine benziyordu, ancak Besleyici R, T şeklindeki labirentin her iki kenarındaki kollardaydı ve sıçanlar, önceki aşamadan karşı besleyiciyi dürterek ödüllendirildi. Sıçanlar, genişleyen yolun uzunluğuna ve şekline ve değişen besleyici bölgelere yanıt olarak hareket edebildiler (Şekil 5B). Tüm aşamalar 30 denemede gerçekleştirildi ve her deneme, Besleyici R'ye ulaşan sıçanın bir örneği olarak tanımlandı. Her aşamada 30 denemeyi tamamlayan üç sıçan tarafından harcanan görev süresi Şekil 6A'da gösterilmiştir. Tekrarlanan ölçümler ANOVA, sıçanların görev tamamlama süresinin fazlar arasında farklılık gösterdiğini doğruladı (F (4, 8) = 16.98, p < 0.05, Greenhouse-Geisser düzeltilmiş28). Sıçanlar, yol uzunluğu ve ödül koşullarındaki değişikliklere esnek bir şekilde adapte olabildiler. Ertesi gün yapılan test aşamasında, tüm sıçanlar 3 gün içinde doğru seçim yanıtlarının yüksek yüzdelerine asimptotik olarak yaklaştılar (Şekil 6B).
Birkaç deneyci, böyle bir kademeli labirent genişlemesinin hızlı bir şekilde gerçekleştirilebileceğini doğrulamak için labirentleri inşa etti (Şekil 6C). Bu makalede, labirent yapım süresini pratik olarak ölçmek için bir önceki rapor22'de yolun dönüşüm süresine eşlik eden parçaların (koşu bandı, besleyiciler) zamanı eklenmiştir. Gecikmiş değişim görevi prosedürünü kullanarak (Şekil 5A), beş deneyci labirenti faz II şeklinden test fazı şekline değiştirdi. Süre, üçüncü denemede 67.80 ± 3.03 s'ye (ortalama SE ±) yaklaştı. Test, bu labirent sistemini birkaç yıldır kullanan deneycileri ve nadiren kullananları içeriyordu.
Resim 1: Yeniden yapılandırılabilir labirentin elemanları. (A-E) Taban plakalı kule ve sıçanlar için ilgili parçalar. (F,G) Taban plakasının sabitleme yöntemi sıçanlar ve fareler için farklıdır. Oklar çıkıntıları (beyaz) ve cıvataları (mavi) gösterir. (H) Tam otomatik görevler için kontrolör üzerinden sinyal girişi/çıkışı. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: Delme tahtasının taban plakasına bağlanması . (A) Taban plakasının, delme tahtasının yandan görünümü ve bir çıkıntının yakın plan fotoğrafı. (B) Taban plakasının ve delme tahtasının üstten görünümü ve deliklerin yakın plan fotoğrafı. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: Geciken alternatif görev için T şeklindeki labirent montajı işlemi. (A-E) Yeniden yapılandırılabilir labirentin yukarıdan alınan görüntüleri. Montaj işleminin görüntüleri soldan sağa doğru sıralıdır. Kırmızı oklar, yeni monte edilen koşu bandının (C), besleyicilerin (D) ve hareketli duvarların (E) konumlarını gösterir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4: Tek bir ortamda birkaç labirent şekli. Yeniden yapılandırılabilir labirentin görüntüleri. (A-D) Sıçanlar için yeniden yapılandırılabilir labirent testi. Yol parçaları, kırmızı (A) ile çevrili yol parçalarının konumuna atıfta bulunularak tek bir ortamda birkaç şekle yeniden yapılandırıldı. (E-F) Fareler için yeniden yapılandırılabilir labirent testi. Bu labirentler, herhangi bir yere besleyiciler (kırmızı oklar) ve hareketli duvarlar (yeşil oklar) ile yerleştirildi. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5: Labirent genişlemesi ve bir sıçanın yörüngeleri . (A) Labirent şekli, gecikmiş değişim görevinin tren ve test aşamaları sırasında kademeli olarak değişir. Görevde kullanılan besleyici türü renkli bir kutu ile gösterilir. (B) Temsili bir sıçanın koşu yörüngeleri. Her yörünge (A) içindeki faza karşılık gelir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 6: Labirent deneylerinin performansı. (A-B) Eğitimin başlangıcından testin sonuna kadar 4 gün boyunca davranışsal performans. (A) Her eğitim aşaması ve test aşamasının ilk günü için görev tamamlama süresi (n = 3). (B) Gecikmiş değişim testinde doğru seçim yanıtlarının yüzdeleri (SE ± ortalama). Noktalı çizgiler şans seviyelerini gösterir. SE: ortalamanın standart hatası. (C) Yeniden yapılandırılabilir labirent montaj süresi. Lineer parça T şeklinde bir labirente (üstte) dönüştürüldü. Değişiklik, yolların (beyaz kare), besleyicilerin (siyah kare) ve bir koşu bandının (yeşil kare) eklenmesini içeriyordu. Beş deneyci her biri üç deneme yaptı (altta). Testten önce, uzman kullanıcı (Deneyci 1) örnek olarak bir deneme gerçekleştirdi. Tüm denemeler aynı gün yapıldı. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Yeniden yapılandırılabilir labirent, tek bir ortamda çeşitli labirent görevlerini yürütmemizi sağladı. Zeminde eşit aralıklı delikler ve taban plakalı kuleler tarafından koordine edilen birbirine kenetlenen bir sistem, yüksek derecede tekrarlanabilirlik ve tekrarlanabilirlik garantisi verdi. Ek olarak, yapı kolayca takılıp çıkarılabilir ve istenen labirent şekli anında yapılandırılabilir, verimli, esnek ve ölçeklenebilir bir sistem olarak işlev görebilir.
Yeniden yapılandırılabilir labirent, hayvanların hızlı bir şekilde öğrenmesini sağladı. Geleneksel labirent deney ortamlarında, yolun uzunluğunu ve şeklini yeniden yapılandırmak zor olabilir ve birden fazla labirenti birleştiren testler yapmak zaman alıcıdır. Bu çalışmada gösterildiği gibi, yeniden yapılandırılabilir labirent, karmaşık davranış testlerinin modifikasyonu sonrası eğitimin tek bir günde verimli bir şekilde gerçekleştirildiği adım adım bir şekilde labirent genişlemesini sağlar (Şekil 6A, B). Ayrıca, deneycinin değişiklik yapması kolaydır. Bu çalışmada, labirent montaj süresi birden fazla denemede ölçüldü ve deneyciler rekonstrüksiyonları yaklaşık 1 ila 2 dakika içinde tutarlı bir şekilde tamamladılar (Şekil 6A).
Bu labirent sisteminin en büyük avantajı, labirentin şekline ince ayar yapılmasına izin vermesidir. Zemin delme tahtası delikleriyle dolu olduğundan, geleneksel labirent sistemleriyle elde edilmesi zor olacak esnek labirent deneyleri yapmak mümkündür. Bu çalışmada yapılan gecikmeli alternasyon görevinde sıçanlar gecikmeyi başlatmış ve dürterek gecikme alanından çıkmışlardır (Şekil 5A). Burada yaptığımız gibi, yakınlara iki besleyici yerleştirmek, sabit geometrili geleneksel bir labirent sisteminde zordur. Ek olarak, bu labirent sistemi dengesiz modifikasyonlara olanak tanır; örneğin, Besleyici B'nin konumu karşı tarafta kolayca değiştirilebilir (Şekil 5A). Bu avantaj, labirent yapılandırmalarının laboratuvarlar arasında çoğaltılmasına da olanak tanır. Gecikmiş değişim görevi için, sekiz rakamlı labirent, Y labirenti ve W labirenti 26,29,30 dahil olmak üzere birkaç labirent kullanılır. Ödül bölgesi, gecikme alanı ve gecikme yöntemi de çalışmadan çalışmaya23,31 farklılık gösterir. Yeniden yapılandırılabilir labirent ile, tüm bu farklı labirentler tek bir fiziksel ortamda oluşturulabilir ve farklı laboratuvarlarda çoğaltılabilir. Bu sistem yaygınlaşırsa, laboratuvarlar arasındaki labirent görevlerinin standardizasyonuna yol açabilir.
Yeniden yapılandırılabilir labirent, uzamsal navigasyonu destekleyen nöral korelasyonları inceleyen elektrofizyolojik çok birimli kayıtları destekler22. Mekansal navigasyonda önemli bir rol oynadığı düşünülen hipokampal formasyonda, belirli bir pozisyonu geçerken ateşlenen hücreler gibi mekansal bilgiyi kodlayan çeşitli hücre tiplerinin32 veya dış çevrenin sınırına yaklaşırken33 olduğu bildirilmiştir. Bu hücre tipleri, uzak yerlerdeki değişikliklere dayanarak ateşleme aktivitelerini değiştirir16,17,18. Bu sistem, uzamsal navigasyon deneyleri sırasında sinirsel aktiviteyi kaydetmek için idealdir, çünkü yeniden yapılandırılabilir labirent, aynı ortamı korurken yalnızca labirentin şeklini değiştirebilir. Yeniden yapılandırılabilir labirent, sinirsel aktivite deneyleriyle ilgili bir spesifikasyon olan sıkı dış ortam kontrolünü korur.
Yeniden yapılandırılabilir labirent, bazı uyarılarla birlikte labirent deneyleri için en uygun ortamı sağlar. İlk olarak, labirent, parçaların bir delme tahtasındaki deliklere yerleştirilmesiyle inşa edilir, böylece açılar esnek bir şekilde değiştirilemez. Dairesel labirent (Şekil 4E) bu sorunun bir dereceye kadar üstesinden gelir, ancak labirentin stabilitesini sağlarken yola eğriler ve açılar eklemek için sınırlamalar vardır. Buna ek olarak, Morris su labirenti34 ve Barnes labirenti 35 gibi bazı klasik labirentler ve petek labirenti36,37 gibi son yıllarda geliştirilen labirentlerin, yeniden yapılandırılabilir labirentlerin parçalarını birleştirerek inşa edilmesi zordur. Gelecekteki çabalar, uyarlanabilirliği artırmak ve daha bilişsel deneyleri kapsayacak şekilde bu labirent türlerini yeniden yapılandırılabilir labirentle birleştirmek için metodolojileri keşfetmeye odaklanmalıdır.
S.T., yeniden yapılandırılabilir labirentle ilgili incelenmiş bir Japon patent başvurusu yayınının (No. P7137179, başvuru sahibi: Doshisha Üniversitesi) mucididir. F.S., K.I., H.A. ve Y.T. çıkar çatışması olmadığını beyan eder.
Bu çalışma Japon Bilimi Geliştirme Derneği tarafından desteklendi, Kakenhi S.T.'ye 16H06543 ve 21H05296 verdi.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
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 |
Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi
Izin talebiThis article has been published
Video Coming Soon
JoVE Hakkında
Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır