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이벤트 경기장에서 이 최적화된 '일상 기억' 프로토콜의 목표는 동종 중심적 공간 표현의 사용을 장려하는 안정적인 홈 베이스를 사용하는 것이었습니다. 이 동물 모델은 행동 및 생리학적 기법을 사용하여 사건 기억의 형성 및 유지에 대한 향후 연구를 위한 효과적인 테스트 베드를 제공합니다.
이벤트 경기장은 학습과 기억을 조사할 수 있는 최적의 플랫폼을 제공합니다. 이 논문에서 설명한 식욕적 일상 기억 과제는 설치류의 일화적 및 공간적 기억을 조사하기 위한 강력한 프로토콜을 제공하며, 이는 특히 동종 중심적 기억 표현을 촉진합니다. 쥐는 인코딩 단계에서 먹이를 찾고 파도록 훈련을 받았으며, 시간이 지연된 후 쥐는 올바른 위치에서 보상 음식 펠릿을 찾을 수 있는 선택권을 갖게 됩니다. 이 프로토콜에서 동종 중심적 전략의 사용을 촉진하는 두 가지 핵심 요소가 있습니다: 1) 쥐는 세션 내에서, 그리고 세션 사이에 다른 시작 위치에서 시작하고, 2) 쥐가 먹기 위해 음식을 운반해야 하는 안정적인 본거지가 배치됩니다. 이러한 수정을 통해 우리는 설치류가 작업을 수행하기 위해 동종 중심적 공간 표현을 사용하도록 효과적으로 권장합니다. 또한 이 작업은 피험자 내 실험 설계에 대한 좋은 패러다임을 제공하고 실험자가 다양한 조건을 조작하여 변동성을 줄일 수 있도록 합니다. 행동 및 생리학적 기법과 함께 사용되어, 그 결과로 도출된 설치류 모델은 기억 형성 및 유지에 대한 향후 연구를 위한 효과적인 시험대를 제공합니다.
학습과 기억의 신경생물학을 조사하기 위해서는 침습적 기술이 필요한데, 이는 일반적으로 인간에게는 실현 가능하지 않습니다. 따라서 한 세기가 넘는 기간 동안 다양한 형태의 인간 기억을 모델링하기 위해 실험실 동물을 위한 행동 프로토콜이 고안되었습니다. 작업과 장치의 설계와 선택은 인간 기억의 효과적인 모델 성공의 핵심입니다. 단순한 클래식 및 악기 컨디셔닝 프로토콜 1,2,3에서 T-maze 4, radial arm maze5, Barnes maze6, watermaze7 및 cheese-board maze8과 같은 미로에 이르기까지 다양한 복잡성을 가진 수많은 패러다임이 개발되었습니다. 그러나 이러한 작업이 연상 학습 및 공간 탐색의 측면을 포착하는 동안, 순간적인 사건의 기억 표현(즉, 일화적 기억)을 연구하는 데 명확하게 사용할 수는 없습니다. 그리고 새로운 객체 인식(object recognition)9과 객체 장소 기억(object-place memory)10과 같은 자발적 기억 과제의 순열(permutations)이 인식 기억에 대한 귀중한 통찰력을 제공했지만, 사건의 명시적인 회상을 테스트하지는 않는다. 이러한 수요를 해결하기 위해 이벤트 경기장이 특별히 개발되었으며, 이를 통해 장기적이고 쌍이 많은 연관 메모리 인코딩 및 회상 11,12,13 뿐만 아니라 친숙한 공간 14,15,16,17,18에서 발생하는 개별 이벤트의 인코딩 및 회상에 대한 연구를 수행할 수 있었습니다. 후자의 주제가 이 원고의 초점입니다.
이벤트 경기장은 설치류를 위한 이벤트가 발생하는 크고 정사각형의 열린 들판 공간입니다. 경기장의 크기는 쥐나 생쥐를 수용할 수 있도록 확장할 수 있으며 설치류가 들어가 탐험하도록 권장됩니다. 경기장 내에서 발생하는 이벤트의 전형적인 예는 특정 위치에 있는 우물에서 음식을 찾고 검색하는 것입니다. 이벤트 경기장은 쥐나 생쥐가 음식을 찾고, 찾고, 파내도록 훈련되는 식욕 활동을 위해 설계되었습니다. 그것은 음식을 어두운 환경으로 다시 운반하는 자연스러운 경향을 활용하며, 이 경우 경기장에 인접하여 음식을 먹습니다. 먹이를 파기 위한 최소한의 훈련을 받은 후 설치류는 이 작업을 자연스럽게 받아들이고 인코딩 시험과 30분의 짧은 지연 후 암호화 시험에 이은 리콜 선택 시험에서 잘 수행합니다. 선택 시험에서는 여러 개의 모래우물(즉, 굴착 위치)을 사용할 수 있지만 하나만 보상됩니다.
이벤트 영역 내에서 다양한 작업을 수행할 수 있습니다(예: 공간 기억, 일화적 기억 및 쌍 연관 학습). 일화적 기억의 효과적인 모델을 개발하는 데 관심을 감안하여 음식을 찾을 수 있는 위치를 매일 변경하는 다음 프로토콜이 개발되었습니다. 이 작업에서 설치류는 이벤트 아레나에서 가장 최근에 음식 보상을 파고 성공적으로 회수하는 이벤트가 어디에서 발생했는지 기억해야 합니다. 아래에 요약된 프로토콜은 쥐가 매일 새로운 장소에서 모래우를 찾는 인코딩 실험을 수반한 다음, 지연 후 리콜 선택 실험을 통해 최근에 인코딩된 모래샘 위치가 보상을 받는 반면, 다른 위치에 있는 다른 대안 모래샘에는 접근 가능한 먹이가 포함되어 있지 않습니다. 전날 음식이 어디에 있었는지 기억하는 것은 도움이 되지 않습니다: 정확한 위치를 매일 적어도 한동안은 암호화하고 기억해야 합니다. 이에 따라 우리는 인간으로서 일상적으로 사용하는 이 작업에서 모델링된 기억의 형태를 포착하기 위해 '일상의 기억'이라는 용어를 도입했습니다. 인간의 일상 기억 예시는 쇼핑몰에서 차를 어디에 주차했는지(그림 1A) 또는 집 주변에서 안경을 내려놓았는지 기억하는 것입니다. 이 프로토콜에서 모든 경기장 내부 및 외부 신호는 일상 생활의 설정(예: 집, 사무실, 주차장 등)에서와 마찬가지로 모두 안정적입니다. 따라서 설치류는 익숙한 환경에서 가장 최근에 어떤 일이 일어났던 곳을 기억해야 합니다(그림 1B). 이 작업은 워터메이즈19의 DMP(Delayed-Matching-to-Place) 작업과 유사하지만 개선된 것입니다. 식욕을 돋우는 작업이기 때문에, 물에서 탈출하려는 욕구 대신 먹이를 찾기 위해 설치류의 자연스러운 행동을 이용한다20. 그러나 watermaze7에서와 같이 올바른 위치와 잘못된 위치를 구별하는 로컬 단서가 없습니다. 동물은 다양한 기억 지연 기간 후에 올바른 모래우물 위치를 찾기 위해 인식보다는 회상을 사용해야 합니다.
그림 1: 일상의 기억. (A) 인간의 일상의 기억. 주차장에 주차된 녹색 자동차를 보여주는 회로도. 잠시 후, 운전자는 그녀가 차를 주차한 위치를 정확히 기억하려고 시도합니다. (B) 동물의 일상 기억. 쥐가 이벤트 아레나 내 위치에 있는 모래우물에서 펠릿을 파고 회수하는 것을 보여주는 설계도. 지연 후, 쥐는 여러 개의 잘못된 sandwells(회색)와 하나의 올바른 sandwell(녹색)이 있는 선택 시험이 제공됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
이벤트 아레나는 이미 '일상의 기억'에 대한 조사에 성공적으로 활용되었습니다. 이러한 기억은 매일 자동으로 암호화되어 장기 기억에 유지되지만 비교적 짧은 시간이 지나면 잊혀지는 경우가 많습니다. Bast 등[14]은 단조로운 지연 의존적 사건 기억을 보여주었는데, 이는 짧은 간격 후의 우수한 기억에서 24시간 후의 우연한 수준까지 다양하다. 그러나, 기억의 보존은 사후 인코딩 참신함 또는 여러 인코딩 시도를 통해 확장된 시도 간격15,17에 의해 성공적으로 향상될 수 있습니다.
이벤트 경기장은 다재다능하고 상대적으로 스트레스가 적습니다. 혐오스러운 자극은 사용되지 않습니다. 경기장의 크기와 경기장이 수용하는 작업은 쥐14,15와 생쥐16 모두에 맞게 조정할 수 있습니다. 또한, 육상 기반 작업으로, 워터메이즈21과 달리 생리학적 기록과 칼슘 이미징 연구에 적합하다. 더욱이, 3R(reduction, refinement, replacement)의 원칙에 따라, 피험자 내 실험 설계가 실현 가능하고(각 동물이 약리학적 개입, 광유전학적 자극 등에 대한 자체 대조군 역할을 함) 동기 부여를 위해 혐오적 자극이 필요하지 않기 때문에 이벤트 영역을 사용하는 연구는 통계적 검정력을 얻기 위해 더 적은 수의 동물을 필요로 합니다. 초기 훈련은 예를 들어 신기성 인식 과제보다 더 많은 시간을 필요로 하고 더 많은 세션에 걸쳐 이루어지지만, 일단 동물이 안정적이고 점근적인 수준의 과제 수행을 달성하면 약물, 차량 제어 또는 광유전학적 자극과 같은 조작이 상대적으로 적은 수의 추가 훈련 세션과 함께 산재할 수 있습니다17. 또한, 표현의 뚜렷한 측면은 과제를 해결할 때 사용되는 공간 표현의 특성과 같이 이벤트 영역에서 직접적인 실험적 통제를 받습니다.
표현의 문제는 쥐가 최근 사건이 발생한 곳을 기억할 때 사용하는 정신적 틀과 관련이 있다18. 음식이 있는 위치를 기억합니까, 아니면 음식에 가는 방법만 기억합니까? 쥐는 경기장 내에서 식욕적 과제를 해결하기 위해 동종중심적(allocentric, 지도와 유사) 또는 자기중심적(egocentric, 신체 중심적) 공간 표현을 사용할 수 있다18. 그러나 작업을 수행할 때 각 실험 대상자가 사용하는 공간 전략을 제어하고 식별하기 위해 하나의 공간 표현만 선택적으로 사용하도록 촉진할 수 있는 고유한 교육 프로토콜이 있습니다. 일반적으로 쥐가 음식 보상을 하루의 시험을 시작한 동일한 위치로 다시 가져갈 때 자기 중심적 기반 표현이 사용되며, 이를 통해 앞뒤로 달리는 동안 보상 위치를 기억할 수 있는 여러 기회를 얻을 수 있습니다. 이 공간 전략은 시작 위치가 매일 변경되는지 또는 일정하게 유지되는지에 관계없이 사용할 수 있습니다. 대조적으로, 동종 중심적 표현은 쥐가 식량 보상을 경기장 측면의 고정된 본거지 위치로 운반해야 할 때 선호되며, 이는 변화하는 시작 위치와 다릅니다. 뇌의 저장 용량과 관련하여 allocentric representations의 많은 장점이 있습니다.
이 논문에서 우리는 동질중심적 표현의 고용만을 장려하는 내거(home-base) 프로토콜에 대해 설명했다. 우리는 이 작업에 대한 대표적인 결과를 제공했는데, 이는 학습 및 기억 조사에서 이 설치류 '일상 기억' 모델을 사용하는 이점을 명확하게 설명하고 일화적 공간 기억의 동질적 표현이 어떻게 촉진될 수 있는지 강조합니다.
이 논문에 설명된 방법은 에든버러 대학교 윤리 검토 위원회(University of Edinburgh Ethical Review Committee)의 승인을 받았습니다. 그들은 1986년 영국 동물(과학적 절차)법과 1986년 11월 24일 유럽 공동체 이사회 지침(86/609/EEC) 법률을 준수합니다.
참고: 아래에 요약된 프로토콜의 실험 대상은 리스터 두건을 쓴 쥐이지만 다른 설치류 균주에 적용할 수 있습니다.
1. 동물 취급, 사육 및 식품 관리
2. 장치 설정
그림 2: 이벤트 경기장 및 큐. (A) 이벤트 경기장을 보여주는 개략도(약어: N= 북쪽, E= 동쪽, S= 남쪽, W= 서쪽). (B) 경기장 내부 및 경기장 외 큐가 있는 이벤트 경기장. (C) 두 개의 3D 경기장 내 큐(왼쪽에서 오른쪽으로): 골프공 스택과 원통형 검은색 병. (D) 여러 3D 경기장 외 큐(왼쪽에서 오른쪽으로): 패턴화된 구형 랜턴; 레드 스타 랜턴; 블루 랜턴. (E) 4개의 블랙박스 중 하나가 각 이벤트 아레나 벽의 중간에 위치합니다. 이 블랙박스 중 3개는 각 실험이 시작될 때 쥐에게 시작 위치를 제공하는 시작 상자 역할을 합니다. 네 번째 블랙박스는 쥐가 투기장에서 얻은 음식 보상을 섭취하는 본거지입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 모래우. (A) 접근 가능한 섹션과 접근할 수 없는 섹션이 표시된 빈 모래우를 보여주는 개략도. (B) 접근 가능한 구역과 접근 불가능한 구역이 있는 빈 모래우. (C) 보상(왼쪽) 및 보상되지 않은(오른쪽) 모래우의 펠릿 배열을 보여주는 개략도. 보상된 모래우와 보상되지 않은 모래우물 모두 총 12개의 펠릿을 포함하고 있으며 모래우물에 펠릿을 숨기는 특별히 준비된 모래로 채워져 있습니다. (D) 접근 가능한 섹션(1-4단계)에 펠릿의 올바른 배치를 포함하여 보상이 있는 모래우의 준비를 보여주는 일련의 사진. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: 이벤트 경기장의 실험 설정. (A) 실험실과 제어실의 실험 설정을 보여주는 개략도. (B) 맞춤형 컴퓨터 소프트웨어를 통해 본 실험실의 실시간 피드를 보여주는 스크린샷. 맞춤형 컴퓨터 소프트웨어를 통해 실험자는 스타트박스 도어를 원격으로 제어하고 다른 측정을 제공할 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
3. 습관화 프로토콜
참고: 습관화되는 동안 쥐는 모래샘을 찾고, 먹이 보상을 파고, 이벤트 경기장을 탐험하도록 훈련됩니다.
그림 5: 습관화 세션의 설계. 왼쪽 열에서 오른쪽 열로: 습관화 세션(H1-H7); 각 세션에 사용되는 스타트박스(예: H1: South startbox(SB)); 쥐가 음식 보상을 먹어야 하는 위치(즉, 북쪽 본거지); 보상된 모래우물(서면 및 그림 형식 모두; p = 펠릿)에서 접근 가능한 펠릿의 위치, 각 세션의 지정된 모래샘 위치에 배치됩니다. 단일 케이지(서면 및 그림 형식 모두)의 평평한 모래 우물에 있는 펠릿의 위치는 파는 행동을 촉진하고 모래우물을 파는 것과 음식 보상을 받는 것 사이의 쥐의 연관성을 강화하는 것을 목표로 합니다. 마지막 두 열은 단일 케이지 (경기장 외부)의 모래 우물을 나타냅니다. 약어: N/A= 해당 없음 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
4. 주요 교육 프로토콜
참고: 각 주요 교육 세션은 두 번의 메모리 인코딩 시험(E1, E2)으로 구성되며, 짧은 시간 지연(~30분) 후 한 번의 회상 선택 시험(C1)이 있습니다. 모든 실험에서 쥐는 보상받은 모래우물에서 두 개의 펠릿을 연속적으로 회수해야 합니다. 각 알갱이를 찾은 후 쥐는 이 음식 보상을 먹기 위해 홈 베이스를 찾아 들어가야 합니다. 올바른(즉, 보상된) 모래우물의 위치는 모든 쥐에 대해 세션 간에 균형을 이룹니다(그림 5).
그림 6: 대표적인 카운터밸런싱. (A) 쥐(예: 쥐 1)가 발견한 모래샘 위치 맵과 정확한 모래샘 위치가 세션에 걸쳐 어떻게 변하는지 보여주는 개략도. (B) 한 세션(예: 세션 1)에 대한 평형표의 예. 단일 세션 내의 각 시도에 대해 다른 시작함이 사용되지만(즉, 남쪽 시작함(SB)에서 시작된 시도 1(E1) 인코딩), 사용 순서는 각 동물(예: 쥐 1-3)마다 동일했습니다. 정확한 위치(예: 위치 2, 4, 3)에 사용된 모래우물과 그에 따른 세트는 회상 선택 시험 중에 완전히 사용되었으며, 각 세션의 시험(예: 인코딩 1, 인코딩 2, 회상 선택)과 작업을 수행하는 동물(예: 쥐 1-3)에 걸쳐 균형을 이루었습니다. (C) 세션 내에서, 그리고 세션 간에 균형을 이루는 모래우물 세트를 요약한 표. 총 15개의 모래우물과 3개의 모래샘 세트(세트 1-3)가 있으며, 각 모래샘에는 5개의 우물(A-E)이 있습니다. 각 랫드는 각 인코딩 및 회상 선택 시험에서 서로 다른 웰을 사용합니다. 예를 들어, 그림 6B에서 언급했듯이 쥐 1은 인코딩 시험 1에서 Sandwell 1A, 인코딩 시험 2에서 Sandwell 1B, 재현 선택 시험에서 Sandwell 2C를 사용합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
5. 프로브 테스트 리콜
6. 비인코딩 제어 테스트
참고: 비인코딩 시험은 쥐가 작업을 수행하기 위해 올바른 모래샘 위치에 대한 기억이 아닌 후각 인공물을 사용하고 있는지 여부를 확인하는 데 사용되는 제어 척도입니다. 이름에서 알 수 있듯이 '비인코딩 대조군 테스트'는 리콜 선택 시도 이전에 수행된 인코딩 시도가 없음을 의미합니다. 리콜 선택 재판만 진행됩니다. 일상의 기억 사건의 위치를 인코딩하는 것이 허용되지 않으면서, 선택 시험에서 쥐의 성과가 우연 수준에 머물 것으로 기대된다. 이것이 사실이 아니고 쥐가 비 인코딩 제어 테스트에서 좋은 결과를 보인 경우 모래 우물과 접근 가능하고 접근 할 수없는 구획을 재 설계해야 할 수 있습니다.
7. 성능 측정
참고: 여러 매개변수가 측정되며 보충 그림 1은 예제 데이터시트를 보여줍니다.
8. 의도하지 않은 편향 방지
참고: 이 일상적인 메모리 작업의 재현성과 신뢰성을 보장하기 위해 프로토콜 전반에 걸쳐 다음 제어 조치가 구현됩니다.
이 안정적인 가정 기반 프로토콜은 동종 중심적 표현을 사용하여 쥐가 이러한 일상적인 기억 작업을 학습하도록 성공적으로 훈련시키는 데 사용되었습니다. 이 프로토콜에는 두 가지 중요한 요소가 있습니다. 첫째, 동물들은 세션 내에서, 그리고 세션 사이에 서로 다른 블랙박스(예: 동쪽, 남쪽, 서쪽)에서 출발합니다(그림 7A). 세션당 두 개의 인코딩 시도와 한 개의 재현율 선택 시도(또는 경우에 따라 선택 시도 대신 프로브 시도)가 있으며, 모두 대체 시작 상자에서 시작합니다. 이것은 동물들이 경기장에 들어갈 때 경기장 내부 및 경기장 밖 신호에 주의를 기울이도록 권장합니다. 올바른 sandwell 위치에 도달하기 위해 각 startbox에서 다른 경로가 필요하기 때문에 작업을 수행하기 위해 idiothetic path integration에만 전적으로 의존하는 것은 불가능합니다. 둘째, 동물들은 북쪽에 위치한 안정적인 본거지에서 먹이 보상 펠릿을 먹는 법을 쉽게 배웁니다. 인코딩 시험과 회상 선택 시험 모두에서 쥐는 땅을 파고 먹이 보상을 받은 다음 매우 자연스럽게 첫 번째 펠릿을 먹기 위해 북쪽 본거지로 다시 달려갑니다(그림 7A). 첫 번째 펠릿을 마친 후 북쪽 상자에서 나와 두 번째 펠릿을 찾습니다. 이것은 첫 번째 펠릿의 경로와는 다른 경로이며 쥐는 올바른 모래우를 성공적으로 재배치하기 위해 방향을 다시 잡아야 합니다. 다시 말하지만, 이것은 동물들이 경기장 내부 및 경기장 밖 신호를 고려하도록 장려하고 동종 중심적 표현의 사용을 촉진합니다.
메모리 형성 : 우리는 먼저 쥐가 이 홈 베이스 프로토콜을 사용하여 안정적인 성능을 달성할 수 있는지 여부를 조사했습니다. 우리는 쥐가 16세션 이내에 이 일상적인 기억 작업에서 우연을 뛰어넘는 우수한 성능을 획득했다는 것을 발견했습니다(그림 7B). 리콜 선택 시험의 성능 지수는 약 80%로 최고조에 달했는데, 이는 안정적인 홈 베이스를 사용하지 않았던 이전의 일상 메모리 프로토콜과 비슷한 성능 수준입니다 14,15,17. 80%가 2가지 대안 강제선택 과제11에서 도달한 90% 이상만큼 좋아 보이지 않을 수 있지만, 이것은 5가지 대안 선택 과제라는 것을 명심해야 한다. 세션 전반에 걸친 성과의 안정성도 인상적이었습니다(일반적으로 <7%). 우리는 또한 이러한 수준의 성능이 두 번의 비인코딩 제어 테스트를 사용하여 두 번의 인코딩 시험 동안 인코딩된 일상 이벤트에 대한 쥐의 기억을 기반으로 하는지 확인하기 위한 조치를 취했습니다. 만약 동물들이 수수께끼 같은 후각 신호에 인공물적으로 의존하고 있다면, 그들의 성능은 우연 수준(50%)을 넘어설 것입니다. 그러나 동물이 두 번의 인코딩 실험에서 마주친 일상적인 사건에 대한 기억에 의존하는 대신 수행이 저조하고 우연 수준(50%)으로 떨어질 것입니다. 이러한 비인코딩 제어 테스트를 수행했을 때 쥐의 작업 수행은 확률 수준으로 떨어졌습니다(그림 7B). 이 결과로부터, 우리는 쥐들이 그 일을 성공적으로 수행하기 위해 일상의 사건에 대한 기억에 의존하고 있었다는 결론을 내렸다.
그림 7: 주요 훈련 프로토콜 및 성과 지표. (A) 일상 기억 과제의 주요 훈련을 위한 실험 프로토콜을 개략적으로 설명한 개략도. 각 주요 교육 세션 동안 두 개의 인코딩 시험(인코딩 시험 1 및 인코딩 시험 2)이 먼저 수행되었습니다. 각 인코딩 실험 동안, 쥐들은 이벤트 경기장 내에 위치한 하나의 정확한(즉, 보상이 주어지는, 녹색) 모래우물에서 두 개의 펠릿(펠릿 하나, 펠릿 하나씩)을 연속적으로 회수하도록 훈련되었습니다. 각 인코딩 시도는 다른 시작 상자(주황색)에서 시작되었습니다. 음식 보상을 회수하기 위해 쥐는 시작 상자(예: 남쪽)를 떠나 올바른 모래우물(녹색)을 찾았습니다. 쥐들이 올바른 모래우물에서 식량 보상을 회수한 후, 그들은 식량 알갱이를 먹기 위해 본거지(북쪽, 파란색)를 찾아 들어갔다. 쥐가 인코딩 시험 2에서 두 번째 펠릿을 회수한 후 30분의 짧은 지연을 경험한 후 리콜 선택 시험이 이어졌습니다. 인코딩 시험 중 다른 시작 상자에서 시작하여 쥐는 이제 여러 개의 잘못된 모래샘(회색)과 하나의 올바른 모래샘(녹색)이 있는 경기장을 만났습니다. (B) 이 안정적인 가정 기지 작업에 대한 쥐의 (n = 17) 획득 데이터를 보여주는 그래프. 쥐는 세션 16(ANOVA)까지 일관되게 우수한 작업 수행을 달성했으며, 이는 세션 70까지 유지되었습니다(위 확률, t-검정, p < 0.05 이상). 두 개의 비인코딩 대조군 시험이 주요 교육 프로그램(분홍색 화살표)의 시작(세션 18)과 끝(세션 68)에서 수행되었습니다. 인코딩 시험이 없었을 때, 쥐들은 저조한 성적을 거두었다: 그들의 평균 수행지수(%)는 확률 수준(50%, t-test, p > 0.05)으로 떨어졌다. 데이터는 SEM± 평균입니다. 이 그림은 Broadbent et al18에서 수정되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
시간 경과에 따른 보존 기간 제한: 이 동종 중심 프로토콜에서 공간적으로 위치한 사건을 쥐가 성공적으로 기억할 수 있음을 확인한 후, 우리는 쥐가 일화와 같은 일상 기억의 특징인 하룻밤 사이에 망각을 보였는지 여부를 테스트했습니다(그림 8A). 우리는 24분과 24시간의 두 번의 체류 지연으로 쥐를 테스트하고 모든 동물이 모든 상태를 경험한다는 피험자 내 패러다임을 사용했습니다. 쥐는 24시간 지연(t(7) = 2.85, p < 0.05)보다 24분 지연 후 올바른 위치에서 파는 데 훨씬 더 많은 시간을 보냈습니다(그림 8B). 일상 기억의 필수 기능인 이 지연 의존적 망각은 우리 임무의 효율성을 승인합니다: 기억이 24시간 동안 감소함에 따라 일상 기억은 이 프로토콜에 의해 효과적으로 모델링될 수 있습니다.
Allocentric 인코딩: 다음으로, 우리는 쥐가 이 기억 회상 작업을 성공적으로 수행하기 위해 경기장 내부 및 경기장 밖 신호에 의존하는지 여부를 조사했습니다. 두 번의 인코딩 시험 후와 리콜 프로브 시험 전에, 경기장 주변에 커튼을 쳐서 모든 경기장 내부 및 경기장 밖 신호를 제거한 다음 경기장을 시계 반대 방향으로 45° 회전했습니다. 모든 단서(경기장 내 및 경기장 밖)가 숨겨지거나 제거된 프로브 시험에서 쥐의 작업 수행은 확률 수준(t(7) = 3.37, p < 0.05)으로 현저히 떨어졌습니다(그림 8C, D). 이 결과는 홈 베이스를 사용하면 쥐가 동종 중심적 공간 전략을 사용하도록 효과적으로 장려한다는 것을 강력하게 시사합니다. 또한, 기존 연구에서는 이 행동 과제를 실행하는 데 참여한 모든 실험자가 쥐의 수행 능력을 유사하게 기록했는지 확인하기 위해 실험자 간 상관 관계도 수행했습니다18.
그림 8: 리콜 프로브 테스트 프로토콜 및 결과. (A) 리콜 프로브 테스트 세션을 위한 실험 프로토콜을 보여주는 개략도. 쥐는 두 번의 인코딩 시험에서 훈련을 받았으며 24분 또는 24시간 지연 후 5개의 모래우를 제공받았습니다. (B) 일상 기억의 특징적인 지연 의존적 감소를 보여주는 그래프. 24분의 지연 후, 인코딩된 이벤트에 대한 쥐의 기억은 확률 수준(t (7) = 2.92, p < 0.05)보다 현저히 높았고 24시간(t (7) = 2.85, p < 0.05)과 유의하게 달랐다. *P < 0.05. 데이터는 SEM± 평균입니다. 개별 데이터 포인트도 표시됩니다. (C) 공간 전략을 평가하는 데 사용되는 프로브 테스트의 프로토콜을 보여주는 개략도로, 모든 경기장 내부 및 외부 단서가 커튼 뒤에 숨겨지거나 제거되고 경기장이 45° 회전했습니다. 인코딩 시험은 일반 프로브 테스트에서 수행된 것과 동일하게 실행되었습니다(그림 8A, 즉, 모든 환경적 단서가 존재함). 인코딩 시험 2와 리콜 프로브 시험 사이의 지연은 24분이었으며 리콜 프로브 시험을 위해 모든 환경 신호가 제거되었습니다. (D) 이벤트 경기장의 환경 단서가 있거나 없는 프로브 테스트 결과를 보여주는 그래프. 경기장 내부 및 경기장 밖 신호를 제거했을 때, 쥐는 모든 환경 신호가 존재할 때 관찰된 것보다 120초 프로브 시험에서 관찰된 비율이 현저히 낮았으며(t (7) = 3.70, p < 0.05) 올바른 모래우를 파는 것이 좋지 않았습니다. *P < 0.05. 데이터는 SEM± 평균입니다. 개별 데이터 포인트도 표시됩니다. 이 그림은 Broadbent et al18에서 수정되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
보충 그림 1: 인코딩 시험 1, 인코딩 시험 2 및 단일 세션의 리콜 선택/프로브 시험 동안 단일 쥐의 성능을 기록하는 데 사용되는 기록 시트의 예. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
인간은 일상 생활에서 단일 이벤트를 자동으로 인코딩합니다. 우리는 어떤 사건은 쉽게 기억하고 다른 사건은 잊어버립니다. 위에서 설명한 일화적 기억 프로토콜은 설치류에서 이러한 유형의 기억(일화적 기억)을 조사하고자 하는 연구자에게 강력한 방법을 제공합니다. 이 작업은 지정된 위치에서 음식 알갱이를 찾아 검색하는 일상적인 행위를 포함하기 때문에 먹이를 찾는 설치류의 자연스러운 본능이 이용됩니다. 이 과제는 매일 바뀌는 특정 장소에서 먹이를 찾고 파내는 행위가 쥐를 위한 사건이라는 합리적인 가정에 기초합니다.
일화적 기억은 시간과 장소의 사건에 대한 통합 기억으로 간주됩니다. 인식 기억9을 연구하는 방법으로 자발적인 새로운 물체 인식이 도입된 후, Dix와 Aggleton23의 연구에 중요한 정교함이 추가되어 위치와 맥락을 추가적인 연관 속성으로 추가했습니다. 그 후로 랭스턴(Langston)과 우드(Wood)의24 년 연구가 삼중 연관으로서의 대상-장소-맥락에 대한 연구를 포함하여 더 많은 발전이 있었다. 이는 중요한 접근 방식이지만 모두 인식 메모리에 의존합니다. 이벤트 경기장은 인식 기억에만 의존하는 것이 아니라 회상 작업이기 때문에 개념적으로 구별되는 개발을 나타냅니다. 어떤 사건(먹이를 파는 것)이 전날 일어난 장소와 다른 특정 맥락에서 최근에 발생한 장소를 기억하기 위해, 동물은 다른 모래우물과 그 모래우물을 구별하는 어떤 지역적 단서도 없이 경기장 가장자리의 시작 위치에서 오늘의 위치에 접근해야 합니다. 통합된 장기 기억은 가치가 없으며 빠르게 변화하는 최신성 효과만 있습니다. 우리는 이 프로토콜이 안경이 놓였을 수 있는 위치를 묘사하는 일련의 물체 또는 이미지 중에서 선택하는 것보다 최근에 안경을 내려놓은 위치를 기억하는 것과 같은 일시적 회상과 훨씬 더 유사하다고 판단합니다. 그러나 우리는 예를 들어 Dix and Aggleton23 혁신과 같은 방식으로 컨텍스트 특이성에 대한 테스트가 부족하다는 한계가 있음을 알고 있습니다. 그러나 아직 발표되지 않은 연구에서 우리는 쥐가 뚜렷한 미로 외 단서가 있는 두 개의 별도 경기장에서 이벤트 경기장 작업을 수행할 수 있으며 각 상황에서 올바른 위치에서 모래 우물을 성공적으로 찾을 수 있음을 보여주었습니다.
일상 기억을 위한 동종 중심의 일화적 유사 프로토콜은 신뢰할 수 있고 재현 가능하다18. 위의 대표적인 결과에서 알 수 있듯이, 이 프로토콜은 동질중심적 공간 표현(allocentric space representation)의 사용을 효과적으로 장려함으로써 쥐가 작업을 수행하기 위해 사용하는 공간 전략과 관련된 모호성을 효과적으로 배제합니다(그림 8C, D). 이것은 쥐가 경기장에서 회수한 보상 펠릿을 먹을 수 있는 안전하고 접근 가능한 장소라는 것을 배우는 고정식 홈 베이스를 사용하여 달성됩니다. 따라서 그들은 경기장 내에서 동물의 위치에 관계없이 홈 베이스를 쉽게 찾을 수 있도록 이 공간의 동종 중심적 표현을 사용하여 이벤트 경기장 내에서 자신의 위치를 배우도록 동기를 부여합니다. 지정된 홈 베이스를 가짐으로써, 경기장에는 세션 전반에 걸쳐 동위축적으로 일정한 목표 위치가 있습니다. 쥐는 이 본거지의 위치를 알아내고, 식량 보상을 가지고 동종 중심적 신호(경기장 내 및 경기장 외)를 사용하여 경기장의 열린 필드 환경을 탐색하고 홈 베이스, 즉 어둡고 안전한 환경을 찾아 올바른 모래우물에서 얻은 식량 보상을 먹습니다. 이전에는 안정적인 홈 베이스의 구현이 동종 중심적 공간 전략(allocentric spatial strategy)의 사용을 성공적으로 장려하는 것으로 나타났습니다18. 대조적으로, 매일 일어나는 장소, 즉 올바른 모래우물에서 음식 알갱이를 찾아 파내는 장소는 매일 다릅니다. 쥐는 안정적인 영역의 동종 중심적 표현을 활용하는 샘플 시험의 기억을 인코딩하도록 권장되며, 회상 시험은 이 메모리 인코딩의 효과를 테스트하는 곳입니다.
쥐는 올바른 모래우물에서 가져온 음식 보상을 이 학습된 위치로 자연스럽게 운반합니다. 동종 중심(allocentric strategy)의 사용을 장려하는 이 일상 기억 프로토콜의 또 다른 특징은 각 시도마다 다른 시작 상자 위치(예: 동쪽, 남쪽, 서쪽)를 사용하여 특정 경로를 기억할 수 없고 올바른 모래 우물을 성공적으로 찾기 위해 추가 시도에서 사용할 수 없다는 것입니다. 대신, 동물들은 동종 중심적 공간 참조 프레임을 사용하여 경기장을 탐색하고, 올바른 모래 우물(스타트 박스 또는 홈 베이스에서)을 찾고, 그날 음식을 찾는 일상적인 사건이 어디에서 일어나고 있는지 기억합니다.
훈련 초기 단계에서 저조한 성적을 거두는 것은 혼합된 공간 전략이거나 순전히 자기 중심적인 공간 전략을 나타냅니다. 그러나 이 전략을 사용하는 동물은 프로토콜의 요구 사항에 적응하고 곧 동종 중심적 참조 틀을 사용하기 시작합니다. 이 설치류 일상 기억 모델을 개선하고 이전 모델보다 더 신뢰할 수 있게 만드는 것은 고정된 홈 베이스의 사용입니다.
이 본거지 측정의 무결성과 동종 중심적 공간 전략의 효과적인 장려가 달성되고 유지되도록 하기 위해 몇 가지 필수 통제 조치와 중요한 단계가 이 프로토콜에 통합되었습니다. 첫째, 쥐가 후각 신호를 사용하여 작업을 성공적으로 수행하고 선택 시험에서 올바른 모래샘을 정확하게 식별하기 위해 경기장 내에서 접근 가능한 펠릿과 접근할 수 없는 펠릿이 들어 있는 모래샘을 채우는 데 사용되는 모래의 무게를 각 세션이 시작될 때 다시 무게를 측정하고 일정량의 가람 마살라 분말을 일상적으로 첨가했습니다. 또한, 올바른 모래샘과 잘못된 모래샘이 냄새로 구별되는 것을 방지하기 위해, 올바른 모래샘을 포함한 경기장의 모든 모래샘은 접근 가능 여부에 관계없이 동일한 총 펠릿 수를 보유하고 있습니다. 그리고 각 시험 사이에 경기장 바닥을 70% 에탄올 용액으로 청소하여 향후 작업 수행에 영향을 미치는 시각적 또는 냄새 흔적을 방지했습니다. 둘째, 이 프로토콜에 의해 일상 기억이 효과적으로 모델링될 수 있도록 5개의 모래샘 위치를 자세히 설명하는 모래샘 지도를 매 세션마다 수정하고 각 쥐의 올바른 모래샘 위치를 세션 간에 변경했습니다(그림 6). 이러한 신중한 균형 조정은 이러한 일상 기억 모델의 성공에 필수적입니다.
장기간의 교육 절차가 이 행동 프로토콜의 주요 강점이지만 소요되는 시간으로 인해 절차적 제한이 발생할 수 있습니다. 일반적으로 쥐는 양호하고 안정적인 수준의 성능을 달성하기 전에 약 16회의 주요 훈련이 필요합니다. 그러나 이 수준을 달성하고 유지하기 위해서는 일관된 작업 수행에 영향을 미치고 방해할 수 있는 몇 가지 다른 요인을 제어해야 합니다. 여기에는 다음이 포함됩니다: (1) 적절한 수준의 음식 결핍(정상 체중의 85%-90%)을 유지하는 것; (2) 실험 기간 내내 설치류의 생활 조건이 일정하게 유지되도록 하는 것; (3) 구조화된 교육 일정을 유지하여 휴식이나 일정에 대한 방해를 최소화하면서 매일 교육이 이루어집니다. 프로토콜에서 언급했듯이 실험 재현성은 매우 중요합니다. 이 논문 전반에 걸쳐 우리는 실험의 순서와 사용된 모래우물 지도를 결정하는 다양한 균형 측정 방법, 전체 후각 인공물 예방, 몇 가지 뚜렷한 대조 실험의 추가를 포함하여 이 일상 기억 프로토콜의 신중한 설계를 강조했습니다. 다른 실험자가 동일한 쥐로 실험을 수행하고 비슷한 수준의 성능을 얻을 수 있다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 이 일상 기억 모델을 사용한 이전 연구에서, 실험자 간 비교 데이터는 동일한 탐사 시험 동안 각 모래정에서 쥐의 파기 시간 점수에 높은 상관관계가 있음을 보여주었습니다18. 또 다른 한계는 하루에 두 개 이상의 다른 이벤트(예: 음식 찾기 vs. 물 찾기)를 갖는 것에 대해 아직 탐구하지 않았다는 것입니다. 리콜 시 이벤트 차별은 프로토콜에 정교함을 더할 수 있지만 향후 작업의 주제입니다.
이 프로토콜의 또 다른 하이라이트는 다양한 랫드 균주를 사용할 수 있다는 사실입니다. 이 연구에서는 대표적인 결과에서 리스터 두건을 쓴 쥐를 사용하여 작업을 수행했다고 보고한 반면, 다른 실험(데이터는 표시되지 않음)은 다른 쥐 균주(예: 티로신 하이드록실라제 형질전환 쥐)를 사용했으며 여전히 양호하고 안정적인 성능 지수(%)를 달성했습니다. 이 프로토콜은 또한 피험자 내 실험 설계를 수용하기 위해 의도적으로 개발되어 3R(Reduction, Refinement, and Replacement)의 값과 호환되는 동물 모델을 만듭니다. 이는 실험에서 동물을 사용하는 것을 둘러싼 중요한 윤리적 고려 사항에 대한 틀을 제공하고 다양한 실험적 개입에 반응합니다. 예를 들어, 우리는 이 프로토콜을 약물 조작, 광유전학 및 칼슘 이미징과 함께 사용하여 메모리 인코딩 및 회상(데이터는 표시되지 않음)을 성공적으로 조사했습니다.
이 프로토콜은 동물의 빛 단계에서 우리 실험실에서 수행되었습니다. 이벤트 아레나에서 유사한 작업을 사용하여 이전 연구12에서 우리는 쥐의 밤/암흑 단계에서 실험을 수행했는데, 부분적으로는 이 연구가 하룻밤 동안 통합과 관련이 있을 가능성이 높기 때문입니다. 그러나 이 시기 이후로 우리는 밝은 단계에서 여러 이벤트 아레나 작업을 수행했으며 밝은 단계와 어두운 단계 13,15,16,17 간에 행동 차이가 발견되지 않았습니다. 빛의 위상은 여러 면에서 더 실용적이며, 그럼에도 불구하고 동물의 야간 단계 동안의 훈련에는 동물이 동종 중심적 코딩과 관련된 신호를 볼 수 있도록 훈련실에 불을 켜는 것이 포함됩니다. 이것은 단순히 가벼운 단계에서 훈련함으로써 피할 수 있는 모호성을 만듭니다.
또한, 약한 인코딩 및 강한 인코딩 시험을 이 일상 기억 프로토콜에 적용하여 서로 다른 강도의 일화적 및 공간적 기억을 조사할 수 있습니다. 현재 프로토콜에서는 두 번의 인코딩 시도를 사용했지만 인코딩 시도 횟수는 연구원이 다른 메모리 조작에 맞게 조정할 수 있습니다.
결론적으로, 우리의 안정적인 홈 베이스 프로토콜은 일화적 표현과 같은 일상 기억을 위한 강력한 설치류 모델을 제공하며, 이는 동종 중심적 표현의 사용을 촉진하고 이전 프로토콜에 존재했던 공간 전략 모호성을 피합니다. 우리는 이 프로토콜이 일상 기억의 신경생물학에 대한 향후 연구를 위한 신뢰할 수 있고 재현 가능한 테스트 베드를 제공한다고 확신합니다.
저자는 공개할 이해 상충이 없습니다.
이 연구는 의학 연구 위원회 프로그램 보조금, 유럽 연구 위원회(ERC-2010-AdG-268800-NEUROSCHEMA), 웰컴 트러스트 고급 조사자 보조금(207481/Z/17/Z)의 지원을 받았습니다.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Camera | CCTVFirst | N/A | |
Event Arena | University of Edinburgh (designed and built in house) | University of Edinburgh (designed and built in house) | Event arena for everyday memory task |
Lister-hooded rats | Charles River UK | 603 | |
Multitimer Labview | University of Edinburgh (designed and built in house) | University of Edinburgh (designed and built in house) | |
Pneumatics, frames, screws of event arena | RS Components Ltd. | University of Edinburgh (P. Spooner) | Tools for building event arena |
Sandwells | Adam Plastics (http://www.adamplastics.co.uk) | University of Edinburgh (P. Spooner) | Sandwells for arena |
Startboxes | Adam Plastics (http://www.adamplastics.co.uk) | University of Edinburgh (P. Spooner) | |
Video recording | Windows 10 computers with OBS software, Blackmagic Decklink Mini Recorder cards | N/A |
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