ErasmusLadderの実験手順(Testing procedure with ErasmusLadder)

ErasmusLadderテストでは、74ペアのラング(横木)からなる水平のはしごを歩くマウスが必要です。ラングは高段と低段が交互に切り替わります。ラングにはタッチセンシティブセンサーが装備されているため、システムはラダー上のマウスの位置を検出し、フロントの足の位置を決定します。

はしごを歩く(Walking the ladder)

ラングは戦略的に特定の距離をおいて配置されています。原則として、マウスは高い方のラングが最も歩きやすいため、低段を使用した時にはミスステップとして定義されます。野生型マウスおよび突然変異マウスが誤ったラング(低いラング)を踏む間に、いくつかのトレーニングセッションの後、突然変異マウスは常に課題を完了することができたことを示しています。

ErasmusLadder

ゴールボックスからはしごへの入り口のクローズアップ。
 
ErasmusLadder

高低に配置されたラング。

マウスの動機づけ(Motivating the mouse)

水平ラダーはゴールボックスから始まり、ゴールボックスで終わります。 明るい光があれば、フォトフォビックマウスは現在のゴールボックスを離れて、もう一方の暗いゴールボックスに向かって歩きますが、しかしこれだけでは歩く動機が十分ではない場合があります。(マウスは自分のデバイスに残しておくと、一時停止し、はしごや逆方向の探索をし始めます。 )これに対処するために、ErasmusLadder装置には加圧式エアーアウトレットが含まれています。吹き抜けにより、確実にマウスが動いてラダーを一貫して歩行するようになります。

エラスムスラダーによるテスト手順(Testing procedure with ErasmusLadder)

ErasmusLadderテストの標準プロトコールは、Erasmus Medical Center(オランダ、ロッテルダム)で開発され、各動物について、1日に1回、8回のセッションが含まれています。各セッションには42のランが含まれています。これらのうちの半分は、運動能力および運動学習を経時的に評価するものであり、残りの半分は、具体的には、チャレンジテストにおける連合運動学習を評価するものです。プロトコルについては以下でご説明いたしますが、ライトやエアキューのタイミングを調整するなど、トライアルの回数や構成を変更してテストをカスタマイズできます。

ErasmusLadder

マウスはガラス板の間ではしごを渡ります(緑色と赤色の線)。
 
ErasmusLadder

ラングには感圧センサーがあり、ErasmusLadderはマウスのステップパターンを記録します。

セッションの様子(What a session looks like)

各トライアルは、ErasmusLadderソフトウェアによって完全に制御されます。 実験計画がソフトウェア内で行われると、ソフトウェア内から取得が開始されます。 装置は、どのマウスがディスプレイ上の次のセッションのために予定されているかを示し、ゴールボックスの1つにマウスを置くと、セッションが自動的に開始されます。

ゴールボックスから離れる(Leaving the goal box)

セッションの開始時、キューライトがオンになる前に「タイムアウト」があります。マウスがキューの後の一定の時間(5秒間を示す標準的なErasmus MCプロトコル)の後にゴールボックスを離れない場合、加圧空気が吹き付けられることで、マウスははしごに向かって押され、歩き出します。「タイムアウト」中はマウスはゴールボックスを離れてはいけないため、エスケープしようとした場合は反対方向からの空気の流れによって動物をゴールボックスに押し戻されます。

最初の4つのセッション:効果的に交差することを学ぶ(Learning to cross efficiently)

通常、最初のセッション(Erasmus MCプロトコルでは4つ)を使用して、マウスが効率的にラダーを歩き、モーター性能を測定するように教えています。

マウスがゴールボックスを離れ、はしご上で検出されるとすぐに、第2の空気の流れがマウスに逆風をもたらし、連続的にはしごを歩くように刺激します。一定の逆風を確実にするために、空気流の圧力は、距離に対して調整されます。 ランは反対側のダークゴールボックスに動物が入ると終了します。その後、空気は停止し、反対方向の次の走行の前に「タイムアウト」期間が開始します。

取得された1つのセッションからのすべてのデータが処理された後、データは処理のためにErasmusLadderソフトウェアに送り返されます。ソフトウェアは自動的に装置をリセットし、次のマウスが始動する準備ができます。

運動性能と運動学習のテスト(Testing motor performance and motor learning)

ミスステップの回数とこれが連続したトライアルを通してどのように変化するかは、運動学習の尺度となります。野生型マウスはよりゆっくり歩き、足をより注意深く置くため歩行時間が長くなることを示しています。これは、モーターチャレンジされたマウス(Cupidoのケースでは、神経変性疾患である脆弱なX関連震え/運動失調症のモデルであった)と比較して、誤解を少なくしています。結局、脆弱なXマウスは、野生型マウスと比較して、運動能力(ラダーを横切ることの学習効率)の差を示す段階のパーセンテージを示しました。

最後の4セッション:リフレクティブモーター学習のテスト(Testing reflexive motor learning)

ErasmusLadderを使用すると、反射的な運動学習のパラダイムが実行され、小脳の学習の評価が可能になります。パラダイムは、実行中にチャレンジ(障害物)を導入することを含みます。このパラダイムでは、条件付き刺激と無条件刺激を使用します。CSは、米国を発表するトーンから構成されています。これは、足を入れる予定の横丁のすぐ前に、マウスの歩行面の12mm上に障害物(高層階段)が突然現れることです。標準のErasmus MCプロトコールでは、4回の無刺激セッションで訓練された後、4回のセッションでマウスにチャレンジします。

小脳の検査(Testing the cerebellum)

Erasmus MCプロトコルでは、トーンと障害物の間のタイミングは250msです。つまり、トーンが聞こえるまでに次のラングに向かって動き出しています。障害物を避けるために、動物はその動きを変えなければなりません。このためには、小脳の適切な機能が重要です。

個々固有の(Specific to the individual)

このパラダイムの重要な特長は、障害ラングを上げることは、その特定のトライアルでその特定のマウスの個々のステップパターンに基づいていることです。 このソフトウェアは、リアルタイムでデータを処理し、実行の開始時に動物がどのように動いているかを計算し、その結果、その足をいつどこに配置するかを予測します。 このようにして、1つのラングが正確な時刻に上げられます。事前に、このイベントのトーンがマウスに警告されます。 このソフトウェアは、同じバリアが連続して実行されないようにします。

再び、データは各セッションの後にコンピュータに送り返されます。そこでは、選択、視覚化、分析、保存、およびエクスポートが可能です。

連合運動学習における機能障害(Dysfunction in associative motor learning)

正常な連合運動学習スキルを持つマウスは、障害を避けることができないと試行錯誤し、それに応じて足踏みパターンを調整します。 野生型マウスは、音を聞いた直後にステップタイムを減少させる(彼らの速度を増加させる)ことを示しています。 これは連合運動学習能力の証拠です。 彼らの研究では、これらの結果を、脆弱X症候群のモデルである突然変異株由来の結果と比較しました。 脆弱なXマウスは、摂動した(挑戦した)セッションにおいて、ErasmusLadder上で明らかな運動学習障害を示しましたが、訓練セッション中のステップ時間または誤ったステップには有意な差はありませんでした。

ErasmusLadderで測定できること

  • モーター性能:ステップの持続時間とステップのタイプ(例えば、ミスステップ)
  • 運動学習:連続した試行にわたってパラメータの変化
  • 連合運動学習:条件付き刺激と対になる障害物を動物がどのように扱うか学習する