「迷路」の版間の差分

　迷路は動物の空間や場所に関する[[学習]]能力や、これを支える記憶を測定するための装置である。主に[[wikipedia:ja:げっ歯類|げっ歯類]]（[[wikipedia:ja:ラット|ラット]]や[[wikipedia:ja:マウス|マウス]]）を対象とした[[行動神経科学]]、[[生理心理学]]の実験、および[[遺伝子改変動物]]の行動評価に用いられる。空間と場所は、実験場面や研究者によって用語が使い分けられているが、実験操作的には同じ手続きのもと調べられる。  

　動物の迷路学習の最初の研究は、[[wikipedia:W. S. Small|W. S. Small]]<ref>'''W S Small'''<br>Experimental study of the mental processes of the rat II.<br>''American Journal of Psychology'':1901,12;206-239</ref> によるもので、この研究で用いられた迷路は、[[wikipedia:ja:ハンプトン・コート宮殿|ハンプトン・コート宮殿]]の迷路をもとに作製された。スタート地点とゴールの間に、6か所の分岐と5つの袋小路をもつ複雑な構造であったが、走行経験とともに袋小路に入るエラーが減少した。同様の迷路を用いて、ラットがどのように迷路課題を解決しているかが検証された<ref>'''H Carr, J B Watson'''<br>Orientation in the white rat.<br>''Journal of Comparative Neurology and Psychology'':1908,18,27-44</ref>。[[視覚]]、[[嗅覚]]、[[聴覚]]、[[洞毛]]からの情報を遮断しても成績が悪くならなかった。しかし、訓練後に迷路の一部の走路を短くすると、それ以前に訓練されたラットが短縮された走路の壁にぶつかったことから、ラットは感覚情報ではなく、[[wikipedia:ja:筋|筋]]運動の連鎖を学習して課題解決していると考えられた。

　その後の研究では、迷路学習に必要な認知機能と関連脳部位を明らかにするために、より単純化された迷路が使用されるようになった。[[wikipedia:ja:カール・ラシュレー|Lashley]]<ref>'''K Lashley'''<br>Brain mechanisms and intelligence: A quantitative study of injuries to the brain.<br>''University of Chicago Press'':1929</ref>の「Ⅲ型迷路」は3つの選択点をもつ単純な構造で、出発地点から左、右、左へ曲がると報酬にたどりつける(図1)。この課題をラットに学習させた後に[[皮質]]の様々な部位を損傷し、同じ課題のテストを行った。再学習の成績は、損傷の場所に関わらず、損傷の量が大きくなるにつれて悪くなった。Lashleyは脳における記憶のありかをつきとめることはできなかったが、[[学習]]の脳基盤を明らかにしようとしたこの研究は、記憶の神経心理学研究の先駆けとなった。  

:　餌のありかについての学習、すなわち場所学習を測定する最もシンプルな課題である。訓練に先だって装置馴致を行い、動因操作として通常自由摂食時の85％の体重を維持する餌を与える。訓練では、いずれかの選択走路の先端の報酬皿にペレットや[[wikipedia:ja:ショ糖|ショ糖]]溶液などの報酬を置き、動物が出発走路の先端から分岐点まで移動した後、左右の走路のどちらを選択するかを観察する。報酬のある走路の選択を正反応、報酬のない走路への侵入を誤反応とする。誤反応の後、同一試行内で正しい走路の選択を許す場合を修正法、修正を許さない場合を非修正法と呼ぶ。訓練により、動物は常に報酬のある走路を選択するようになり、報酬の位置についての場所学習が成立したとみなされる。

:　ただし、スタート地点が固定され、かつ報酬が常に同じ走路にある場合、特定の方向に曲がるといった筋感覚の学習（反応学習）による解決も可能である。どちらの学習が行われたかを検証するためには、180度迷路を回転させて、訓練とは反対側からスタートさせるテスト試行が必要である。訓練試行とは逆方向に曲がり、実験環境における絶対的に同じ位置を選択した場合、場所学習が行われていたとみなされる。ラットは反応学習よりも場所学習を行うことの方が多いといわれている<ref><pubmed>15391108</pubmed></ref>。  

:　自然環境において、以前に訪れて餌を採取した場所には餌がないため、異なる場所を探索することが効率のよい採餌である。場所非見本合わせ課題はこのような反応傾向を測定する課題であり，その実験手続きは、見本試行と選択試行で構成される<ref><pubmed> 7126316 </pubmed></ref>。見本では左右どちらかを強制選択（片側走路はブロック）させ、報酬を与える。その後、選択試行では左右の走路を自由選択させ、見本段階で選んでいない走路に入ることを正反応とし、正反応の場合には報酬を与える。この課題は反応を左右の走路間で交替することにより報酬を得ることから、交替行動とみなされることもある。これまで[[海馬]]損傷により、この課題の成績が悪化することから、場所非見本合わせ学習が海馬依存であると考えられてきた<ref><pubmed>10751449</pubmed></ref>。最近の[[ノックアウトマウス]]を用いた研究により、交替行動そのものには[[AMPA型グルタミン酸受容体]]サブユニットGluA1が関与するという知見が得られている<ref><pubmed>21125585</pubmed></ref>。

:　自発的交替行動の観察には，実験者の介入が少ない120°Y迷路での連続試行型の実験が望ましい。15分程度の探索を許し、どの走路をどのような順番で選択したかを記録する。3回連続で異なる走路に入った数が総選択数中どれだけの割合であったかが交替率となる（下記式参照）。<br>交替率（%）=交替行動数 ÷（総選択数－2）×　100　<ref><pubmed>21860534</pubmed></ref>。

:　正常なラットやマウスは、既に訪れた走路よりも、まだ訪れていない新たな走路を選択する傾向があり、交替率が高くなる。[[スコポラミン]]や[[アンフェタミン]]の投与により、同一走路を連続して選択する行動が現れると、交替率は低下する<ref>'''C L Richman,W N Dember,P Kim '''<br>Spontaneous alternation in animals: A review.<br>''Current Psycholocial Research and Reviews'':1987,5,358–391</ref>。

:　手掛り弁別課題には、[[単純弁別課題]]、[[同時弁別課題]]、[[継時弁別課題]]があり、T迷路やY迷路を用いてこれらを行うことができる。

 

:　古くから海馬損傷動物が同時弁別課題ではなく継時弁別課題の学習障害を示すことが報告されている<ref><pubmed>4438558</pubmed></ref>。しかし，手掛りがスタート走路だけでなく選択走路の分岐点においても明示されている場合、海馬損傷動物も継時弁別の学習が可能であることが最近報告されている<ref><pubmed>15317854</pubmed></ref>。  

:　この課題では全ての走路の先端に報酬がある。全ての報酬を効率よく獲得するために、動物は既に餌を獲得した走路を避けるようにしながら、まだ訪れていない走路を選択する。10試行程の訓練により、8回の選択で8個の報酬全てを獲得することができるようになる。このことから、動物はその試行において既に訪れた走路の位置を装置外刺激との関係において記憶していると考えられた。この記憶は場所に関する記憶を要し、かつ、その試行のみに有効な記憶であるため、[[空間作業記憶]]とみなされる<ref>'''D S Olton,R J Samuelson'''<br>Remembrance of places passed: Spatial memory in rats.<br>''Journal of Experimental Psychology: Animal Behavior Processes'':1976,2,97–116</ref>。ただし、この[[作業記憶]]は実験手続き上の操作的定義であり、[[中央演算処理]]を要するヒトの作業記憶とは区別されるべきである。ラットにおいて空間作業記憶課題獲得後の海馬[[NMDA型グルタミン酸受容体]]阻害により、本課題の遂行障害が生じることが報告されている<ref><pubmed> 9507170 </pubmed></ref>。

:　この課題では半数の走路の先端に報酬がある。効率よく報酬を獲得するには、動物はその試行で既に選択した走路はどこであるかについての記憶（空間作業記憶）と報酬が置かれている走路、又は置かれることのない走路はどこであるかについての記憶（空間参照記憶）の両方を用いることが要求される。<ref>'''D S Olton,B C Papas'''<br>Spatial memory and hippocampal function.<br>''Neuropsychologia'':1979,17,669–682</ref>。8方向放射状迷路の場合、40試行程度の訓練により、動物は報酬のない走路を選択しないで、報酬のある走路のみに一度だけ訪れるようになる。  

:　迷路の周囲をカーテンで囲み装置外刺激の利用を制限した上で、走路に視覚や触覚的に異なる手掛板を敷き、特定の手掛り板の走路に報酬を置く。この課題では、空間情報処理の要因を排除して、手掛りと報酬の連合学習（手掛り参照記憶）とすでに訪れた走路の作業記憶（手掛り作業記憶）を測定することができる。参照記憶に関しては、海馬損傷により空間参照記憶は障害されるが、手掛り参照記憶には影響がない。一方、作業記憶に関しては、海馬損傷により空間作業記憶と手掛り作業記憶の両方に障害が生じる。したがって、海馬は空間認知と作業記憶の両方の機能に関与していると考えられる<ref><pubmed>6439229</pubmed></ref>。  

:　逃避台は水面下の定位置に逃避台が沈められている。プールの水は不透明で、沈められた逃避台は見えない。逃避台は動物の頭を壁側に向け、仮想の東西南北の1か所からスタートさせ、逃避台に到達するまでの時間（逃避潜時）を測定する。試行を繰り返すうちに、動物は逃避台の位置を憶え、短時間で逃避台に到達できるようになる。ビデオトラッキングによる遊泳の軌跡の分析を行うと、訓練初期には壁沿いに円を描くような軌跡やプール全体にランダムに広がる軌跡が見られるが、20試行程度行うと、どのスタート地点から出発しても逃避台まで直線的な軌跡が描かれる。これは動物が装置外刺激との関係において逃避台位置を学習したためである。このような課題は場所課題と呼ばれる。場所学習が成立したかどうかは、プローブテストにより確認することができる。このテストでは逃避台を取り去り、プールを扇形に4分割して各象限での遊泳時間を計測する。学習が成立していると、訓練時に逃避台のあった位置の横断回数が多く、その象限で泳ぐ時間も長くなる。この課題は[[空間参照記憶]]のみを要する課題で、空間作業記憶を考慮する必要がないため、1日複数回の訓練が可能である。また、ノーマルな動物において学習が早く成績が安定しているため幅広い分野で用いられている。海馬破壊やNMDA受容体の阻害はいずれも課題の獲得障害をもたらすが、獲得後の再訓練においては海馬破壊が課題の遂行障害をもたらすのに対し、NMDA型グルタミン酸受容体の阻害は遂行を妨げない<ref name="morris"><pubmed>2552039</pubmed></ref>。  

:　逃避台は水上に出ており、泳ぎながら逃避台を見ることができ、見える目標地点まで泳ぎつくことを訓練する。この課題は複雑な学習要素を含んでおらず、視覚、動機づけ、運動能力に異常はないかを確認するために使用される。スタート地点と逃避台の位置関係は試行ごとにランダムに変化するように設定する。装置外刺激の存在は混乱要因となるので、プールの周囲をカーテンで囲み、装置外の刺激を利用できない状況下で訓練を行う。通常、海馬損傷やNMDA受容体阻害によりこの課題の学習障害は生じない。ただし、感覚運動障害を引き起こす投与量のNMDA型グルタミン酸受容体[[阻害薬]]の投与は、手掛り課題の学習障害をもたらす <ref><pubmed>7477321</pubmed></ref>。  

:　見かけの等しい見える２つの逃避台の位置関係を弁別させる空間課題である。2つの逃避台のうち、一方を逃避可能な正の逃避台、他方を逃避不可能な偽の逃避台に割り当てる。正の逃避台は訓練を通じて同じ位置にあるが、偽の逃避台は試行ごとに異なる位置に移動する。動物は移動する逃避台を避け、常に一定の位置にある逃避台を選択することが求められる。NMDA型グルタミン酸受容体阻害により空間弁別課題の学習障害が生じる。この障害は，訓練以前の課題の学習経験とは関係なく、新しい環境で訓練を行うと生じることが報告されている<ref><pubmed>15839801</pubmed></ref>。  

:　見かけの異なる2つの逃避台を視覚的性質の違いにより弁別させる課題である。プールの周囲をカーテンで囲み、装置外の刺激を利用できない状況下で訓練を行う。外観の異なる2つの逃避台（例えば、灰色と白黒縞模様）のうち、一方を逃避可能な正の逃避台、他方を逃避不可能な偽の逃避台に割り当てる。逃避不可能な偽の逃避台はバネや糸で底面とつながれており、動物がこれに登ることができない。スタート地点と2つの逃避台の位置関係は、試行ごとにランダムに変化する。海馬損傷やNMDA受容体阻害は視覚弁別課題の学習は妨げない<ref name="morris" />  

:　逃避台位置が1日の複数試行においては変化しないが、翌日には異なる位置に逃避台を移して訓練を行うという課題である。各訓練日の第1試行が見本試行となり、動物は迷路内をランダムに泳ぎ、逃避台を探す。それ以降の試行が選択試行となる。各訓練日の第1試行で潜時が長いが、第2試行以降の潜時は大きく短縮される。これは、第1試行において逃避台到達後に周囲を見渡すことにより、この位置で逃避できたというイベント記憶が形成されることによる。この記憶は翌日には有効でないため、作業記憶とみなされる場合もある。第1試行と第2試行の逃避潜時の短縮の度合い（節約率）が評価される。また、第1試行と第2試行の間の試行間間隔を操作することにより、脳損傷や薬理学的処置、その他の実験的処置による記憶障害の遅延依存性について評価することができる。海馬損傷ラットでは15秒遅延条件においても障害を示すが、NMDA型グルタミン酸受容体阻害ラットは20分以上の遅延条件で障害を示すことが報告されている<ref><pubmed>10226773</pubmed></ref>。