Studies on the effects of reward on spatial working memory in mice

Abstract

The effect of reward on the working memory process has long been studied regarding the various aspects of reward. In mice, several working memory studies using the delayed alternation paradigm have been focused on how reward magnitude influences the memory performance. However, differences in the experimental protocols and the test environments have led to producing incongruent results, making it difficult to establish a solid theory. Therefore, in this study, we developed the modified version of a delayed alternation task to reliably measure the working memory performance in mice. Specifically, we achieved this by providing reward in the habituation session, expanding and overlapping the handling and the habituation session, increasing the number of task trials, installing side walls on both sides of the test apparatus and introducing lateralization bias tests. As a result, we demonstrated that the average alternation rate was improved, while the standard error of the mean (SEM) and the lateralization bias decreased. Moreover, we showed that the task difficulty can be increased by extending the length of delay interval. Then based on the modified test scheme, we investigated the difference in the spatial working memory task performance between differently rewarded groups of mice. Also we briefly checked whether the c-fos expression of the prelimbic (PL) region in medial prefrontal cortex (mPFC) is related to the reward intensity and the working memory performance, since the region is known to be related to spatial working memory and reward. We found that different reward intensity does not affect the alternation rate of mice as well as the c-fos expression in the PL region. These results suggests that reward intensity rarely affect spatial working memory and the mPFC activation in the delayed alternation task with a short delay interval. The modified version of a delayed alternation task developed in this study and the results from its application may contribute to research in memory and reward system, and hopefully, to cognitive diseases and educational study.

작업 기억 과정에 관여하는 보상의 효과는 보상의 다양한 측면에서 오랫동안 연구되어 왔다. 생쥐에서는 지연 교대 패러다임을 바탕으로 한 여러 작업 기억 연구에서 보상 강도가 기억력 과제 수행에 어떤 영향을 주는지에 대해 연구가 이루어졌다. 하지만 실험 방법이나 실험 환경상의 차이들은 상이한 결과들을 불러왔으며, 보상의 효과에 대한 확실한 이론 정립을 어렵게 하였다. 이에 따라 본 연구에서 우리는 생쥐에서 안정적으로 작업 기억을 측정하기 위해 수정된 지연 교대 과제를 개발하였다. 구체적으로 우리는 습관화 단계에서 보상을 주고, 핸들링과 습관화 단계의 기간을 각각 늘리고 서로 겹쳐지게 하며, 과제 수행 횟수를 늘리고, 실험 도구의 양 옆에 벽을 설치하고, 측면 편향 테스트를 도입함으로써 이를 달성하였다. 그 결과, 우리는 평균적인 교대 율이 향상되고 표준오차와 측면 편향이 감소한다는 것을 보였다. 추가적으로 우리는 지연간격의 길이 증가에 의해 과제 난이도가 상승될 수 있다는 것을 보였다. 그리고 수정된 실험 방법을 토대로 우리는 서로 다른 정도의 보상을 받는 생쥐 그룹들을 대상으로 공간 작업 기억 과제 수행의 차이에 대해 연구하였다. 또한 우리는 공간 작업 기억 및 보상과 관련되어 있다고 알려진 내측전전두엽의 하부영역인 변연전영역에서 c-fos 발현이 보상 강도 및 작업 기억 과제 수행과 관련되어 있는지 간단히 조사하였다. 우리는 서로 다른 보상 강도가 생쥐의 교대 율에 영향을 주거나 변연전영역의 c-fos 발현을 변화시키지 못한다는 것을 발견했다. 이러한 결과는 짧은 지연간격이 있는 지연 교대 과제에서 보상의 강도가 공간 작업 기억과 내측전전두엽의 활성에 거의 영향을 주지 않는다는 것을 제시한다. 본 연구에서 개발한 지연 교대 과제 및 이 방법을 토대로 한 결과는 기억 및 보상 시스템에 대한 연구에 기여하고 나아가 인지 질환 및 교육 연구에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.