感覚統合と認知制御実験のための完全に自動化されたげっ歯類エアコンプロトコル

Summary

げっ歯類オペラントコンディショナー完全に自動化されたプロトコルが提案されている。プロトコルは、感覚運動統合と認知対照実験の基礎となる、この制御に影響を与える神経活動への広がりを調査するために、行動のイベントの正確な時間的制御に依存しています。

Abstract

げっ歯類は、伝統的に、認知、感覚、および運動タスクの無数を含む実験室実験における標準的な動物モデルとして使用されてきた。このような意思決定や注意の変調のような感覚応答を正確に制御する必要が高い認知機能は、しかし、一般的にヒト以外の霊長類で評価されます。これらの関数の複数のバリエーションを研究することを可能にする霊長類の行動の豊かさにもかかわらず、げっ歯類モデルは、霊長類モデルに魅力的な、費用対効果の高い代替のまま。これらの複雑な機能の広い範囲を勉強しながら、さらに、完全にげっ歯類でオペラント条件付けを自動化する機能は、ヒト以外の霊長類の労働集約的な訓練のユニークな利点が追加されます。

ここでは、ワーキングメモリタスクを実行する上でoperantlyコンディショニングラットのためのプロトコルを紹介する。タスクの重要なエポックの間、プロトコルが動物の明白な動きはのrequによって最小化されることを保証する囲碁キューは、非ヒト霊長類実験計画に似て配信されるまで 'FIXATE'に動物·配線。シンプルな2代替強制選択タスクが性能を発揮するために実装されます。私たちは、他のタスクにこのパラダイムの適用を議論する。

Introduction

神経生理学と行動との関係を研究することは、システム神経科学の究極の目標です。歴史的には、動物モデルの選択と行動レパートリー^1-5の間にはトレードオフがあった。ウミウシのような単純な生物は⁶またはイカ⁷つのイオンチャネル、ニューロンおよび単純な神経回路の特性を研究するために広く使用されてきたが、より高次の種は、例えば、空間ナビゲーションのようなより複雑な機能を研究するために必要とされ^、8〜11および認知意思決定^{12月14日を}制御します。行動のような人間のための標準的な動物モデルであるにもかかわらず、ヒト以外の霊長類の使用は^{、15〜18の}設定、単一の実験室での実験の広い範囲での使用を排除し、コストと倫理的配慮を求めるメッセージが表示されます。例えば、げっ歯類など単純な動物モデルは、一般に、それらが関心対象の挙動の基礎となる類似の神経基盤を有して設けられ^、19が好ましい。

">げっ歯類、霊長類^20-22に見られるものと同様の皮質及び皮質下の構造を共有することを示唆する十分な証拠があります。げっ歯類も泡立て調整し、スニッフィングすることにより、例えば、それらの作用^{23-25 ​​を}導くために、複数の感覚様相を介して情報を統合することが知られている探索行動²⁶中または聴覚と視覚/嗅覚イベント^25,27を統合し。

ここでは、認知課題^28〜32をテストするために使用されるげっ歯類のオペラント条件付けのためのフレームワークについて説明します。このフレームワークでは、被験者はnosepokeホール内固定すると、外出先キューのプレゼンテーションまで、穴の内側に自分の鼻を維持するために必要とされています。行動タスクは、従来から5の選択肢の連続反応時間課題研究のために使用される5孔nosepoke設計である。遅延期間中に、命令キューの範囲は、アクションを実行する対象を導くために提示される。このフレームワークは簡単に合わせて変更することができます短い間隔にわたっての明白な動きを最小限に抑えるために被験体を訓練する実験の広い範囲が必要である。これは、個々のニューロンのスパイク活性はこの間隔の間に特定の手がかりによって影響される程度を研究が可能になる。プロトコルは、トレーニング時間を最小限に抑えることができ、横断被写体学習ばらつきを低減することができる。タスクの概略フローチャートを図1に示す。

Protocol

動物に関わるすべての手続きは、ミシガン州立大学施設内動物管理使用委員会（IACUC）によって承認された。

1。実験装置

1. 片側に5ホールのnosepoke壁と反対側の食品配達谷で構成されていオペラント条件付けボックスを使用します。
   1. 中央nosepokeホールが「固定」ホールと4他の穴（固定穴の両側にある2）と考えられているが、モータ目標穴と考えられている。各孔は、三色LED及び動物が入り、固定孔から退避するときを検出する赤外線ビームエミッタ - 検出器システムを備えている。
   2. ミリ秒の精度を持つ単一周波数トーンを生成し、それをオペラント箱の中に取り付けられたスピーカーに接続するために、プログラム可能な音源を使用してください。適切なソフトウェアを使用して、行動追跡システムを通じて音源とnosepokesを制御します。ハードウェアとSOFTWを使用行動イベントや手がかりと応答の制御、ミリ秒の時間スケールのモニタリングを提供するシステムである。
      注：トーンとノイズの両方手がかりの振幅が約60±3デシベルSPLを保つ必要があります。

2。初期の馴化

1. 被験者の正常体重（ 例えば 3日間にわたって）の100グラム当たり〜5グラムまで徐々に被験者の食物摂取を制限します。被験者は、自分の自由摂取体重の85から90パーセントを維持する必要があります。
2. 実験者が取り扱いの対象を慣らすと絶食プロトコルを開始する最初の日からの装置を用いて、被写体を読ん。動物の取り扱い開始し、ケージを探索し、報酬の配信場所に慣れるために、被写体を奨励するために、ペレットトラフにおける食物ペレットを提供しながら、オペラント条件付けボックスに入れてください。

3。対象トレーニング

1. 一般的な注意事項
   1. ここで提案タスクが遅延期間および移動実行時の動きを最小限に抑え、聴覚信号の認識との間の正確な調整を必要とします。
   2. 徐々に、最終的な目的の動作のためにそれらを準備するために、被写体のステップバイステップを訓練。
   3. 各ステップの終了時に、被写体が次のステージに進む前に、少なくとも3つの連続した​​セッションのための> 75％の行動性能を維持していることを確認してください。
   4. 最終段階に達すると、パフォーマンスが望ましいレベルに維持されていることを確認するために週のためのプロトコル上に被写体を保つ。
2. 開始：nosepoke穴、食品供給口と点滅穴と報酬との関連付けで対象をよく理解。
   1. ランダムなスケジュールで4つのターゲットのうち、いずれかを選択します。
   2. ゴーキュー（ホワイト聴覚ノイズ）を再生すると、（0.3秒のパルス持続時間）が点滅孔内にLEDを保つ。
   3. Sを設定穴への訪問時に対象に報いるためにoftware。
   4. タイムアウト30秒後に裁判ホールを訪れ、新たな試みを開始していない場合。
   5. 間違った穴への訪問を報いるしないでください。
3. ターゲット選択：選択されていない穴に誤った訪問を処罰。
   1. 間違った穴への訪問時には、黒のアウトの5秒間に続く裁判を終了します。
      注：ブラックアウトエポックの間、固定孔LEDは、ケージにオフされる。これは、被験者が治験を開始することができないことを意味し、LEDが点滅し、固定穴まで待つ必要があります。
   2. 新しい穴を選択し、新しいトライアルを開始します。
4. Nosepoke：裁判を開始するために固定穴の内側に突く件名をトレーニングします。
   1. 固定穴の中に黄色のLEDが点滅。
   2. 固定穴を訪問するとすぐに行くキューを再生し、新しい試みを開始します。
   3. 5秒で不正な訪問を罰する;暗幕の。
5. 遅延：トレーニングが進行するにつれて徐々に増加する時間（遅延時間）の期間を定めて固定孔の内部に鼻を維持するために被験体を教える。
   1. 固定穴を訪問する対象のを待ちます。
   2. 対象は、500ミリ秒以内に退避させる場合には裁判を終了します。それ以外の場合は、移動キューを再生します。
   3. 7秒間ブラックアウト期間で時期尚早撤回を罰する。
   4. 食物ペレットを提供することで、正確な訪問を報いる。
6. （ランプ付）二つの手がかり：増加と遅延期間の長さをランダム化し、聴覚の命令キューをご紹介します。
   1. 1.5秒の平均に遅延期間の長さを増加させる。
   2. 1.3〜1.8秒の間に均一な密度に基づいて、各試行でランダムな遅延期間の長さを選択します。
   3. 150ミリ秒のパルス持続時間、三つ子でパルス単一周波数の聴覚音として命令キューを導入し、100ミリ秒のパルス間隔。
      1. 被写体が固定穴に入った直後の命令キューを再生します。
      2. 各ターゲットへの2つの命令キューを割り当てます。
      3. 唯一のこの段階ではターゲットごとに関連付けられている1のキューを使用します。
   4. 被験者がターゲットホールを選択して、両方の聴覚と視覚的な手がかりを使用してみましょう。
7. （ランプなし）二つの手がかりのみ聴覚手がかりを使用するには、被写体をトレーニングします。
   1. 被写体が唯一の聴覚命令キューを使用するように、ターゲットホール内LEDの点滅をオフにします。
8. 四手がかり：ランダムに提示された命令キューとリピートのセクション3.5.3-3.6.1の配列を他の二つの手がかりを導入する。

4。行動データ解析

1. 成功率：試行の総数で割ったターゲットへの正しい訪問数の割合として成功率を定義します。
2. エラーの種類：
   1. 時期尚早の後退：タイムアウトにより固定穴からの早期撤回に試験の割合を測定します。
   2. コミッションエラー：対象は、無知なターゲットにアクセスすると失敗した試行の割合を計算
   3. 不作為エラー：対象は、トライアル開始後のターゲットのいずれかを訪問していない場合にエラーの割合を計算します。
3. 測定された変数：
   1. 反応時間（RT）：各試行では、囲碁のキューの開始および固定穴から後退主題間の遅延を測定します。
   2. ターゲットへの時間（TT）：対象の固定穴から後退し、ターゲット穴に入るまでの期間を測定します。

Representative Results

提案されフレームワークは、認知課題の範囲に被写体を訓練できます。ここでは、げっ歯類の前頭前野における目標指向行動のメカニズムを調査するために設計された指示の遅延タスクを実装しました。 図1は、実験計画のフローチャートを示す。

被験者が各ステップでタスクの要件を理解していることを確実にするために、業績指標を継続的に評価されるべきである。 図2は、複数のセッションにわたって1主題の例のパフォーマンスを示しています。被験者がタスクを取得したら、それを（内側前頭前皮質に相当）縁前方のエリア内の32チャネル微小電極アレイを移植した。マルチユニット活動と局所電場電位（LFPは）を記録した。単一のニューロンスパイク列を標準スパイクソーティング技術³³とタスクのさまざまなエポックに関連したイベントがマークされたを使用して単離した。3および図 <強い> 4は、タスクの重要なエポックの間に選択的に複数の単一ユニット変調のいくつかのサンプルの結果を示す。

図1。試験中のアクションとイベントのシーケンスを示すサンプル試験のフローチャート。対象固定穴の中に鼻を突くことで裁判を自己開始します。簡単に言えばnosepoke後に、命令キュー（単一周波数のトーン）が、遅延期間が続く再生されます。被写体が移動キューのプレゼンテーションまで、固定穴の中に鼻を維持するために必要とされている。どんな時期尚早後退は裁判がタイムアウトによって中止されるようにして被写体を蹴るが発生します。ランダムな長さの遅延期間の後、ゴーキュー（聴覚ホワイトノイズ）が提示され、被験者はtowarを自由に動くことがされている指示対象DS。失敗した試験は15秒間タイムアウトになっている間に成功した試験は45 mgの食物ペレットによって報われています。 拡大画像を表示するには、ここをクリックしてください 。

図2行動パフォーマンススコアは、複数のセッションにわたって測定した（a）の成功率は、すべてのセッションの合計数の試行に成功した試行の数の比として定義される。結果は、14のレコーディングセッション全体で十分に訓練された主題のために示されている。エラータイプの（b）の分布。時期尚早の後退は、Goキューの前に初期の後退で発生します。コミッションエラーが指示された1とT以外の任意のターゲットを訪れるように定義されている被写体が移動キューから5秒以内にいずれかのターゲットに到達していないときに彼抜けエラーが発生します。 （c）の反応時間のヒストグラム-別のトライアルを横切る反応時間の分布を示す-囲碁キューの発症および対象のうち頑丈固定孔ビーム間の期間。 （D）を標的とするための時間のヒストグラム-固定穴を抜け出し、ターゲット穴に壊すまでの期間- 。異なる試験間で対象とする時間の分布を示す拡大画像を表示するには、ここをクリックしてください 。

図3。サンプル試験からの神経生理学データ。対象はTをマスターした後、彼は少なくとも1週間、高いパフォーマンスレベルを維持し、タスクとは、内側前頭前皮質（のmPFC）の縁前方のエリアに32チャンネル微小電極アレイおよび複数の単一ユニット活動は、局所電場電位とともに記録して移植した。 22同時に記録単位（各行が単位であり、各ドットが1スパイクを表す）のラスタープロットと一緒にLFP変化のサンプルトレースが表示されます。行動イベントのマーカーもまたトレースの上にプロットされている。これらのトレースは、Goキュー（ここでは図示していない分析）した後に運動意図の高い予測力を発揮。 拡大画像を表示するには、ここをクリックしてください 。

感覚キュー	空間的なターゲットの場所
1キロヘルツ	右
2キロヘルツ	右
4キロヘルツ	左
8キロヘルツ

表1。命令キューの割り当て。表には、各命令のキューに割り当てられた対応するモータ目標を示している。

感覚キュー	空間的なターゲットの場所
1キロヘルツ	右
2キロヘルツ	右
4キロヘルツ	左
8キロヘルツ	左

表2。トレーニングタイムテーブル。テーブルには、（3〜4ヶ月齢）成体雌SDラットのために、各被験者に費やさトレーニングセッションの長さ（2トレーニングセッション/日）を示している。

プロトコル	A24	A25	A26	A28	A29	平均
スタート	4	2	4	4	4	3.6
TargetSelection	3	5	5	4	4	4.2
Nosepoke	8	7	9	5	2	6.2
遅延	8	8	5	4	3	5.6
（ランプ付）二つの手がかり	5	4	5	5	2	4.2
（ランプなし）二つの手がかり	10	7	9	11	17	10.8
四キュー	13	12	14	18	11	13.6
	51	45	51	51	43	48.2

Discussion

ラットは広く世紀以上神経科学の研究に用いられてきた。猫³⁴効果の法則の概念のソーンダイクの導入以来、オペラント条件付けは動物の行動のさまざまな側面をテストするための標準的なアプローチとなっている。意思決定と運動の準備を含む多くの神経科学の実験は、命令キューとアクションの間隔の間の遅延時間が含まれています。これは、取得されたデータの神経への交絡を低減するために、これらの遅延期間の間の動きを最小限に抑えることが望ましい。げっ歯類における従来の迷路のナビゲーション実験は食品の飼料にするげっ歯類 '偉大な能力を活用しながら、それらは動物が実行動きによって制限されるため、このような意思決定とモータの企画など、より複雑な問題をテストするために使用することはできません。迷路タスクは、被験者が急速に移動することを学ぶように実装するのは簡単ですが、あからさまな行動は、タスクの各段階の間に制限されていない（ 例：

ここでは、げっ歯類における視覚的注意の研究に触発された柔軟なフレームワークを説明した。我々は提供されている代表的な結果は、動物は、複数の感覚手がかりが単一のモータ目標に関連している場合でも、タスクを学ぶことができることを実証している。この設計は、運動行動をガイドするために使用されるワーキングメモリの容量を試験するために選択した。プロトコル内で最も重要なステップは、遅延期間の全期間のための固定穴の中に自分の鼻を維持するために、被写体を訓練することです。

前頭領域が往復多くの皮質及び皮質下領域、行動イベントの正確なタイミングに接続され、取得された神経のデータに業者イベントのタイミングを同期させることは潜在的な交絡のリスクを軽減することができるからである。 （このようなnosepokeまたはキュー·トリガとして）行動イベントのコンピュータに自動化された登録は、ミリ秒の精度で発生する可能性があります。対象movemeのビデオトラッキングヌクレオチドも行うことができ、データは、神経活動および行動の間の正確な相関関係を提供すること、行動イベントと同期させることができる。

げっ歯類のより複雑な認知能力は、このパラダイムを用いて研究することができる。例えば、我々はむしろ空間ナビゲーションよりも聴覚の感覚モダリティで遅延マッチ·トゥ·サンプルタスクの齧歯類バージョンを実装するためにそれを使用している。被験体は、一致するキューに続いて試料聴覚信号で頭出しし、マッチング判断に基づいて、ターゲットの位置を決定しなければならなかった。

トラブルシューティング：

実験計画の実施は、コンピュータソフトウェアを使用して非常に簡単で、対象者は約25〜30のトレーニングセッションを介してタスクを習得することができるはずです。このスケジュールからの逸脱はモチベーションの欠如、またはによって生じ得る混乱が原因である可能性があります。

1. 不正確な聴覚トーン周波数：デザインは非常に依存している指示合図のピッチのENT。実験者は、音声出力の周波数や音の振幅の両方をチェックする必要があります。
2. 食品送達は：被験者がタスクを実行するために動機付けされていない場合に、しばしば、食品送達システムは、報酬送達システムを離脱した可能性のある欠陥の可能性についてチェックされるべきである。

要約すると、大規模なアンサンブルの記録と刺激の技術の進歩は、ミリ秒の精度でアクションの準備と実行の基礎となる神経回路を測定し、尋問有効にしている。げっ歯類は、認知タスクおよび齧歯類に合わせ技術の利用可能性を実行する能力を与えられたこのような研究のために使用される異なる動物種間で最良の候補の一つである。この資料に記載されたプロトコルは、アクションの準備と実行の認知側面についての具体的な質問に答えるために実験を設計するために役立つことがあります。

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
5-holed Nose Poke with 3 Stim Cue Light Rat Cage	Coulbourn	H21-06M/R
Test cage	Coulbourn	H10-11R-TC
Graphic State Software	Coulbourn
Programmable tone/noise generator	Coulbourn	A12-33
Dustless precision pellets	Bio-Serv	F0165
Speaker module	Coulbourn	H12-01R