Summary
Der foreslås en fuldautomatisk protokol for gnaver operant betingning. Protokollen bygger på præcis tidsmæssig styring af adfærdsmæssige begivenheder til at undersøge, i hvilket omfang denne kontrol påvirkninger aktivitet underliggende integration neurale sensomotoriske og kognitiv kontrol eksperimenter.
Abstract
Gnavere har traditionelt været anvendt som en standard dyremodel i laboratorieforsøg, der involverer et utal af sensoriske, kognitive og motoriske opgaver. Højere kognitive funktioner, der kræver præcis kontrol over sensomotoriske reaktioner såsom beslutningstagning og opmærksomhedsgraden modulation, er imidlertid typisk vurderes i ikke-humane primater. På trods af den rigdom af primat adfærd, der tillader flere varianter af disse funktioner, der skal undersøges, det gnaver model forbliver en attraktiv, omkostningseffektivt alternativ til primatmodeller. Desuden evnen til fuldt ud at automatisere operant konditionering i gnavere tilføjer unikke fordele i forhold til arbejdskraft intensiv uddannelse af ikke-humane primater, mens de studerer en bred vifte af disse komplekse funktioner.
Her introducerer vi en protokol for operantly conditioning rotter på at udføre arbejder hukommelse opgaver. Under kritiske epoker i opgaven, sikrer protokollen, at dyrets åbenlys bevægelse minimeres ved requlektrisk dyret til 'Fiksér ", indtil en Go cue leveres, beslægtet med human primat eksperimenterende design. En simpel to alternative tvunget valg opgave er gennemført for at påvise præstationer. Vi diskuterer anvendelsen af dette paradigme til andre opgaver.
Introduction
Undersøgelse af forholdet mellem neurofysiologi og adfærd er det ultimative mål i systemer neurovidenskab. Historisk set har der været en afvejning mellem dyremodel valg og adfærdsmæssige repertoire 1-5. Mens simple organismer som søpølser 6 eller blæksprutter 7 er blevet brugt i udstrakt grad til at studere egenskaber af enkelt ionkanaler, neuroner og simple neurale kredsløb, der er højere orden arter nødvendig for at studere mere komplekse funktioner såsom rumlig navigation, beslutningstagning 8-11 og kognitiv kontrollere 12-14. Trods en standard dyremodel for menneskelig opførsel, brug af ikke-humane primater beder omkostninger og etiske overvejelser, der udelukker deres anvendelse på tværs af en bred vifte af eksperimenter i et enkelt laboratorium indstilling 15-18. Enklere dyremodeller såsom gnavere er generelt foretrækkes 19, forudsat at de har lignende neurale substrater underliggende adfærd af interesse.
"> Der er rigeligt med beviser tyder på, at gnavere deler lignende kortikale og subkortikale strukturer som dem, der findes i primater 20-22. Gnavere er også kendt for at integrere information på tværs af flere sensoriske modaliteter til at vejlede deres indsats 23-25, for eksempel ved at koordinere røre og snuse under udforskende adfærd 26 eller ved at integrere auditive og visuelle / olfaktoriske begivenheder 25,27.Her beskriver vi en ramme for operant konditionering af gnavere anvendt til at teste kognitive opgaver 28-32. Inden for disse rammer er emner, der kræves for at fiksere inde i en nosepoke hul og vedligeholde deres snude ind i hullet indtil præsentationen af en go cue. De adfærdsmæssige opgave er en fem-hullers nosepoke design, der traditionelt anvendes til 5-choice seriel reaktionstid opgave studier. Under forsinkelsen frist en række instruktion tidskoder præsenteret til at lede emnet at udføre en handling. Denne ramme kan nemt tilpasses tilder er behov for en bred vifte af forsøg, hvor uddannelse emnet at minimere sin åbenlys bevægelse over et kort interval. Dette tillader at studere, i hvilket omfang spiking aktivitet af individuelle neuroner er påvirket af særlige signaler i dette interval. Protokollen kan minimere træningstid og kan reducere tværs variation læring. Et skematisk rutediagram af opgaven er vist i figur 1.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alle procedurer, der involverer dyr blev godkendt af Michigan State University Institutional Animal Care og brug Udvalg (IACUC).
1.. Forsøgsopstilling
- Brug en operant konditionering boks, som består af en fem-hul nosepoke væg på den ene side og en fødevare levering trug på den modsatte side.
- Centret nosepoke hul betragtes som en "fiksering" hul og de fire andre huller (to på hver side af fikseringen hul) betragtes motor target huller. Hvert hul er udstyret med en trefarvet LED og en infrarød stråle emitter-detektor, der registrerer, når dyret kommer ind og trækker fra fiksering hul.
- Brug en programmerbar tone generator til at generere enkelt frekvenstoner med millisekund præcision og tilslutte den til en højtaler monteret i operant kassen. Styr tone generator og nosepokes gennem adfærdsmæssige tracking system ved hjælp af den relevante software. Brug en hardware og softwer system, der giver millisekund tidsskala overvågning af adfærdsmæssige begivenheder og styring af køer og svar.
Bemærk: Amplituden af både tone og støj signaler bør holdes omkring 60 ± 3 dB SPL.
2.. Tidlig Tilvænning
- Begræns fagets fødeindtagelse gradvist til ~ 5 g per 100 g fagets normal vægt (fx i løbet af 3 dage). Emnet bør opretholde 85-90% af deres ad libitum vægt.
- Vænne emnet til håndtering af forsøgslederen og sætte emnet med apparatet fra den første dag for at starte den mad afsavn protokollen. Start håndtering af dyret og placere den i operant betingning kassen samtidig med foderpiller i pillen trug at tilskynde emne at udforske buret og blive fortrolig med belønning for levering.
3.. Emne Træning
- Generelle bemærkninger
- Opgaven her foreslåede brug præcis koordination mellem opfattelsen af en auditiv cue, minimerer bevægelser under forsinkelsen periode og udførelse bevægelse.
- Gradvist træne emne trin-for-trin til at forberede dem til den endelige ønskede adfærd.
- Sørg for at der ved afslutningen af hvert trin, emnet fastholder> 75% adfærdsmæssige ydeevne til mindst tre på hinanden følgende sessioner før går videre til næste fase.
- Når den sidste fase er nået, holder emnet på protokol for en uge for at sikre udførelsen holdes på det ønskede niveau.
- Start: Gør motivet med nosepoke huller, mad levering havnen og sammenhængen mellem de blinkende huller og belønning.
- Vælg en af de fire mål for en tilfældig tidsplan.
- Spil Go cue (en hvid auditiv støj) og holde LED inde i hullet blinkende (0,3 sek puls varighed).
- Indstil software at belønne emnet på besøg i hullet.
- Time-out forsøget efter 30 sek hvis hullet ikke bliver besøgt og starte en ny retssag.
- Må ikke belønne nogen besøg til de forkerte huller.
- Target Selection: Straf fejlagtige besøg til de ikke valgte huller.
- Ved besøg på forkerte huller, afslutte retssagen efterfulgt af 5 sek af black-out.
Bemærk: Under et black-out epoke, er fiksering hul LED slukket i buret. Det betyder, at emnet ikke kan starte en retssag og har brug for at vente, indtil fikseringen hul LED begynder at blinke. - Vælg et nyt hul og starte en ny retssag.
- Ved besøg på forkerte huller, afslutte retssagen efterfulgt af 5 sek af black-out.
- Nosepoke: Træn motivet til at stikke ind i fiksering hul til at starte en retssag.
- Flash en gul LED inde i fiksering hul.
- Efter besøger fiksering hul straks spille Go cue og starte en ny retssag.
- Ukorrekte besøg ved 5 sek; Af black-out.
- Forsinkelse: Lær motivet til at opretholde deres næse inde fiksering hul for en fastsat periode (forsinkelse), som gradvist øges som træning skrider frem.
- Vent til emnet til at besøge fiksering hul.
- Afslut retssagen, hvis motivet trækker inden for 500 msek. Ellers spille Go cue.
- Straffer tidlige retractions af en sort-perioden for 7 sek.
- Beløn de korrekte besøg ved at levere en fødevare pellet.
- To Stikord (med lys): Forhøjelse og randomisere forsinkelse periode længde og indføre det auditive instruktion cue.
- Øge længden af forsinkelse til et gennemsnit på 1,5 sek.
- Vælg en tilfældig forsinkelse periode længde på hvert forsøg er baseret på en ensartet tæthed mellem 1,3-1,8 sek.
- Indfør instruktion cue som en enkelt frekvens auditive tone pulseret i tripletter, med en impulsvarighed på 150 msek oginterpulse interval på 100 msek.
- Afspil instruktion cue umiddelbart efter emne ind i fiksering hul.
- Tildel to instruktion signaler til hver af målene.
- Brug kun én cue knyttet til hvert mål på dette stadium.
- Lad motivet bruge både auditive og visuelle signaler for at vælge målet hul.
- To Stikord (uden lys): Train emnet til kun at bruge auditive signaler.
- Sluk de blinkende lysdioder inde målet huller, så at emnet kun ville bruge auditive instruktion signaler.
- Fire Stikord: Indføre de to andre stikord til sekvensen af tilfældigt præsenteret instruktion tidskoder og gentag sektioner 3.5.3-3.6.1.
4.. Behavioral Dataanalyse
- Succes Rate: Definer succesrate som den procentdel af korrekte besøg på mål divideret med det samlede antal forsøg.
- Fejltyper:
- Tidlig tilbagetrækning: måle den procentdel af forsøg tidsbestemt ud på grund af tidlige tilbagetrækninger fra fiksering hul.
- Provision fejl: Procentdelen af mislykkede forsøg, når emnet besøger en instruerede mål
- Udeladelse Fejl: Procentdelen af fejl, når motivet ikke besøge nogen af målene efter retssagen indvielse.
- Målte variabler:
- Reaction Time (RT): Til hvert forsøg, måle forsinkelsen mellem starten af Go cue og emnet udkørsel af fiksering hul.
- Tid til Target (TT): Mål varigheden mellem motivet dementi fra fiksering hullet og ind i målet hul.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Den foreslåede ramme muliggør træning af emnet på en række kognitive opgaver. Her har vi implementeret en instrueret forsinkelse opgave designet til at undersøge mekanismerne i målrettede handlinger i gnaver præfrontale cortex. Figur 1 viser et flowchart af det eksperimentelle design.
For at sikre at emnet forstår opgaven kravet ved hvert skridt, bør ydeevne foranstaltningerne bør vurderes løbende. Figur 2 viser et eksempel udførelsen af et emne på tværs af flere sessioner. Når man opnået opgaven, blev implanteret med en 32 kanals mikroelektrode array i det prelimbic område (svarende til den mediale præfrontale cortex). Multiunit aktivitet og lokale feltpotentialer (storformatprintere) blev registreret. Enkelt neuron spike togene blev isoleret ved hjælp af standard spike sortering teknikker 33 og arrangementer, der er forbundet med forskellige epoker af opgaven blev markeret. Figur 3 og <strong> 4 viser nogle eksempler på resultater af selektive multiple enkelt enhed modulationer under kritiske epoker af opgaven.
Figur 1.. Flowchart af en prøve forsøg viser sekvens af handlinger og begivenheder i en forsøgsperiode. Emnet selv indleder en retssag ved at stikke næsen ind i fiksering hul. Kort efter nosepoke er en instruktion cue (en enkelt frekvens tone) spiller efterfulgt af en forsinkelse. Emnet er forpligtet til at opretholde næsen inde i fiksering hullet indtil præsentation af Go cue. Enhver for tidlig tilbagetrækning vil medføre, at forsøget skal afbrydes, og motivet bliver straffet af en time-out. Efter en ventetid på tilfældig længde, en Go Cue (auditiv hvid støj) fremlagde, og motivet er fri til at bevæge towards den instrueres mål. Vellykkede forsøg bliver belønnet med en 45 mg foderpellet mens mislykkede forsøg er timet ud i 15 sek. Klik her for at se større billede .
Figur 2.. Adfærdsmæssige ydeevne scoringer målt over flere sessioner. (A) Succes rate er defineret som forholdet mellem antallet af vellykkede forsøg til det samlede antal forsøg i hver session. Resultaterne er vist for en fuldt uddannet emne på tværs af 14 studieoptagelser. (B) Fordeling af fejltyper. For tidlig tilbagetrækning sker med tidlig tilbagetrækning før Go cue. Kommissionens fejl defineres som besøger en anden end den, der blev instrueret og t målhan optræder undladelse fejl, når motivet ikke nå til nogen mål inden for 5 sek fra Go Cue. (C) Et histogram af reaktionstid - perioden mellem starten af Go cue og fagets bryde ud fiksering hul stråle - viser fordelingen af reaktionstiden på tværs af forskellige forsøg. (D) Et histogram af tid til at målrette - perioden mellem at bryde ud af fikseringen hul og bryde i målet hul -. Viser fordelingen af tid til at målrette på tværs af forskellige studier Klik her for at se større billede .
Figur 3.. Neurofysiologi data fra en stikprøve retssag. Efter emnet mestret than opgaven og fastholdt et højt præstationsniveau i mindst en uge, blev det implanteret med en 32 kanals mikroelektrode array i det prelimbic område mediale præfrontale cortex (mPFC) og multipel enkelt enhed aktivitet blev indspillet sammen med lokale feltpotentialer. En prøve spor af LFP variation sammen med en raster plot af 22 samtidigt indspillede enheder (hver række er en enhed, og hver prik repræsenterer en spike) er vist. Markører til adfærdsmæssige begivenheder er også plottes oven på sporene. Disse spor viser høj forudsigelse magt motor hensigt efter Go cue (analyse ikke vist her). Klik her for at se større billede .
| Sensorisk Cue | Spatial Target placering |
| 1 KHz | Højre |
| 2 KHz | Højre |
| 4 KHz | Venstre |
| 8 KHz |
Tabel 1.. Instruktion cue opgave. Tabellen viser den tilsvarende motor mål tildelt hver instruktion cue.
| Sensorisk Cue | Spatial Target placering |
| 1 KHz | Højre |
| 2 KHz | Højre |
| 4 KHz | Venstre |
| 8 KHz | Venstre |
Tabel 2.. Træning tid tabellen. Tabellen viser længden af træningspasset brugt for hvert emne (træning 2 session / dag) for voksne Sprague-Dawley rotter (3-4 måneder gamle).
| Protokol | A24 | A25 | A26 | A28 | A29 | Gennemsnitlig |
| Start | 4. | 2 | 4. | 4. | 4. | 3.6 |
| TargetSelection | 3 | 5. | 5. | 4. | 4. | 4.2 |
| Nosepoke | 8. | 7 | 9 | 5. | 2 | 6.2 |
| Delay | 8. | 8. | 5. | 4. | 3 | 5.6 |
| To Stikord (med lys) | 5. | 4. | 5. | 5. | 2 | 4.2 |
| To Stikord (uden lys) | 10 | 7 | 9 | 11 | 17 | 10.8 |
| Fire Stikord | 13 | 12 | 14 | 18 | 11 | 13.6 |
| 51 | 45 | 51 | 51 | 43 | 48,2 | |
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Rotter er ofte blevet brugt i neurovidenskab forskning i over et århundrede. Siden Thorndike introduktion af begrebet lov ikrafttrædelsesdato i katte 34, har operant konditionering været standard tilgang til at teste forskellige aspekter af dyrs adfærd. Mange neurovidenskabelige forsøg med beslutningstagning og forberedelse motor omfatter en tidsforsinkelse mellem instruktion køer og handlingen interval. Det er ønskeligt at minimere bevægelser i disse forsinkelsesperioder at mindske eventuelle confounds til de neurale data, der er erhvervet. Mens konventionelle labyrint navigation eksperimenter i gnavere kapitalisere på gnavere 'stor evne for at søge føde, de er begrænset af de bevægelser, som dyret udføre, og derfor ikke kan bruges til at teste mere komplekse spørgsmål, såsom beslutningstagning og motorisk planlægning. Mens labyrint opgaver er nemme at gennemføre, da fag lærer at navigere hurtigt, er åbenlys adfærd ubegrænset løbet af hver fase af opgaven (f.eks
Her beskrev vi en fleksibel ramme inspireret af visuel opmærksomhed studier i gnavere. De repræsentative resultater, vi fastsat, at dyr kan lære opgaven, selv når flere sensoriske signaler er forbundet med en enkelt motor mål. Dette motiv er udvalgt til at teste kapaciteten af den arbejdende hukommelse bruges til at guide motorisk adfærd. Den mest kritiske trin i protokollen er at uddanne emnet for at opretholde deres næse inde fiksering hul for hele varigheden af forsinkelsen periode.
Fordi frontale områder er gensidigt forbundet med mange kortikale og subkortikale områder, præcis timing af de adfærdsmæssige begivenheder og synkronisere disse begivenheder til de tilkøbte neurale data kan mindske risikoen for potentielle forvirrer. Computer-automatiske registrering af adfærdsmæssige begivenheder (såsom nosepoke eller cue udløser) kan forekomme med millisekund præcision. Video sporing af emne movement kan også udføres, og dataene kan synkroniseres med adfærdsmæssige begivenheder til at give præcise sammenhæng mellem neurale aktivitet og adfærd.
Mere komplekse kognitive evner af gnavere kan studeres ved hjælp af dette paradigme. For eksempel har vi brugt det til at gennemføre en gnaver-version af den forsinkede match-til-prøve opgave med en auditiv sensorisk modalitet snarere end rumlige navigation. Emnet blev cued med en prøve auditiv cue efterfulgt af en matchende cue og skulle tage stilling til målområder baseret på matching beslutning.
Fejlfinding:
Gennemførelsen af det eksperimentelle design er meget ligetil at bruge en computer software og fag skal være i stand til at mestre opgaven sig over cirka 25-30 træningspas. Afvigelser fra denne tidsplan kan være på grund af manglende motivation eller forvirring, der kan være forårsaget af:
- Unøjagtige auditiv tone frekvens: Designet er stærkt afhængigeent på banen af instrueret cue. Eksperimentatoren kontrollerer både frekvensen af den lyd, og amplituden af tonen.
- Mad levering: Ofte, når motivet ikke er motiveret til at udføre opgaven, maden levering system skal kontrolleres for eventuelle fejl, der kan have frakoblet belønning levering system.
For at opsummere, har teknologiske fremskridt i optagelse og stimulering af store ensembler aktiveret måling og afhøre den neurale kredsløb underliggende handling forberedelse og udførelse med millisekund præcision. Gnavere er blandt de bedste kandidater på tværs af forskellige dyrearter, der skal anvendes for en sådan forskning givet deres evne til at udføre kognitive opgaver og tilgængeligheden af teknikker, der er skræddersyet til gnavere. Det beskrives i denne artikel protokol kan hjælpe med til at designe eksperimenter til at besvare specifikke spørgsmål om de kognitive aspekter af indsatsen forberedelse og udførelse.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne erklærer ingen konkurrerende finansielle interesser.
Acknowledgments
Dette arbejde blev støttet af NINDS tilskuddet # NS054148.
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 |
References
- Goldstein, E. B. Cognitive psychology: Connecting mind, research, and everyday experience. , Wadsworth Publishing Company. (2008).
- Kandel, E. R., Schwartz, J. H., Jessell, T. M., et al.
- Cisek, P., Kalaska, J. F. Neural mechanisms for interacting with a world full of action choices. Ann. Rev. Neurosci. 33, 269-298 (2010).
- Kalat, J. W. Biological psychology. , Wadsworth Publishing Company. (2012).
- Banich, M. T., Compton, R. J. Cognitive neuroscience. , Wadsworth Publishing Company. (2010).
- Carew, T. J., Pinsker, H. M., Kandel, E. R. Long-term habituation of a defensive withdrawal reflex in aplysia. Science. 175, 451-454 (1972).
- Hodgkin, A. L., Huxley, A. F. A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve. J. Physiol. 117, 500 (1952).
- Romo, R., Salinas, E. Flutter discrimination: neural codes, perception, memory and decision making. Nat. Rev. Neurosci. 4, 203-218 (2003).
- Romo, R., de Lafuente, V. Conversion of sensory signals into perceptual decisions. Prog. Neurobiol. 10, (2012).
- Shadlen, M. N., Britten, K. H., Newsome, W. T., Movshon, J. A. A computational analysis of the relationship between neuronal and behavioral responses to visual motion. J. Neurosci. 16, 1486-1510 (1996).
- Beck, J. M., et al. Probabilistic Population Codes for Bayesian Decision Making. Neuron. 60, 1142-1152 (2008).
- Goldman-Rakic, P. S. Circuitry of primate prefrontal cortex and regulation of behavior by representational memory. Compr. Physiol. , (1987).
- Miller, E. K., Erickson, C. A., Desimone, R. Neural mechanisms of visual working memory in prefrontal cortex of the macaque. J. Neurosci. 16, 5154-5167 (1996).
- Fuster, J. M., Alexander, G. E., et al. Neuron activity related to short-term memory. Science. 173, 652-654 (1971).
- Fetz, E. E., Baker, M. A. Operantly Conditioned Patterns of Activity and Correlated Responses Cells and Contralateral Muscles. , (1973).
- Carmena, J. M., et al. Learning to control a brain--machine interface for reaching and grasping by primates. PLoS Biol. 1, e42 (2003).
- Georgopoulos, A. P., Schwartz, A. B., Kettner, R. E. Neuronal population coding of movement direction. Science. 233, 1416-1419 (1986).
- Donoghue, J. P., Sanes, J. N., Hatsopoulos, N. G., Gaál, G. Neural discharge and local field potential oscillations in primate motor cortex during voluntary movements. J. Neurophysiol. 79, 159-173 (1998).
- Abbott, A.
- Fuster, J. The prefrontal cortex. , Academic Press. (2008).
- Britten, K. H., Shadlen, M. N., Newsome, W. T., Movshon, J. A. The analysis of visual motion: a comparison of neuronal and psychophysical performance. J. Neurosci. 12, 4745-4765 (1992).
- Abbott, A.
- Uchida, N., Mainen, Z. F. Speed and accuracy of olfactory discrimination in the rat. Nat. Neurosci. 6, 1224-1229 (2003).
- Jaramillo, S., Zador, A. M. The auditory cortex mediates the perceptual effects of acoustic temporal expectation. Nat. Neurosci. 14, 246-251 (2010).
- Cohen, L., Rothschild, G., Mizrahi, A. Multisensory integration of natural odors and sounds in the auditory cortex. Neuron. 72, 357-369 (2011).
- Deschênes, M., Moore, J., Kleinfeld, D.
- Raposo, D., Sheppard, J. P., Schrater, P. R., Churchland, A. K. Multisensory decision-making in rats and humans. J. Neurosci. 32, 3726-3735 (2012).
- Bari, A., Dalley, J. W., Robbins, T. W. The application of the 5-choice serial reaction time task for the assessment of visual attentional processes and impulse control in rats. Nat. Protoc. 3, 759-767 (2008).
- Brasted, P. J., Dunnett, S. B., Robbins, T. W. Unilateral lesions of the medial agranular cortex impair responding on a lateralised reaction time task. Behav. Brain Res. 111, 139-151 (2000).
- Gage, G. J., Stoetzner, C. R., Wiltschko, A. B., Berke, J. D. Selective activation of striatal fast-spiking interneurons during choice execution. Neuron. 67, 466-479 (2010).
- Erlich, J. C., Bialek, M., Brody, C. D. A cortical substrate for memory-guided orienting in the rat. Neuron. 72, 330-343 (2011).
- Mohebi, A., Oweiss, K. G. Neural ensemble correlates of working memory in the rat medial prefrontal cortex. 41 st Ann. Meet. Soc. Neurosci. , (2011).
- Oweiss, K. G. Statistical signal processing for neuroscience and neurotechnology. , Academic Press. (2010).
- Thorndike, E. L. Animal intelligence: An experimental study of the associative processes in animals. Psychol. Monographs: Gen. Appl. 2, 1-109 (1898).
