Summary
Set-shifting, uma forma de flexibilidade comportamental, requer uma mudança de atenção de uma dimensão de estímulo para outro. Nós estendemos set-deslocando um roedor estabeleceu a tarefa 1, exigindo atenção a estímulos diferentes de acordo com o contexto. A tarefa foi combinada com lesões específicas para identificar subtipos de neurônios subjacentes uma mudança bem sucedida.
Abstract
flexibilidade comportamental é crucial para a sobrevivência em ambientes mutáveis. Amplamente definido, flexibilidade comportamental requer uma mudança de estratégia comportamental baseada em uma mudança no governo regras. Nós descrevemos uma estratégia definida de mudança de tarefa que exige uma mudança de atenção de uma dimensão de estímulo para outro. O paradigma é muitas vezes usado para testar a flexibilidade cognitiva em primatas. No entanto, a versão roedor não tenha sido tão amplamente desenvolvida. Temos recentemente estendeu uma tarefa de mudança de conjunto estabelecido no rato 1, exigindo atenção a estímulos diferentes de acordo com o contexto. Todas as condições experimentais exigida animais pode optar por uma esquerda ou a alavanca direita. Inicialmente, todos os animais tinham de escolher, com base na localização da alavanca. Posteriormente, uma mudança na regra ocorreu, o que exigiu uma mudança no conjunto de regra baseada em localização com uma regra em que a alavanca correta foi indicado por um sinal de luz. Nós comparamos o desempenho em three diferentes versões da tarefa, na qual o estímulo de luz era ou novela, anteriormente relevante, ou previamente irrelevante. Descobrimos que lesões neuroquímicos específicos prejudicada seletivamente a capacidade de fazer determinados tipos de mudança de set medida pelo desempenho nas diferentes versões da tarefa.
Introduction
flexibilidade comportamental é um requisito fundamental para a sobrevivência em um mundo em mudança. Um dos paradigmas comportamentais estabelecidos para testar essa capacidade é definido de mudança, em que é necessário para mudar estratégias de ação depois de uma mudança na regra de mudança de atenção de uma dimensão de estímulo para outro. Várias regiões do cérebro tais como o córtex pré-frontal e estriado estão implicados em conjunto deslocando-2, 3, 4, 5. Mecanismos neurais para esta função têm sido investigados em vários espécies, incluindo os seres humanos 5, macacos e ratos 6 1, 7, 8, 9. No entanto, as versões de rato de tarefas de mudança de jogo não foram tão amplamente desenvolvida. A relação custo-eficácia dos ratos, a sua adequada tamanho para cirurgia estereotáxica, e da disponibilidade de métodos genéticos desenvolvidos recentemente 10, motivar ainda mais o desenvolvimento de paradigmas de mudança de jogo para uso em ratos.
Um paradigma típico de mudança de conjunto para ratos requer uma mudança entre duas estratégias comportamentais: por exemplo, uma estratégia de resposta e uma estratégia visual-cue. Ratos inicialmente tem que escolher uma das duas opções disponíveis (como alavancas esquerda ou direita em um operante automatizado versão 1 ou braços esquerda ou direita em um labirinto em T versão 7, 8, 9, 11). Depois de uma mudança de set, eles têm que passar a usar uma estratégia visual-sugestão, como um taco de luz indicando o lado correto. Nestas tarefas convencionais de mudança de set, é necessário desviar a atenção de uma dimensão estímulo para outra dimensão que anteriormente tinha sido irrelevante.
onteúdo "> Além de mudar para uma dimensão que anteriormente tinha sido irrelevante, há também a possibilidade lógica de que um estímulo anteriormente era relevante, ou previamente ausente e agora romance. situações da vida real na natureza pode implicar a atenção para um romance, ou historicamente relevantes, mas não fundamental sugestão. por isso, consideramos estes subtipos de set-shift, em uma nova variação do roedor set-shifting com base em uma tarefa de mudança de conjunto automatizado previamente estabelecido 1.Nós demonstramos recentemente, a utilização da nova versão do jogo de mudança de paradigmas em uma experiência para determinar o efeito de lesões neuroquimicamente específicas do corpo estriado 12. No nosso estudo anterior, orientada interneurónios colinérgicos que libertam acetilcolina (ACh) do estriado ventral desde dorsomedial ou ACh e essas sub-regiões tenham sido implicados na flexibilidade comportamental. Todas as condições experimentais exigiram os mesmos bu mudança estratégicat cada envolvidas tipos diferentes de mudança de atenção: para um romance, anteriormente relevante ou anteriormente sugestão irrelevante. Nós aqui descrever os procedimentos detalhados dos paradigmas, e destacar resultados representativos sugerindo que os sistemas colinérgicos do estriado desempenhar um papel fundamental no set-shifting, que é indissociável entre os diferentes sub-regiões do estriado em função dos contextos comportamentais 12.
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Protocol
Todos os procedimentos para o uso de animais foram aprovados pelo Animal Care e do Comitê Use no Instituto Okinawa de Ciência e Tecnologia.
1. Os animais
- Obter ratos machos Long-Evans (250-300 g à chegada).
- Após a chegada, abrigar um grupo de dois ou três ratos em conjunto por uma semana e depois separá-los em gaiolas individuais. Note-se que este delineamento experimental envolve alimentar-restrição e tem de segurar um animal de cada gaiola para controlar a quantidade de alimentos consumidos.
- Fornecer todos os animais com comida e água ad libitum, e os alojar sob condições padrão (12 h / 12 h ciclo de luz / escuro, a 23 ° C).
- 5 dias antes do início das experiências de comportamento, alimentos-restringir os animais em cerca de 85% do seu peso médio com livre acesso a água durante as experiências.
- Pega animais durante 5 minutos por dia, durante um mínimo de 5 dias antes do início das experiências, a fim de t conhecimentohem com um experimentador.
2. Hardware e Software para testes comportamentais e análises
- ferragens
- Use uma câmara operante equipado com uma caixa de atenuação do som.
- A câmara é incorporada com vários anexos adicionais: duas alavancas receptáculo no painel frontal, duas pistas de luz logo acima das alavancas, um local revista com um sensor para a detecção de entrada cabeça entre duas alavancas, um distribuidor de alimentos, um gerador de tom puro e uma casa de luz no painel traseiro.
- Programas
- Controle de todos os eventos comportamentais no âmbito de um código programado escrito por software Trans IV. Use software Med-PC IV para sinalizar e detectar todos os eventos comportamentais durante o treinamento e um teste.
- Use Trans IV para escrever código para o teste comportamental. Abra um novo arquivo para a escrita.
- Uma vez que o programa é escrito, traduzir e compilá-lo dentro do software. Modificar o código se erros sãodetectados e tente novamente.
- Após a depuração bem sucedida de um programa, verifique se o código do usuário funciona corretamente através da realização de um julgamento-run antes do início real de experimentos.
- Usando MED-PC IV, executar experimentos comportamentais. Abra o software, clique em "sessão aberta" e atribuir um único programa para cada caixa.
- Depois de todos os programas foram devidamente atribuído a cada box, enviar sinais necessários para iniciar experimentos.
- Após a conclusão da tarefa, guardar dados como clicar em "Save Data" ou escrever código para salvar automaticamente os dados (para detalhes, consulte o manual do programador para MED-PC IV).
- Uma vez que os dados são exportados para uma pasta designada, renomeie os dados como data de aquisição e número de animais de identificação para uso posterior. Os dados coletados são importados para Matlab para análises comportamentais descritas abaixo (Protocolo, 3.7).
3. Formação Comportamental e Testes
- Habituação e formação Magazine.
- Não apresentam alavancas para animais durante essas fases.
- Durante a fase de habituação, colocar os animais numa câmara de operante durante 20 minutos por dia. No mesmo dia, 10 dar peletes de sacarose (45 mg) para os animais em sua gaiola, que lhes familiarizar para a recompensa de sacarose.
- Em seguida, começar a treinar revista. Coloque os animais na câmara e dar 20 pelotas de sacarose (1 pelota por um minuto) para os animais, proporcionando uma oportunidade de aprender a localização da bandeja de alimentos e aquisição dos pellets.
NOTA: Essas fases podem ser ignoradas devido a confusão potencial de animais na obtenção de um pellet sem uma resposta operante, mesmo que adotamos-los para fazer animais familiarizados com uma câmara e comendo a partir de uma bandeja de comida.
- Treinar animais em um esquema de reforço contínuo para obter uma recompensa, pressionando uma alavanca. Uma sessão deste treinamento dura até 60 pelotas têm a abelhan recebeu (60 alavanca de prensas) ou 40 min decorrido.
- Presentes tanto a alavanca esquerda ou para a direita ao longo da primeira metade de uma sessão (até 30 pelotas são obtidos), seguido pela apresentação da alavanca oposta durante a segunda metade. A ordem é alternada numa base diária.
- Continue este esquema de reforço até que os animais têm obtido êxito 60 recompensas por pelo menos 2 dias consecutivos. Note-se que pode haver grande variabilidade entre os animais de quão rápido eles fazem a primeira alavanca de imprensa e isso pode afetar o progresso de reforço. Neste caso, colocar algumas pelotas de sacarose em uma alavanca apresentado para motivá-los a se aproximar em direção a alavanca quando não há resposta foi feito durante a primeira sessão.
NOTA: Uma possível alternativa é colocar peletes de sacarose, quando a alavanca é apresentado pela primeira vez aos animais a fim de fazer a conclusão desta fase mais rápido.
- Nesta fase de treinamento, apresentar nenhuma luz para animais.
- Treinar os animais com menos formação alavanca de imprensa por 5-8 sessões com o mesmo calendário para um julgamento como sessões de testes descritos abaixo.
- em thé o treinamento, a alavanca para a esquerda ou direita presente aleatoriamente, ea alavanca tem de ser pressionado dentro de 10 segundos após a alavanca for apresentada ou o julgamento é contado como uma omissão, sem uma resposta. Uma sessão para a formação alavanca prima composta de 80 ensaios.
- Uma vez que os animais ter marcado menos de 10% de omissões de 80 ensaios, movê-los para o seguinte teste lado a polarização.
- Realizar um teste lado a tendência para determinar a preferência do animal, quer a alavanca esquerda ou para a direita 1. Um ensaio implica duas alavanca de prensas de ambos os lados.
- Coloque os animais numa câmara operante e permitir-lhes optar por alavanca. Na próxima tentativa, os animais têm para seleccionar a alavanca no lado oposto, a fim de obter uma recompensa. Se a segunda tentativa de animal é no mesmo lado da primeira resposta, não dão qualquer recompensa e continuar o ensaio até que uma resposta é feita sobre o lado oposto.
- Realizar um total de 7 ensaiospara determinar a preferência lado do animal.
- Uma sessão diária consiste em 80 ensaios.
- Prepare três condições diferentes para os procedimentos de deslocamento conjunto, como mostrado na Figura 1.
- Todas as três condições exigem animais para semelhante mudar estratégias comportamentais de escolher uma alavanca que é sempre do mesmo lado (Fase 1, estratégia de resposta) para seguir uma sugestão luz que indica um lado correto (Fase 2, a estratégia sugestão visual).
- Comece com a aprendizagem inicial de uma estratégia de resposta (Fase 1) para 4 sessões, em que os animais têm de pressionar uma alavanca com base na localização das alavancas. Nesta fase, definir o lado correcto para o lado oposto da alavanca para a sua preferência com base em um teste lado-polarização preliminar, tal como mencionado acima.
- Em seguida, iniciar a sugestão visual aprendizagem (Fase 2), durante 10 sessões. A sugestão luz iluminou acima quer alavanca indica uma alavanca correta. Nesta fase deslocando, três different padrões de mudanças de atenção pode ser comparada entre as três condições experimentais, tal como descrito abaixo (3.3.6-3.3.8).
- Na condição de set-shift 1 (Figura 1A), não dão a luz na fase 1, mas uma sugestão luz indica o lado correto na fase 2. Na condição 1, portanto, os animais precisam para assistir a um estímulo romance.
- Na condição de set-shift 2 (Figura 1B), apresentar uma sugestão de luz acima da alavanca correta na fase 1, e novamente na fase 2. Nesta condição, a sugestão luz tinha sido relevante, mas não necessariamente necessário para fazer uma escolha na fase 1. Assim os animais têm de atender a uma sugestão anteriormente relevante.
- Na condição de set-shift 3 (Figura 1C), ligue uma sugestão luz aleatoriamente acima quer alavanca esquerda ou para a direita na fase 1. Assim que tem que ser ignorado. Na fase 2 animais são obrigados a pagar a atenção para o estímulo luminoso que tenha sido previamente irrelevante.
- Ao longo das sessões, medir a porcentagem de respostas corretas em uma base diária, exceto os ensaios de omissão.
- Contagem de erros acumulados durante 10 sessões de aprendizagem sugestão visual e classificá-los em perseverantes, erros regressivos ou nunca reforçados, como descrito em um estudo prévio 1. Lá, uma análise detalhada dos tipos de erro sugere funções separadas em set-shifting.
- Definir erros perseverativos como respostas incorretas para a alavanca anteriormente correta enquanto o desempenho do animal ainda estava abaixo do nível chance de 4, 6, 13, 14, 15. Critérios semelhantes foram utilizados em estudos anteriores 1, 3, 7, 11.
- Com base em uma razão de princípio determinar o critériopara separar entre perseverativo erros e regressivas como o ponto em que o primeiro animal teve menos do que 8 dos 10 respostas incorrectas (probabilidade de fazer 8/10 erros ou mais = 0,054, com base na distribuição binomial cumulativa) em uma janela móvel de 10 ensaios .
- A fim de encontrar este ponto, começar a calcular uma média móvel da janela do 10 ensaio de 1 julgamento st e depois avance-o por um julgamento em um tempo até <8/10 erros são medidos. Realizar esta análise em todos os ensaios em que uma sugestão de luz é iluminado acima da alavanca anteriormente incorreta durante a estratégia de sugestão visual.
- Definir todos os erros subsequentes praticados após este ponto como erros regressivos.
- Durante a aprendizagem sugestão visual, conte erros reforçados nunca mais quando os animais responderam a uma alavanca anteriormente incorreta em que a sugestão de luz não foi iluminada. Dividi-los em uma porção cedo ou mais tarde com base na fase de aprendizagem; erros cometidos na primeira metade de 10 sessões (session 1-5) são considerados mais cedo e os da segunda metade (sessão 6-10) são considerados como os atrasados.
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Representative Results
Usamos a estratégia definida de mudança de tarefa descrita acima para investigar o papel dos interneurónios colinérgicos na flexibilidade comportamental. Nós comparamos o efeito sobre a tarefa de uma lesão seletiva induzida por imunotoxina de interneurónios colinérgicos em dorsomedial (DMS), striatum ventral (VS) e controle de injeção de solução salina. Todos os animais tinham de mudar da escolha de uma alavanca com base no lado (esquerda ou direita), para a escolha com base em uma luz de sinalização acima da alavanca correcta. Foram utilizados três condições experimentais de definido de deslocamento em que a luz de sinalização ou era: (1) novo, (2) anteriormente relevante (indicando a alavanca correcta), ou (3) (distribuídos aleatoriamente) anteriormente irrelevante.
Nestes três condições experimentais, a aquisição inicial de estratégia de resposta estava intacto em todos os grupos de tratamento, sugerindo que a perda colinérgica no estriado não teve efeitos na aprendizagem inicial (Figura 2A - 2C).Estes resultados são consistentes com estudos anteriores mostrando que a inactivação de DMS ou VS não afectou a discriminação inicial 7, 9, e que a aplicação de antagonistas colinérgicos sistemicamente ou localmente 16 para o estriado 17, 18, 19, à esquerda da aprendizagem inicial intacto.
Na condição de set-shift 1 (Figura 2A, novela cue), a percentagem de respostas correctas não foi significativamente diferente. No entanto, o número de erros perseverativos foi significativamente aumentada no grupo VS lesão do que os controlos. Durante definir-shift condição 2 (Figura 2B, sugestão anteriormente relevante) nem o desempenho na aprendizagem nem tipos de erros foram alterados pelas lesões. Em contraste, na condição de montado mudança 3 (Figura 2C, cue anteriormente irrelevante), tele número de erros perseverativos foi significativamente diferente entre os grupos. Em particular, houve um aumento significativo de erros perseverativos após lesões DMS. Em comparação com o grupo de controlo, o número de erros reforçado não foi significativamente diminuída nos dois grupos DMS e VS lesão, que se tornou evidente, no início, mas não na fase tardia da aprendizagem pista visual.
Em resumo, as lesões colinérgicos VS interrompido uma mudança estratégica quando um novo estímulo foi dado como uma nova sugestão importante, causando erros mais perseverantes. Por outro lado, as lesões DMS afectados set-deslocando apenas quando foi necessária a atenção de um estímulo anteriormente irrelevante, resultando numa distribuição diferente dos tipos de erros.
Figura 1: Três diferentes condições para um conjunto de deslocamento. Um diagrama de fluxo de trêsvariações (A, B e C) do paradigma de mudança de set. Um círculo amarelo mostra uma indicação visual. Reproduzido com permissão de Aoki et al. 12. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: resultados comportamentais na tarefa de mudança de set. Percentual de respostas corretas em ambos resposta ea estratégia de sinalização visual (à esquerda), tipos de erros cometidos ao longo de 10 sessões de estratégia sugestão visual (meio), e início e componentes tardios de erros reforçados Nunca (à direita) são mostradas para cada condição experimental ( a, uma mudança de estratégia comportamental necessária atenção para um novo estímulo, B, a um estímulo anteriormente relevante,
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Discussion
Nós desenvolvemos novas variações sobre o paradigma de mudança de conjunto estabelecido para utilização em ratos. Usando esses paradigmas, lesões colinérgicos do estriado foram encontrados para prejudicar set-shifting, sugerindo um papel específico de interneurónios colinérgicos do estriado em set-shifting: supressão de uma regra de idade e facilitação da exploração de uma nova regra. Os efeitos diferiram entre estriado ventral dorsomedial e, em conformidade com o diferente papel destas estruturas na aprendizagem.
Uma tarefa de mudança de conjunto tem sido amplamente utilizado para testar a flexibilidade comportamental em espécies que variam de seres humanos para roedores 1, 4, 5, 7, 8, 9, 12. O termo "conjunto" é definida como a propriedade do estímulo relevante para o comportamento de um dado ensaio"xref"> 20, 21. O presente estudo introduziu novas variações em que um sujeito foi exigido a alteração da estratégia comportamental baseada em uma mudança na qual o conjunto é relevante. As novas versões devem ser comparados com cuidado e com outros estudos utilizando set-shifting. Em um paradigma típico de mudança de set, um assunto inicialmente forma um conjunto relevante para orientar o comportamento e ignora o conjunto irrelevante. Após o set-shift, o sujeito tem de atender ao conjunto previamente irrelevante. Entre as três condições que aqui propostas, única condição 3 envolve um conjunto de deslocamento. Condição 1 e 2 diferem de tais tarefas set-shift em que tanto um estímulo romance ou um subconjunto de um estímulo composto torna-se relevante. As curvas de aprendizado e o número de erros perseverativos de ratos intactos revelou diferenças na aquisição inicial e reaquisição entre três condições. Assim, cada condição medidas diferentes funções: aquisição de uma resposta a uma nova sugestão, a atenção para uma causa, masNão cue crucial e atenção à sugestão irrelevante. Estas novas variações são úteis para a investigação de mecanismos neurais para diferentes formas de flexibilidade comportamental.
Ratos têm muitas vantagens para estudar os mecanismos neurais subjacentes a flexibilidade comportamental, incluindo o seu grande tamanho, tornando-os adequados para a cirurgia estereotáxica, a disponibilidade de linhagens transgênicas, e capacidade cognitiva. Estudos anteriores estabeleceram T-maze base ou a versão da tarefa de mudança de conjunto automatizado em ratos 1, 7, 8, 9, 11. No caso em que uma versão automatizada não estiver disponível, três manipulações diferentes introduzidas neste artigo aplicam-se a uma tarefa set-shift com base labirinto em T 3, 7. Além disso, outras dimensões de estímulo com diferente modalidade sensorial, tais como umcue odor pode ser combinado 22, que se estende ainda mais variações.
Foi previamente mostrado que a inactivação de DMS ou VS prejudica set-deslocamento quando se requer a assistência a um estímulo anteriormente irrelevante 7, 9. Este é também o caso da condição 3 do presente estudo. No entanto, uma questão importante que continua a ser respondida é se prejudicada set-shifting é derivado de ser incapaz de alterar estratégias de ação (como a partir de uma estratégia de resposta a uma estratégia sugestão visual) durante um turno, ou a incapacidade de prestar atenção a uma estímulo que tinha sido irrelevante na discriminação inicial. É impossível decidir entre estas duas possibilidades, examinando somente um único contexto experimental. Para dissociar o déficit de atenção específica de deficiência mais geral de mudança de estratégias, temos procurado criar novas variações da tarefa de mudança de set, usando dois diferemcondições ent que exigem a mesma mudança, mas diferentes tipos de atenção.
Usando estas condições adicionais, poderíamos separar substratos neurais subjacentes a uma mudança de estratégias em diferentes contextos. Por exemplo, perseveração de ratos lesionados VS em condição 1, onde um novo estímulo foi introduzido nos permitiu revelar um potencial mecanismo de sistema colinérgico ventral em processos de atenção e abordagem para o importante novidade para a nova regra. Por outro lado, não observamos efeitos gerais de lesões DMS sobre uma mudança estratégica. Pelo contrário, era específico para a situação em que uma contingência estímulo mudou e os animais necessários para prestar atenção a uma sugestão anteriormente irrelevante. Duas condições adicionais controlar com sucesso por uma deficiência geral da mudança de estratégias. Isto permitiu-nos concluir que DMS e VS sistemas colinérgicos têm um papel comum na supressão de uma velha estratégia e facilitação de comportamento exploratório, embora eles trabalham emdiferentes contextos ambientais, e nem um tem um papel geral na mudança de estratégias em si.
Em conclusão, os novos de mudança de conjunto variações tornam possível analisar a flexibilidade cognitiva do rato em mais detalhe e ajudar ainda mais a compreensão dos mecanismos neurais para flexibilidade comportamental em diferentes contextos ambientais. Futuros estudos que testam o envolvimento de outras regiões importantes do cérebro, como o córtex pré-frontal e hipocampo seriam encorajados usando uma variedade de contextos como introduzido neste artigo.
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Standard Modular Test Chamber | Med Associates | ENV-008 | |
| Low Profile Retractable Response Lever | Med Associates | ENV-112CM | |
| Stimulus Light for Rat | Med Associates | ENV-221M | |
| Switchable Dual Pellet/Dipper Receptacle for Rat | Med Associates | ENV-202RM-S | |
| Head Entry Detector for Rat Receptacles | Med Associates | ENV-254-CB | |
| Modular Pellet Dispenser; 45 mg for Rat | Med Associates | ENV-203M-45 | |
| Sonalert Module for Rat | Med Associates | ENV-223AM | 4.5 kHz available (ENV-223HAM) |
| House Light for Rat Chambers | Med Associates | ENV-215M | |
| SmartCtrl Interface Module, 8 input/16 output | Med Associates | DIG-716B | |
| SmartCtrl Connection Panel, 8 input/16 output | Med Associates | SG-716B | |
| 45 mg Tablet-Fruit Punch | TestDiet | 1811255 | Several flavors available |
References
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