Den nuværende protokol beskriver udviklingen af en open source 5-choice seriel reaktionstidsopgavekasse til gnaverdyrsmodeller ved hjælp af Arduino og relateret hardware og en alsidig Matlab-værktøjskasse, herunder et valgfrit script til automatiseret adfærdstræning. Scriptene kan tilpasses og letter implementeringen af forskellige trial-and-test-designs.
Den 5-valgs serielle reaktionstidsopgave (5-CSRTT) er en adfærdstest, der ofte bruges til at studere visuospatial opmærksomhed og impulsivitet hos gnavere. Opgaven kræver, at dyrene tildeler opmærksomhed til et vandret udvalg af fem små åbninger udstyret med lyskilder og inden for et tidsbegrænset vindue næsestikker en oplyst målblænde for at få en madbelønning på madmagasinet placeret i den modsatte væg af kammeret. Opgaven overvejer adfærdsmæssige kontrolforanstaltninger såsom responsnøjagtighed og reaktionstider og giver mulighed for at udlede selektiv opmærksomhed og impulsivitet. Opgavevanskeligheder kan styres ved at ændre stimulusvarigheden og opgavedesignet generelt. Kommercielt tilgængelige apparater består normalt af et eksperimentelt kammer og særlig software til at specificere opgaveparametre, men på grund af fast hard- og software udgør de mange begrænsninger for ændringer i det generelle eksperimentelle design og specifikke opgavekrav og det relaterede dataoutput. Denne artikel forklarer et fuldt tilpasseligt alternativ baseret på en brugervenlig single-board mikrocontroller og standard elektrotekniske komponenter, et open access Arduino script og en Matlab-værktøjskasse til henholdsvis hardwarekontrol og adfærdsmæssige opgavespecifikationer. Værktøjskassen indeholder en valgfri trappeprocedure, der muliggør automatiseret adfærdstræning. Den komplette hardwareopsætning, som kan installeres i tilpassede kamre, og den frit tilpasningsdygtige software tilskynder til ikke-standardiseret opgave- og kammerdesign. Systemets design og open source-koden til hardwarestyring og eksperimentel opsætning er beskrevet.
5-CSRTT er en adfærdstest, der ofte bruges hos gnavere til at studere visuelle opmærksomhedsprocesser og impulsivitet 1,2,3,4,5,6, såsom bestemmelse af det kolinerge systems rolle i opmærksomhed og indflydelsen af noradrenalinoptagelseshæmmere på impulsiv adfærd 7 . Standardapparatet gør det muligt at observere forskellige kontrolforanstaltninger såsom responsnøjagtighed, reaktionstider, impulsiv og tvangsmæssig adfærd, motorisk evne og motivation 1,2,3,4,5. Den består af et vandret udvalg af fem LED-udstyrede åbninger, et madmagasin på kammervæggene modåbningerne og huslys 2,5. I en typisk opgave belyses husets lys, og begyndelsen af en session markeres af belysningen af fødevaremagasinet, hvor en fri pellet leveres. Forsøgsforløbet igangsættes, når dyret næsestikker magasinet for at hente pellet1. Derefter slukkes madmagasinlyset, og inter-trial-intervallet (ITI) starter, hvor dyret skal rette sin opmærksomhed mod blændeåbningerne. Når ITI er gået, præsenteres en stimulusbelysning i en af åbningerne 1,2,5. Stimulus er givet for en bestemt længde kendt som stimulus varighed (StD). Dyret kan reagere på stimulansen, mens den præsenteres eller i et begrænset tidsvindue, efter at StD er forbi, kendt som begrænset hold (LH). For at reagere skal dyret næse-stikke målblænden, og hvis det gøres korrekt, frigives en belønning i fødevaremagasinet 1,2,5. Ellers resulterer ethvert forkert svar samt eventuelle svar før stimuluspræsentation (foregribende eller for tidligt) eller manglende reaktion (udeladelse) i en timeout (TO), hvor husets lys slukkes i en vis varighed 1,2,5 (figur 1). Generelt måler den diskriminerende stimulusnøjagtighed opmærksomhedsfunktionen, mens for tidlige og vedholdende reaktioner (gentagne reaktioner ved blændeåbningerne efter stimuluspræsentation) betragtes som mål for impulsiv adfærd og kompulsivitet, henholdsvis 1,4,5,6.
Figur 1: Mulige forsøgssekvenser af en typisk 5-CSRTT. Efter intertrialintervallet tændes stimuluslyset i en bestemt varighed og slukkes derefter under intervallet Begrænset tilbageholdelse. Rotten kan enten svare korrekt og modtage en belønning eller svare forkert og få en timeout i løbet af denne tid. Hvis rotten ikke svarer i tide, resulterer dens udeladelse i en timeout. Tilsvarende, hvis den reagerer før præsentationen af lysstimulusen, resulterer dens for tidlige respons i en timeout. En anden prøveversion starter efter indsamlingen af belønningen eller slutningen af timeoutperioden. Klik her for at se en større version af denne figur.
5-CSRTT anvendes i vid udstrækning på grund af dens fleksibilitet: Ved at ændre parametre for forsøgsdesignet kan forskellige underkategorier af opmærksomhed undersøges. For eksempel, mens dyret formodes at opdele sin opmærksomhed på tværs af de fem forskellige åbninger (visuospatial opmærksomhed), gør brugen af irrelevante stimuli (f.eks. Auditive stimuli) det muligt at teste selektiv eller vedvarende opmærksomhed 1,2,5,6. Til det formål kan forsøgsopstillingen udvides ved at inkludere højttalere, der kan bruges som distraherende eller endda forstærkende stimuli 1,2,5,6. Desuden kan den opmærksomme belastning moduleres direkte ved at ændre stimuluspræsentationen eller randomisere ITI-varigheden10. 5-CSRTT anvendes ikke kun til gnavere 3,7, men er for nylig blevet tilpasset til at teste ikke-menneskelige primater 1,7,8 og fisk 7,9, hvilket yderligere viser dens gennemførlighed. En fuldt tilpasselig 5-CSRTT værktøjskasse giver mulighed for nem tilpasning af standard gnaverparadigmet til andre dyremodeller. Desuden tilskynder tilpasningsfleksibiliteten i 5-CSRTT-værktøjskassen også til forskning ved hjælp af ikke-standardiserede opgavedesign.
Den fuldt tilpasselige 5-CSRTT-værktøjskasse, der præsenteres her, indeholder et Arduino-script til hardwarestyring, programmeret i et integreret udviklingsmiljø. Den består også af en Matlab-værktøjskasse (version R2019b eller yngre) til eksperimentkontrol. Følgende protokol forklarer, hvordan du konfigurerer 5-CSRTT-værktøjskassen med det meget anvendte standardparadigme og viser valgfrie konfigurationer for ikke-standardiserede paradigmer.
Den nuværende protokol har til formål at udvikle og teste et billigt og fuldt tilpasseligt alternativ til det standard, kommercielt tilgængelige 5-valgs serielle reaktionstidsopgaveapparat. Normalt giver kommercielt tilgængelige typer apparater et begrænset sæt funktioner efter behov for at køre standardforskningen 5-CSRTT. På grund af dette er ikke-standardiserede ændringer i det specifikke forsøgsdesign, såsom ændringer i forsøgssekvensen eller målstimuluskombinationerne, normalt ikke mulige. Derudover leveres mange af de tilgængelige typer apparater med specifik, lukket software, der muligvis ikke giver adgang til alle adfærdsmæssige data fra eksperimentet, såsom timing og blænde antal for tidlige og vedholdende svar. I modsætning hertil er den afgørende fordel ved værktøjskassen, der præsenteres her, – udover de lave omkostninger – muligheden for at implementere mange forskellige forsøgsdesign og forskningsparadigmer. I øjeblikket understøtter værktøjskassen definitionen af flere stimulusdesign, såsom at tillade dæmpede stimuli og bruge to pelletsleveringssystemer og belønne afhængighed af reaktionstid. Det understøtter også brugen af en miniaturehøjttaler til auditiv feedback. Det primære formål er dog at give mulighed for nemme ændringer af prøvesekvensen i henhold til brugerens mål, såsom at indføre dæmpede oplyste åbninger og belønne tidsplaner for beslutningsopgaver eller integrere state-of-the-art positive forstærkningstræningsmetoder11. Derudover stilles alle rådata, der er erhvervet i løbet af sessionen, til rådighed for yderligere analyse. Værktøjskassen indeholder en trappefunktion til automatiseret adfærdstræning, som også kan tilpasses fuldt ud og giver brugeren mulighed for at ændre kriterierne for hver niveauopdatering, antallet af træningsniveauer og de parametre, der skal opdateres. Desuden er selve apparatet meget tilpasningsdygtigt, og ændringer i forsøgsdesignet og kammerlayoutet er let gennemførlige, hvilket gør det muligt at anvende 5-CSRTT-paradigmet på dyrearter, der har brug for et andet forskningsdesign end hvad de kommercielt tilgængelige typer apparater tilbyder.
Specifikke dele af protokollen til softwarekonfigurationen er afgørende for at sikre en jævn arbejdsgang: især for den første dag i eksperimentet er forberedelsen af både hardware- og eksperimentstyringssoftwaren (trin 2 og 3) og konfigurationen af trin 5.3 afgørende. At sikre, at den serielle portforbindelse mellem mikrocontrollerhardwaren, dens software og eksperimentstyringssoftwaren fungerer korrekt, er afgørende for at etablere en fuldt fungerende 5-CSRTT-værktøjskasse. I begyndelsen af hver eksperimentdag anbefales det at gentage de tre trin, der er nævnt ovenfor, for at sikre, at hardware- og eksperimentkontrolscripts er konfigureret korrekt.
Endelig er den nuværende begrænsning af værktøjskassen dens implementering til en eksklusiv programmeringsplatform, hvilket desværre kompromitterer brugen som en komplet open source-værktøjskasse. Ikke desto mindre bør værktøjskassen i princippet let kunne tilpasses andre programmeringssprog såsom Python, da forløbet af et forsøg forbliver uændret.
I sammenligning med eksisterende alternative metoder tillader 5-CSRTT-værktøjskassen, der introduceres her, implementering af standard 5-CSRTT-paradigmet og ændringer af det, såsom at definere et bestemt tidsvindue for udholdenhedssvar eller introducere distraherende eller forstærkende stimuli som højttalere eller blinkende lys. Ud over at være let at bruge og meget tilpasningsdygtigt er apparatet billigt og kan let replikeres, og det tilskynder til forskning ved hjælp af ikke-gnaverdyrsmodeller.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde er støttet af DFG WE 5469/3-1.
1200 Ohm Resistor | Already available in the lab | ||
8-bit 10 kΩ digital potentiometer | Microchip | MCP42010-I/P | From Conrad.de: 1083205 |
ARD MEGA2560 KIT Arduino – Mega 2560 R3 Lernset | JOY-IT | ARD-Set01 | From Reichelt.de: ARD MEGA2560 KIT |
ARD SHD MOTOR Arduino Shield – Motor | Adafruit | 1438 | From Reichelt.de: ARD SHD MOTOR |
ARDUINO STACKABLE HEADER KIT – R3 | Sparkfun Electronics | PRT-11417 | From Antratek.de: PRT-11417 |
Chow | Altromin | 1324 N | Altromin chow products |
Euro-Gehäuse | Hammond Electronics | 1591EBK | From Conrad.de: 520691 |
Food pellets | Bio-Serv | F0021 | From Bio-serv.com: Dustless Precision Pellets Rodent |
Fritzing | Interaction Design Lab Potsdam | Fritzing Software download | |
Integrated Development Environment | Arduino | Arduino IDE download (Freely available) | |
IR Break Beam Sensor – 3mm LEDs | Adafruit | 2167 | From Mouser.de: 485-2167 |
Laptop or Computer | |||
LED white round 5mm 2000mcd 20mA | TruComponents | 1573731 | From Conrad.de: 1573731 |
Microswitch | Hartmann | MBB1 01 A 01 C 09 A | From Conrad.com: 707243 |
NeoPixel Stick – 8 WS2812 5050 RGB LEDs | Adafruit | 1426 | From Reichelt.de: DEBO LED NP8 2 |
Passive buzzer Speaker | Conrad Components | 93038c213a | From Conrad.de: 1511468 |
Pellet release disk | Already available in the lab. Similar products depicted below. Keep in mind that some of these products make use of different (and stronger) motors and infrared sensors. The use of the microswitch (row 7) and the Arduino Motor Shield (row 3) need to be adapted to fit these new specifications. We recommend 3d printing the disk to work with the provided materials and software. Carbatec universal base plate Open Science Framework Open Feeder Open Ephys 3d Model Food Pellet Dispenser Campden Instruments 45mg pellet dispenser |
||
Programming platform | Mathworks | R2019b or younger | |
Psychtoolbox Software | V3 | Psychtoolbox-3 download | |
Spur GEAR-MOTOR with DC brush motor | Micromotors | B138F.12.208 | Micromotos Series B138F Technical data |