مقالة منهجية

A الآلي بالكامل بروتوكول تكييف القوارض للتكامل حسي حركي والتجارب تحكم المعرفي

DOI:

10.3791/51128

⸱

أبريل 15, 2014

 , 
1Electrical and Computer Engineering, Michigan State University, 2Neuroscience Program, Michigan State University, 3Cognitive Science Program, Michigan State University

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ويقترح بروتوكول مؤتمتة بالكامل لالقوارض تكييف هواء فعال. يعتمد بروتوكول بشأن التحكم الزمني الدقيق للأحداث السلوكية للتحقيق في مدى هذه التأثيرات العصبية تحكم النشاط الكامنة وراء التكامل الحسي والسيطرة المعرفية التجارب.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وقد استخدمت تقليديا القوارض كنموذج الحيوانية القياسية في التجارب المعملية التي تنطوي على عدد لا يحصى من المهام الحسية والمعرفية، والحركية. الوظائف المعرفية التي تتطلب أعلى دقة السيطرة على الاستجابات الحسية مثل صنع القرار والتشكيل الإنتباه، ومع ذلك، يتم تقييمها عادة في الرئيسيات غير البشرية. على الرغم من ثراء السلوك الرئيسيات التي تسمح متغيرات متعددة من هذه الوظائف لدراستها، لا يزال نموذج القوارض و، فعالة من حيث التكلفة بديلا جذابا لنماذج الرئيسيات. وعلاوة على ذلك، فإن القدرة على أتمتة بالكامل تكييف هواء فعال في القوارض يضيف مزايا فريدة من نوعها على العمالة المكثفة تدريب الرئيسيات غير البشرية أثناء الدراسة مجموعة واسعة من هذه الوظائف المعقدة.

هنا، ونحن نقدم بروتوكول للفئران تكييف operantly على أداء مهام الذاكرة العاملة. خلال الحقب الحرجة المهمة، وبروتوكول يضمن أن حركة العلني الحيوان والتقليل من REQUiring الحيوان إلى "يحملق" حتى يتم تسليم جديلة الذهاب، أقرب إلى التصميم التجريبي الرئيسيات غير البشرية. يتم تنفيذ اثنين البديلة المهمة خيار بسيط اضطر للتدليل على الأداء. نناقش تطبيق هذا النموذج إلى مهام أخرى.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

دراسة العلاقة بين الفسيولوجيا العصبية والسلوك هو الهدف النهائي في أنظمة الأعصاب. تاريخيا، كان هناك المفاضلة بين اختيار نموذج حيواني وذخيرة السلوكية 1-5. بينما الكائنات بسيطة مثل الرخويات البحرية 6 أو 7 الحبار وقد استخدمت على نطاق واسع لدراسة خصائص القنوات الأيونية واحد، الخلايا العصبية والدوائر العصبية بسيطة، وهناك حاجة إلى الأنواع العالي لدراسة وظائف أكثر تعقيدا مثل الملاحة المكانية، صنع القرار 8-11 والمعرفية السيطرة 12-14. على الرغم من كونه نموذج حيواني القياسية للإنسان مثل السلوك، الرئيسيات غير البشرية من استخدام يطالب التكلفة والأخلاقية الاعتبارات التي تحول دون استخدامها عبر مجموعة واسعة من التجارب في مختبر واحد وضع 15-18. أبسط النماذج الحيوانية مثل القوارض ويفضل عموما 19، شريطة أن يكون ركائز العصبية مماثلة الكامنة وراء السلوكيات المثيرة للاهتمام.

"> هناك أدلة وافرة تشير إلى أن القوارض مشاركة الهياكل القشرية وتحت القشرية مماثلة لتلك التي وجدت في المقدمات 20-22. معروفة القوارض أيضا لدمج المعلومات عبر طرائق الحسية المتعددة لتوجيه عملها 23-25، على سبيل المثال، عن طريق تنسيق الخفقان واستنشاق خلال السلوك الاستكشافي 26 أو من خلال دمج / الأحداث حاسة الشم السمعية والبصرية 25،27.

نحن هنا تصف إطارا للتكييف هواء فعال من القوارض المستخدمة لاختبار المهام المعرفية 28-32. في هذا الإطار، يتعين على الموضوعات التي يحملق داخل حفرة nosepoke والحفاظ على خطم بهم داخل الحفرة حتى عرض جديلة الذهاب. المهمة السلوكية هو تصميم nosepoke خمسة ثقب يستخدم تقليديا للدراسات مهمة في وقت رد الفعل التسلسلي 5 للاختيار. خلال فترة التأخير، ويقدم مجموعة من العظة تعليمات لتوجيه هذا الموضوع إلى تنفيذ إجراء. يمكن بسهولة تعديل هذا الإطار لتلائمهناك حاجة إلى مجموعة واسعة من التجارب التي تخضع لتدريب تقليل حركته العلني على مدى فترة وجيزة. هذا يسمح بدراسة مدى تأثر النشاط ارتفاعه من الخلايا العصبية الفردية العظة محددة خلال هذه الفترة. بروتوكول يمكن أن تقلل من وقت التدريب ويمكن أن تقلل من تقلب التعلم عبر-الموضوع. ويرد مخطط التخطيطي للمهمة في الشكل 1.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تمت الموافقة على جميع الإجراءات التي تنطوي على الحيوانات من قبل لجنة جامعة ولاية ميشيغان المؤسسية رعاية الحيوان واستخدام (IACUC).

1. الإعداد التجريبية

  1. استخدام مربع تكييف هواء فعال والذي يتألف من جدار nosepoke خمسة حفرة على جانب واحد وحوض تسليم الطعام على الجانب المقابل.
    1. يعتبر ثقب مركز nosepoke بأنه "التثبيت" حفرة والثقوب الأربعة الأخرى (اثنان على كل جانب من ثقب التثبيت) تعتبر الثقوب الهدف السيارات. وقد تم تجهيز كل حفرة مع LED ثلاثية الألوان وشعاع نظام باعث الأشعة تحت الحمراء للكشف عن أن يكتشف عندما يدخل الحيوان وتتراجع من ثقب التثبيت.
    2. استخدام نغمة المولد برمجة لتوليد نغمات تيرة واحدة مع الدقة ميلي ثانية واحدة وتوصيله إلى مكبر صوت محمولة داخل منطقة الجزاء فعال. السيطرة على مولد وnosepokes هجة من خلال نظام تتبع السلوكية باستخدام البرمجيات المناسبة. استخدام الأجهزة وتحديثات برامج المزودهي النظام الذي يوفر الرصد الزمني ميلي ثانية واحدة من الأحداث السلوكية والسيطرة على الإشارات والاستجابات.
      ملاحظة: يجب أن تبقى السعة على حد سواء لهجة والعظة الضوضاء حول 60 ± 3 ديسيبل SPL.

2. التعويد المبكر

  1. تقييد الاستهلاك الغذائي الموضوع تدريجيا إلى ~ 5 غ لكل 100 غرام من هذا الموضوع في الوزن الطبيعي (على سبيل المثال على مدى 3 أيام). هذا الموضوع يجب أن نحافظ على 85-90٪ من وزنهم بالمال وبالشهرة أيضا الإعلانية.
  2. روض الموضوع إلى معالجة من قبل المجرب وتعريف الموضوع مع الجهاز من اليوم الأول من بدء بروتوكول الحرمان من الطعام. بدء التعامل مع الحيوان ووضعه في مربع تكييف هواء فعال مع توفير الغذاء الكريات في الحوض الصغير بيليه لتشجيع هذا الموضوع لاستكشاف القفص والحصول على دراية موقع التسليم مكافأة.

3. موضوع التدريب

  1. ملاحظات عامة
    1. المهمة المقترحة هنا يحتاج التنسيق الدقيق بين التصور من جديلة السمعية، والتقليل من الحركات أثناء فترة تأخير وتنفيذ الحركة.
    2. تدريب تدريجيا خطوة بخطوة تخضع لإعدادهم للسلوك النهائي المطلوب.
    3. تأكد من أن في نهاية كل خطوة، ويحافظ على هذا الموضوع> الأداء السلوكي 75٪ لا يقل عن ثلاث جلسات متتالية قبل التقدم إلى المرحلة التالية.
    4. مرة واحدة يتم الوصول إلى المرحلة النهائية، والحفاظ على هذا الموضوع على بروتوكول لمدة اسبوع لضمان الحفاظ على الأداء على المستوى المرغوب فيه.
  2. بدء: تعرف على هذا الموضوع مع ثقوب nosepoke، ومنفذ توصيل الغذاء والاقتران بين الثقوب امض والثواب.
    1. اختر واحدا من الاهداف الاربعة على جدول زمني عشوائي.
    2. تلعب جديلة الذهاب (أ الضوضاء السمعية أبيض) والحفاظ على الصمام داخل الحفرة وامض (0.3 ثانية مدة النبضة).
    3. تعيين قoftware لمكافأة هذا الموضوع على مرة إلى الحفرة.
    4. مهلة المحاكمة بعد 30 ثانية إذا لم يتم زار الحفرة وبدء محاكمة جديدة.
    5. لا مكافأة أي زيارات للثقوب غير صحيحة.
  3. اختيار الهدف: معاقبة مرة الخاطئة إلى الثقوب nonselected.
    1. بناء على زيارات إلى الثقوب غير صحيحة، إنهاء المحاكمة تليها 5 ثانية من الأسود المغادرة.
      ملاحظة: خلال حقبة قاتمة، يتم تشغيل LED ثقب تثبيت قبالة في القفص. وهذا يعني أن هذا الموضوع لا يمكن الشروع في المحاكمة ويحتاج إلى الانتظار حتى ثقب تثبيت الصمام يبدأ وامض.
    2. اختر حفرة جديدة وبدء محاكمة جديدة.
  4. Nosepoke: تدريب تخضع لكزة داخل الحفرة التثبيت لبدء المحاكمة.
    1. فلاش LED أصفر داخل الحفرة التثبيت.
    2. عند زيارة ثقب التثبيت على الفور لعب جديلة الذهاب وبدء محاكمة جديدة.
    3. معاقبة مرة غير صحيحة بنسبة 5 ثانية؛ السوداء المغادرة.
  5. التأخير: تعليم هذا الموضوع للحفاظ على أنوفهم داخل الحفرة التثبيت لفترة محددة من الزمن (فترة التأخير) التي زادت تدريجيا مع تقدم التدريب.
    1. انتظر هذا الموضوع لزيارة ثقب التثبيت.
    2. إنهاء المحاكمة إذا كان الموضوع تتراجع في غضون 500 ميللي ثانية. خلاف ذلك، تلعب جديلة الذهاب.
    3. معاقبة التراجع عنها سابق لأوانه قبل فترة قاتمة لمدة 7 ثوانى.
    4. مكافأة مرة الصحيح من خلال تقديم الغذاء بيليه.
  6. اثنين من الإشارات (مع ضوء): زيادة وبطريقة عشوائية طول فترة تأخير وتقديم تعليمات جديلة السمعية.
    1. زيادة طول فترة التأخير إلى ما متوسطه 1.5 ثانية.
    2. اختيار عشوائي تأخير طول الفترة في كل محاكمة على أساس كثافة موحدة بين 1،3-1،8 ثانية.
    3. إدخال جديلة تعليمات كنغمة السمعية تردد واحد نابض في ثلاثة توائم، مع مدة نبض 150 ميللي ثانية وفاصل interpulse من 100 ميللي ثانية.
      1. تلعب جديلة تعليمات مباشرة بعد يدخل موضوع ثقب التثبيت.
      2. تعيين اثنين من العظة تعليمات إلى كل من الأهداف.
      3. فقط استخدام جديلة واحدة المرتبطة لكل هدف في هذه المرحلة.
    4. دعونا موضوع استخدام كل العظة السمعية والبصرية لتحديد حفرة الهدف.
  7. اثنين من الإشارات (بدون ضوء): تدريب رهنا فقط استخدام الإشارات السمعية.
    1. إيقاف تشغيل المصابيح وامض داخل الثقوب المستهدفة بحيث تخضع ستستخدم فقط العظة التعليمات السمعية.
  8. أربعة الإشارات: إدخال اثنين من الاشارات الأخرى لتسلسل العظة التعليمات المقدمة بشكل عشوائي وتكرار المقاطع 3.5.3-3.6.1.

4. تحليل البيانات السلوكية

  1. نسبة النجاح: تحديد معدل النجاح كنسبة مئوية من مرة الصحيح إلى الأهداف مقسوما على العدد الكلي للمحاكمات.
    1. قياس معدل النجاح في كل مرحلة من مراحل التدريب.
  2. أنواع الخطأ:
    1. تراجع المبكرة: قياس النسبة المئوية للمحاكمات انقضت مهلتها بسبب التراجع عنها في وقت مبكر من ثقب التثبيت.
    2. الخطأ العمولة: احسب النسبة المئوية للمحاكمات فشلت عندما يزور هذا الموضوع هدفا مأمور
    3. خطأ الإغفال: احسب النسبة المئوية للأخطاء عندما يكون الموضوع لا زيارة أي من الأهداف بعد بدء المحاكمة.
  3. المتغيرات المقاسة:
    1. وقت رد الفعل (RT): للحصول على كل محاكمة، وقياس التأخير بين ظهور جديلة الذهاب والتراجع الموضوع من ثقب التثبيت.
    2. الوقت لاستهداف (TT): قياس مدة بين تراجع الموضوع من ثقب التثبيت ودخول ثقب الهدف.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تمكن الإطار المقترح تدريب هذا الموضوع على مجموعة من المهام الإدراكية. نحن هنا تنفذ مهمة تأخير تعليمات تهدف إلى التحقيق في الآليات من الإجراءات الموجهة الهدف في القشرة قبل الجبهية القوارض. ويبين الشكل 1 مخطط انسيابي من التصميم التجريبي.

لضمان أن موضوع يفهم متطلبات المهمة في كل خطوة، ينبغي تقييم مقاييس الأداء بشكل مستمر. ويبين الشكل 2 أداء سبيل المثال من موضوع واحد عبر جلسات متعددة...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وقد استخدمت على نطاق واسع في مجال البحوث الفئران علم الأعصاب لأكثر من قرن. منذ بدء العمل ثورندايك لمفهوم قانون التنفيذ في 34 القطط، وكان تكييف هواء فعال النهج القياسية لاختبار الجوانب المختلفة للسلوك الحيوان. العديد من التجارب التي تنطوي على الأعصاب اتخاذ القرارات وإعداد السيارات تشمل فترة تأخير بين العظة تعليمات والفاصل العمل. فمن المستحسن للحد من تحركات خلال هذه الفترات تأخير للحد من أي يفند للبيانات العصبية التي يتم تحصيلها. بينما التجارب الملاحة المتاهة التقليدية في...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الكتاب تعلن أي المصالح المالية المتنافسة.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وأيد هذا العمل من قبل NINDS NS054148 منحة #.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
كزة الأنف ذات 5 ثقوب مع 3 قفص فأر خفيف StimCulburnH21-06M / R
قفص اختبارCoulbournH10-11R-TC& nbsp ؛
برنامج الحالة الرسوميةCoulbourn 
مولد نغمة / ضوضاء قابل للبرمجةCoulbournA12-33  ؛
الكريات الدقيقة الخالية من الغبارBio-ServF0165
وحدة مكبر الصوتCoulbournH12-01R& nbsp ؛

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Goldstein, E. B. Cognitive psychology: Connecting mind, research, and everyday experience. , Wadsworth Publishing Company. (2008).
  2. Kandel, E. R., Schwartz, J. H., Jessell, T. M., et al. 4th edition. Principles of neural science. , McGraw-Hill. New York. (2000).
  3. Cisek, P., Kalaska, J. F. Neural mechanisms for interacting with a world full of action choices. Ann. Rev. Neurosci. 33, 269-298 (2010).
  4. Kalat, J. W. Biological psychology. , Wadsworth Publishing Company. (2012).
  5. Banich, M. T., Compton, R. J. Cognitive neuroscience. , Wadsworth Publishing Company. (2010).
  6. Carew, T. J., Pinsker, H. M., Kandel, E. R. Long-term habituation of a defensive withdrawal reflex in aplysia. Science. 175, 451-454 (1972).
  7. 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).
  8. Romo, R., Salinas, E. Flutter discrimination: neural codes, perception, memory and decision making. Nat. Rev. Neurosci. 4, 203-218 (2003).
  9. Romo, R., de Lafuente, V. Conversion of sensory signals into perceptual decisions. Prog. Neurobiol. 10, (2012).
  10. 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).
  11. Beck, J. M., et al. Probabilistic Population Codes for Bayesian Decision Making. Neuron. 60, 1142-1152 (2008).
  12. Goldman-Rakic, P. S. Circuitry of primate prefrontal cortex and regulation of behavior by representational memory. Compr. Physiol. , (1987).
  13. 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).
  14. Fuster, J. M., Alexander, G. E., et al. Neuron activity related to short-term memory. Science. 173, 652-654 (1971).
  15. Fetz, E. E., Baker, M. A. Operantly Conditioned Patterns of Activity and Correlated Responses Cells and Contralateral Muscles. , (1973).
  16. Carmena, J. M., et al. Learning to control a brain--machine interface for reaching and grasping by primates. PLoS Biol. 1, e42(2003).
  17. Georgopoulos, A. P., Schwartz, A. B., Kettner, R. E. Neuronal population coding of movement direction. Science. 233, 1416-1419 (1986).
  18. 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).
  19. Abbott, A. Laboratory animals: the Renaissance rat. Nature. 428, 464-466 (2004).
  20. Fuster, J. The prefrontal cortex. , Academic Press. (2008).
  21. 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).
  22. Abbott, A. Neuroscience: The rat pack. Nature. 465, 282-283 (2010).
  23. Uchida, N., Mainen, Z. F. Speed and accuracy of olfactory discrimination in the rat. Nat. Neurosci. 6, 1224-1229 (2003).
  24. Jaramillo, S., Zador, A. M. The auditory cortex mediates the perceptual effects of acoustic temporal expectation. Nat. Neurosci. 14, 246-251 (2010).
  25. Cohen, L., Rothschild, G., Mizrahi, A. Multisensory integration of natural odors and sounds in the auditory cortex. Neuron. 72, 357-369 (2011).
  26. Deschênes, M., Moore, J., Kleinfeld, D. Sniffing and whisking in rodents. Curr. Opin. Neurobiol. 22, 243-250 (2012).
  27. Raposo, D., Sheppard, J. P., Schrater, P. R., Churchland, A. K. Multisensory decision-making in rats and humans. J. Neurosci. 32, 3726-3735 (2012).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. Erlich, J. C., Bialek, M., Brody, C. D. A cortical substrate for memory-guided orienting in the rat. Neuron. 72, 330-343 (2011).
  32. Mohebi, A., Oweiss, K. G. Neural ensemble correlates of working memory in the rat medial prefrontal cortex. 41 st Ann. Meet. Soc. Neurosci. , (2011).
  33. Oweiss, K. G. Statistical signal processing for neuroscience and neurotechnology. , Academic Press. (2010).
  34. Thorndike, E. L. Animal intelligence: An experimental study of the associative processes in animals. Psychol. Monographs: Gen. Appl. 2, 1-109 (1898).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

Operant ConditioningFive Hole Nose PokeWorking Memory TaskAuditory Instruction CueFixation Hole TrainingBehavioral Tracking SystemMicro Electrode Array

مقالات ذات صلة