نظام آلي بالكامل وذات استخدامات متعددة لاختبار متعدد الوظائف المعرفية وتسجيل أنشطة الخلايا العصبية في القوارض

الهدف العام من هذا الإجراء هو تدريب جرذ على أداء سلسلة من المهام التي يمكن من خلالها استقصاء وظائف دماغية متعددة. ويتم تحقيق ذلك أولاً عن طريق تأقلم الجرذان مع غرفة السلوك، ثم تتمثل الخطوة الثانية في تدريب الجرذ على ضغط رافعة للحصول على كرات الطعام كمكافآت.

بعد ذلك، يتم تدريب الجرذان على كشف رافعة مخفية عن طريق إدخال رؤوسها في فتحة poking الأنف. وتتمثل الخطوة النهائية في تدريب الجرذان على التعرف على إشارة حسية ومن ثم الضغط على الرافعة الصحيحة التي تشير إليها تلك الإشارة. وفي النهاية، تتعلم الجرذان التسلسل الكامل للمهام التي تهدف إلى الحصول على المكافآت.

لقد قمنا بتطوير نظام مؤتمت بالكامل لإجراء الاختبارات السلوكية وتسجيل النشاط العصبي. وباستخدام هذا النظام، يمكن استقصاء وظائف دماغية متعددة. وتتمثل الميزة الفريدة لهذا النظام في غرفة شفافة صوتياً مصنعة حسب الطلب، والتي تعد مثالية للتدريب على المهام السمعية.

وتتمثل ميزة أخرى لهذا النظام في إمكانية إضافة أجهزة تشغيل مختلفة بسهولة، مما يجعل النظام متعدد الاستخدامات للغاية، ويسمح بتنفيذ مجموعة متنوعة من المهام السلوكية السمعية والبصرية والسمعية البصرية. يتكون النظام من ثلاثة مكونات رئيسية: غرفة عازلة للصوت مزدوجة الجدران، ونظام تسجيل فيزيولوجيا كهربائية متعدد القنوات، ونظام اختبار سلوكي مؤتمت بالكامل. وتوجد غرفة تشغيل مصممة خصيصاً داخل الغرفة العازلة للصوت.

تتكون الحجرة من ثلاثة جدران شفافة صوتياً ولوحة تشغيل نمطية واحدة لمراقبة السلوك وتسجيله. كما ثُبِّتت كاميرا فيديو فوق لوحة التشغيل في الحجرة. ويقوم صندوق واجهة بنقل الإشارات ذهاباً وإياباً بين الحجرة وجهاز الكمبيوتر.

يتم توليد الإشارات السمعية بواسطة مولد صوتي قابل للبرمجة ومعاير، وتُنقل عبر ثلاث مكبرات صوت تقع على لوحة التشغيل المخصصة للإشارات البصرية، بينما يوجد ضوء تحفيزي وشاشتا عرض ثلاثية التحفيز على اللوحتين الوسطى والجانبية. كما تم تركيب جهاز وخز الأنف المزود بثلاثة مصابيح LED ملونة في الجزء السفلي من اللوحة الوسطى. ويقوم كاشف الأشعة تحت الحمراء المثبت داخل وحدة وخز الأنف بتسجيل عمليات وخز الأنف والانتظار.

يتم تركيب رافعتي استجابة قابلتين للسحب والإزالة للفترة الثانية على كل جانب من جانبي منطقة التشغيل. ويتم تقديم مكافآت اللوحة بواسطة موزعين للكريات يقومان بإسقاط الطعام في مستقبلات الكريات. كما وُضع أربعة أزواج من الأشعة تحت الحمراء في أسفل الغرفة لتحديد موقع الحيوان والتحكم في الأجهزة بناءً على هذا الموقع.

وأخيراً، يتم توصيل الكابلات من مرحلة الرأس (head stage) بمبدل (commutator) لتسجيل النشاط العصبي. يتم أتمتة البروتوكول التجريبي بالكامل عبر برامج تم إنشاؤها ضمن منصة برمجيات Med PC four. يتم حفظ البيانات السلوكية وتحويلها إلى ملفات Microsoft Excel، ثم استيرادها وتحليلها باستخدام matlab.

قبل البدء في التدريب، قلل كمية الغذاء المتناولة حتى يصل وزن الحيوان إلى 90% من الوزن المرجعي. ولتجهيز الغرفة لعملية التأقلم، اسحب الروافع، وسد فتحة وخز الأنف بسدادة مطاطية، وضع حوالي 20 كريّة من الغذاء في كل وعاء للكريّات. الآن، ضع حيواناً غير خاضع للتجربة في الغرفة من أجل التأقلم.

سيبدأ الجرذ قريبًا في استكشاف أكواب الطعام وتناول الكريات. عندما يفرغ كلا كوبي الطعام، استخدم البرنامج لتوزيع كرية واحدة في كل صينية. وبذلك، سيتعلم الجرذ ربط الطعام بالكوب.

اجبر الجرذ على التحرك نحو كلا جانبي الغرفة عن طريق توزيع الكريات عشوائياً في كل كوب طعام. عادةً ما تكون جلسة واحدة كافية لإنشاء الارتباط بكوب الطعام. وفي جلسة جديدة، قم بمد كلا الرافعتين داخل الغرفة واترك كوب الطعام فارغاً. بعد ذلك، ضع جرذاً متأقلمًا في الغرفة.

عندما يدخل الحيوان في محيط الرافعة، قم بصرف كريّة غذائية. كما يجب تقديم المكافآت عندما يظهر الجرذ اهتماماً بالرافعة، مثل الشم أو اللمس أو التسلق. كما ينبغي أن يؤدي الضغط العرضي على الرافعة إلى تحفيز صرف مكافأة أيضاً.

لتحفيز ضغط الروافع وفرض استكشاف كلتا الروافع، اسمح للحيوان بضغط كل رافعة بالتتابع لعدد محدود من المرات، وعند الوصول إلى هذا الحد، اسحب الرافعة. قم بمد كلتا الروافع لتكرار الإجراء. قلل هذا الحد تدريجياً حتى يتم سحب الرافعة في كل مرة يتم ضغطها فيها.

عادة ما تكون جلسة واحدة إلى جلستين كافيتين لترسيخ عملية الربط بين الرافعة ومكافأة الطعام. في جلسة جديدة، قم بسحب الروافع.

قم بإزالة السدادة المطاطية من ثقب وخز الأنف، وضع عدة حبيبات غذائية داخل جهاز وخز الأنف. أعد الحيوان إلى الغرفة وقم بمد أحد الرافعتين عشوائياً.

عندما يشم الجرذ فتحة غرز الأنف بحثاً عن حبيبات الطعام، ورؤيته للرافعة الممتدة، سيقترب الجرذ ويدفع الرافعة للحصول على حبيبة طعام. بعد الضغط على الرافعة وصرف المكافأة، يتم سحب الرافعة لتشجيع الجرذ على استكشاف جهاز غرز الأنف. وعادة ما تستغرق الجلسة الواحدة ومدتها 30 دقيقة لكي يتعلم الجرذ تسلسل المهمة: الأنف، الغرز، الرافعة، دفع المكافآت.

في جلسة جديدة أخرى، ضع الحيوان داخل الغرفة لبدء تدريب Q. بعد قيام الحيوان بحدث وخز الأنف، قم بتشغيل إشارة سمعية مميزة. قم بمد كل من الرافعتين اليمنى واليسرى.

بعد كل عرض لإشارة سمعية، كافئ الجرذ فقط عندما يضغط على الرافعة التي تشير إليها الإشارة السمعية، حيث سيتعلم الحيوان تدريجياً ربط إشارة سمعية محددة برافعة واحدة. يجب أن يكون الحيوان الآن قادراً على تنفيذ التسلسل التدريبي الكامل المطلوب: وضع الأنف في الفتحة، الإشارة، ضغط الرافعة، المكافأة، أو عدم الحصول على مكافأة.

اترك الجرذ يتدرب على المهمة التي تعلمها حديثاً حتى يصل إلى مستوى أداء ثابت. تقتصر الجلسة على 30 دقيقة. يمكن استخدام هذا النظام لإجراء مهمة التمييز بين طبقتين صوتيتين بخيارين بديلين، والتي تفحص عتبة التمييز الترددي لدى الجرذ.

بعد تدريب الجرذان على الضغط بسرعة على الرافعة الصحيحة التي تشير إليها إشارة سمعية، يتم الحصول على منحنى تعلم سمعي. يمثل كل خط ملون تغيرات تردد التمييز لحيوان فردي. ويمثل الخط الداكن منحنى التعلم المتوسط.

في المتوسط، استغرق الأمر حوالي سبع جلسات تدريبية لتحقيق معدل إصابة بنسبة 75% كمعيار. كما يمكن توصيف السلوك الحيواني في هذه المهمة كمياً من خلال عدة قياسات، بما في ذلك وقت الاستجابة بالنسبة لبداية الإشارة السمعية، والفاصل الزمني بين التجارب، والديناميكيات الزمنية للأداء. كما يمكن استقصاء وظائف دماغية معرفية متعددة باستخدام هذا النظام.

تصف التعليقات العلوية كل إجراء بالتسلسل خلال تجربة واحدة. وتشير التعليقات السفلية إلى الوظائف السلوكية المعرفية التي يمكن دراستها عند دمجها مع الفيزيولوجيا الكهربائية. كما يمكن أيضاً دراسة تسجيل الأساس العصبي للوظائف السلوكية المعرفية.

يُظهر هذا المخطط عصبوناً تم تسجيله في النواة السطحية للسطح (nucleus space ssus) لجرذ يؤدي مهمة التمييز بين نغمتين من خيارين بديلين. وبينما يُظهر هذا المخطط عصبوناً تم تسجيله في المنطقة القطاعية البطنية، فمن المهم عند محاولة تنفيذ هذا الإجراء إيلاء اهتمام وثيق للفروق بين الجرذان وخصائصها السلوكية وقدراتها المعرفية؛ لذا يجب تخصيص إجراءات ومعايير التدريب لكل حالة على حدة لتحقيق أفضل نتائج التدريب. وعلى الرغم من أننا طورنا هذا النظام بشكل أساسي لدراسة النظام السمعي، إلا أنه يمكن تكييفه بسهولة من قبل باحثين آخرين لدراسة النظام البصري ووظائف دماغية معرفية متعددة مثل الدافع، والانتباه، والصبر، والمكافآت.