提出了一种用于啮齿类动物操作性条件反射的全自动化实验方案。该方案依赖于对行为事件的精确时间控制，以研究这种控制在多大程度上影响感觉运动整合及认知控制实验中潜在的神经活动。
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本文内容
摘要
摘要
啮齿类动物传统上被用作涉及多种感觉、认知和运动任务的实验室实验中的标准动物模型。然而，对于需要精确控制感觉运动反应的高级认知功能（如决策和注意力调节），通常在非人灵长类动物中进行评估。尽管灵长类动物行为丰富，可支持这些功能的多种变体研究，啮齿类动物模型仍是一种具有吸引力且成本效益高的替代方案。此外，在研究这些复杂功能的广泛范围时，能够完全自动化地对啮齿类动物进行操作性条件反射训练，相比耗时耗力的非人灵长类动物训练，具有独特的优势。
本文介绍了一种对大鼠进行操作性条件训练以执行工作记忆任务的实验方案。在任务的关键阶段，该方案要求动物“注视”直至接收到“开始”提示，从而最大限度地减少动物明显的身体移动，类似于非人灵长类动物的实验设计。我们采用一个简单的二选一迫选任务来展示其执行效果，并讨论了该范式在其他任务中的应用。
引言
研究神经生理学与行为之间的关系是系统神经科学的最终目标。从历史上看，动物模型的选择与行为谱之间存在权衡1-5。虽然像海蛞蝓6或鱿鱼7这样的简单生物已被广泛用于研究单个离子通道、神经元以及简单神经回路的特性，但研究更复杂的功能（如空间导航、决策8-11和认知控制12-14）则需要更高阶的物种。尽管非人灵长类动物是模拟人类行为的标准动物模型，但其使用涉及成本和伦理问题，限制了在单一实验室环境中开展广泛实验的可行性15-18。因此，通常更倾向于使用啮齿类等较简单的动物模型19，前提是它们在感兴趣的行为背后具有类似的神经基础。
大量证据表明，啮齿类动物具有与灵长类动物相似的大脑皮层和皮层下结构20-22。已知啮齿类动物能够整合多种感觉模态的信息以指导其行为23-25，例如在探索行为中协调触须运动与嗅探活动26，或整合听觉与视觉/嗅觉事件25,27。
本文描述了一种用于测试啮齿类动物认知任务的操作性条件反射框架28-32。在此框架中，实验动物需将鼻部固定于鼻触孔内，并在“开始”提示出现前始终保持鼻部位于孔中。该行为任务采用五孔鼻触设计，通常用于五选一序列反应时间任务的研究....
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方案
所有涉及动物的实验程序均经密歇根州立大学机构动物护理与使用委员会（IACUC）批准。
1. 实验设置
- 使用一个操作性条件反射箱，其一侧为五孔鼻触墙，另一侧为食物递送槽。
- 中间的鼻触孔被视为"注视"孔，其余四个孔（注视孔两侧各两个）被视为运动目标孔。每个孔均配备一个三色LED和一个红外光束发射-检测系统，用于检测动物进入和退出注视孔的行为。
- 使用可编程音调发生器生成具有毫秒级精度的单频音调，并将其连接至安装在操作箱内部的扬声器。通过适当的行为追踪软件控制音调发生器和鼻触输入。使用能够以毫秒级时间尺度监测行为事件并控制提示和反应的硬件与软件系统。
注意：音调和噪声提示的强度应保持在约 60 ± 3 dB SPL。
2. 早期习惯化
- 逐渐将受试对象的食物摄入量限制至约5 g 每100克 受试者正常体重的（例如 3天内）。受试者应保持其85-90%的 随意摄取 重量
- 从食物剥夺方案的第一天起，让受试对象习惯实验人员的抓握操作，并使其熟悉实验装置。开始抓握动物并将其放入操作性条件反射箱中，同时在食丸槽内提供食丸，以鼓励受试对象探索箱体环境并熟悉奖励投放位置。
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结果
该建议的框架能够使受试者接受一系列认知任务的训练。在此，我们实施了一项指令延迟任务，旨在研究啮齿类动物前额叶皮层中目标导向行为的机制。图1展示了实验设计的流程图。
为了确保受试者在每个步骤中都能理解任务要求，应持续评估其表现。图2展示了某一位受试者在多次实验会话中的典型表现。当受试者掌握任务后，会在其前边缘区（对应于内侧前额叶皮层）植入一个32通道的微电极阵列。记录多单元放电活动和局部场电位（LFPs）。使用标准的脉冲波形分类技术33分离单个神经元的脉冲序列，并标记与任务不同阶段相关的事件。图3和图4展示了一些在任务关键阶段选择性调控多个单神经元活动的示例结果。
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讨论
大鼠在神经科学研究中已广泛应用了一个多世纪。自桑代克在猫身上提出效果律概念以来34，操作性条件反射一直是测试动物行为不同方面的标准方法。许多涉及决策和运动准备的神经科学实验在指令线索和动作区间之间设置了延迟期。在这些延迟期间，最好尽量减少动物的运动，以降低对所获取神经数据的干扰。虽然传统的啮齿类动物迷宫导航实验利用了啮齿类动物强大的觅食能力，但这类实验受限于动物的实际运动，因此无法用于研究决策和运动规划等更复杂的问题。尽管迷宫任务易于实施——因为受试动物能快速学会导航——但在任务的每个阶段，外在行为均不受限制例如 T迷宫的中央臂
本文介绍了一种受啮齿类动物视觉注意研究启发的灵活实验框架。我们提供的代表性结果表明，即使多个感觉线索与单一运动目标相关联，动物仍能够学会该任务。选择此设计旨在检验工作记忆在指导运动行为中的作用能力。该实验方案中最关键的步骤是训练受试动物在整个延迟期间将鼻部保持在固定孔内。
由于额叶区域与许多皮层及皮层下区域存在相互连接，精确控制行为事件的时间进程，并将这些事件的.......
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披露
作者声明 不存在相互竞争的经济利益。
致谢
本工作由 NINDS 资助项目 #NS054148 支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 5孔鼻触响应箱（带3种刺激提示灯，大鼠用） | Coulbourn | H21-06M/R | |
| 测试箱 | Coulbourn | H10-11R-TC | |
| 图形化状态控制软件 | Coulbourn | ||
| 可编程音调/噪声发生器 | Coulbourn | A12-33 | |
| 无粉尘精密颗粒饲料 | Bio-Serv | F0165 | |
| 扬声器模块 | Coulbourn | H12-01R |
参考文献
- 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. 4th edition. Principles of neural science. , McGraw-Hill. New York. (2000).
- Cisek, P., Kalaska, J. F.
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