本文描述了一种大鼠版本的人类心理运动警觉性测试(PVT),用于测量与人类PVT所评估的相似的注意力特征,包括人类警觉性的多个方面,如行为准确性、运动速度、过早反应以及注意力 lapses( lapses 指注意力短暂缺失)。
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本文描述了一种大鼠版本的人类心理运动警觉性测试(PVT),用于测量与人类PVT所评估的相似的注意力特征,包括人类警觉性的多个方面,如行为准确性、运动速度、过早反应以及注意力 lapses( lapses 指注意力短暂缺失)。
人类心理运动警觉性测试(Psychomotor Vigilance Test, PVT)是一种广泛用于测量疲劳和持续注意力变化的实验方法。本文介绍了一种适用于啮齿类动物的PVT版本——称为"rPVT”,用于评估类似的注意力指标(i.e.,表现准确性、运动速度、过早反应以及注意力 lapses)。文中提供的数据显示,rPVT在实验室大鼠中的应用具有短期和长期的有效性。大鼠能够轻松学会rPVT任务,掌握基本操作所需训练时间少于两周。一旦学会,大鼠在rPVT中的表现与人类PVT中的相应指标高度相似,包括注意力 lapses、反应时间、随着实验时间延长而出现的警觉性下降(i.e.,人类中的"任务持续时间"效应),以及人类中所描述的刺激-反应间隔(RSI)效应。因此,rPVT可成为评估多种变量对持续注意力影响的极为有价值的工具,其表现模式与人类PVT高度相似,因而有助于开发针对神经行为功能障碍的新型治疗方法。
人类心理运动警觉性测试(PVT)是一种广泛使用且经过充分验证的工具,用于测量人类的警觉性和持续注意力,最初由 Dinges et al. 1-3 开发,用于评估反应时间的稳定性以及注意力(例如,以过早反应和注意力 lapses 表示的错误)在整次测试会话内以及会话过程中随时间的变化。多年来,人类 PVT 已被修改和更新4-11,以追踪注意力多个方面的时序变化,并已被证明对睡眠剥夺和疲劳引起的变化具有敏感性,且受药物使用和受试者年龄的影响12,13。PVT 是一种看似简单的程序,受试者在刺激(通常为 LED 数字显示)随机出现时(通常在 2 - 10 秒后)短暂触摸屏幕。在人类版本中,数字显示以毫秒(ms)递增,当屏幕被触摸时停止,从而指示受试者的反应时间(RT)。警觉性下降表现为:1)反应时间变慢;2)lapses 增加(在人类文献中称为 "遗漏错误",通常定义为反应时间 > 500 ms);以及 3)过早反应增加(在人类文献中称为 " commissions 错误" 或 "错误启动")。PVT 还可用于获取其他测量指标,以研究性别和年龄差异等变量;有关这些测量指标的综述,参见 Basner 和 Dinges4。最后,PVT 已被应用于人类风险评估的广泛领域,并已在多种实际操作环境中成功使用,包括军事、航空和铁路行业、急救人员,以及 NASA 的极端环境任务行动(NEEMO)、国际火星500项目14 和国际空间站(ISS)。在国际空间站上,PVT 被称为 "反应自测",用于为宇航员提供个体化的与疲劳相关的反馈(例如,反应时间变化或注意力 lapses)。
人类PVT已使用数十年,啮齿类动物的简单反应时任务(与之有一定相似性)亦然。然而,直到最近,文献中才首次报道了与人类PVT直接对应的啮齿类动物模型。Christie及其同事描述了一种适用于大鼠的人类PVT版本,并报告了睡眠剥夺后警觉性的下降。15,16. 最近的其他研究已报道了rPVT的多个版本17-19这些报告描述了不同睡眠剥夺技术后持续注意力发生的变化;然而,这些研究的数据还报告了高水平的过早反应例如在某些情况下,超过总反应次数的40%);这种表现与人类在PVT任务中的表现截然不同。啮齿类动物在这一指标上存在如此巨大的差异 与 人类表现的差异可能源于人类与啮齿类动物版本的PVT实验中所采用的具体参数不同;例如,Christie 等 研究采用随机变化的3-7秒预备期,而人类PVT通常采用2-10秒预备期(尽管参见Basner) 等5 对于使用1-4秒准备期的人类PVT的3分钟版本)。相对较短的准备期值常会导致动物 "时间安排" 它们的反应,从而通过偶然强化促进过早反应次数的增加,这已在当前的啮齿类动物rPVT研究中被报道。
本文所述的rPVT版本基于我们先前发表的文章20,并对所涉及的技术和操作步骤提供了详细描述。该版本与先前发表的rPVT版本在以下方面有所不同:1)大鼠训练时采用可变的预备期(foreperiod)值,范围为3 - 10秒;2)大鼠必须快速作出反应,因为在刺激呈现后仅有一个短暂的反应窗口(也称为"限时保持")内的反应才会得到强化(本研究中为1.5秒,而先前发表版本中为3.0秒)。这些改进措施,结合对错误反应施加短暂的超时惩罚,显著增强了刺激控制水平,表现为准确性明显提高以及过早反应显著减少。本报告还描述了表现参数(例如,注意力 lapses、反应时RTs)的可预测变化,这些变化与人类在研究警觉性下降21时所观察到的现象相平行,同时也与人类其他表现指标的变化一致,包括人类"任务持续时间"效应以及在人类PVT中观察到的反应-刺激间隔(RSI)效应22。
本文所述的rPVT最终版本以开启箱内照明灯开始(见图1)。经过一个可变的时间间隔(预备期)3至10秒后,鼻触键被点亮,最长持续1.5秒。(为确保预备期时长的均匀分布,其数值从36个可能值中无放回随机抽取,范围为3至10秒,以200毫秒为增量。)鼻触键的点亮是动物作出反应的信号,在灯光开启后150至1,500毫秒内发生的反应将获得一次强化,给予一粒45毫克的食丸。在一次被强化的反应之后,鼻触键灯和箱内照明灯均关闭,并进入1秒的试验间间隔(ITI;箱灯关闭)。在灯光开启前发生的鼻触行为将导致8秒的超时(TO),即实验程序暂停8秒,表现为箱内照明灯熄灭。如果在1.5秒的反应窗口内未发生任何反应,则鼻触键灯和箱内照明灯均关闭,并进入1秒的ITI。下一次试验的预定预备期时长在前一次试验结束后的1秒ITI或8秒TO结束后开始计时。实验每日进行(每周5天),通常包含约200次试验,并在30分钟后结束。因此,平均每次试验持续约7.5秒。
通过以下步骤在rPVT上建立稳定的基线表现:1)首先使大鼠适应从实验舱内的食盒中取出食物颗粒;2)通过强化逐步接近最终鼻触反应的行为,手动训练大鼠在鼻触键上作出反应;3)进行每日实验阶段,根据每只大鼠在各阶段中的表现情况,逐步调整rPVT程序的参数(即 前线索时间、刺激间间隔、超时时间以及键灯照明时间)(具体细节见下文描述)。
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实验动物护理遵循公共卫生服务(PHS)关于实验动物人道护理与使用的政策。所有操作均严格遵守美国国立卫生研究院《实验动物护理与使用指南》中的建议。约翰斯·霍普金斯大学机构动物护理与使用委员会已批准本研究方案及所有操作程序。约翰斯·霍普金斯大学还通过实验动物护理评估与认证协会(AAALAC)对其项目进行了认证。
1. 动物
2. 仪器与软件
3. 预训练
4. rPVT 训练
5. 基本反应指标的数据分析
6. 其他计算性能指标
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大鼠rPVT基线行为表现
根据此处详述的参数,在122只雄性大鼠中,有86.7%的大鼠在平均9.0次(标准差 = 10.13;n = 122)由计算机自动控制的训练阶段内达到了最终的rPVT参数(训练过程见4.1–4.9节rPVT训练部分);据我们的经验,仅有约2%的大鼠无法习得rPVT任务。采用当前方法,在rPVT标准表现参数下的首次完整测试中,大鼠平均正确反应率为73.4%,注意力 lapses(失误)为18.6%,过早反应为10.6%;平均反应时间约为527 ms(见 图3)。到第4th 完整实验阶段,正确反应率趋于稳定,此后未出现显著变化。数据来自我们已发表的文章20 表明,如果动物达到高于平均水平的 d' 在第一次正常训练阶段期间达到基线表现标准所需的平均训练次数为8.7次,且他们更快地达到了基线表现标准 与 10.0,由均值分割t检验...
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本文所述方法可使大鼠在rPVT任务中的表现,在多个方面与人类文献中报道的典型PVT表现具有良好的可比性。采用本技术,可快速训练大鼠完成rPVT任务,且所得表现具有清晰的辨别能力即,正确的反应率较高,且早期反应和失误率均较低。此外,使用rPVT获得的反应时分布与人类执行PVT时的反应时分布非常相似。12 (参见 图5),以及过早反应和注意力 lapses 的频率(例如,如 Beijamini 对青少年的研究所示 等.27)。最后,对应于人类任务持续时间及可变预备时间间隔的两种参数即,人类中观察到的RSI效应在啮齿类动物执行rPVT时同样可见(参见 图6 和 7, (分别为)。人类与啮齿类动物在PVT任务中的表现具有高度相似性,这使得rPVT在作为临床前研究技术应用时具有显著优势,尤其适用于关注注意力/警觉性的转化研究。
在将rPVT应用于啮齿类动物时,研究者需要考虑若干...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本研究由美国国家航空航天局(NASA)(编号NNX15AC17G,授予CMD)以及NASA与国家空间生物医学研究所签订的协作协议NCC 9-58(编号E000010,授予CMD;编号NBPF02802和NBPF04201,授予RDH)提供支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 带不锈钢网格地板的模块化大鼠操作箱 | Med Associates | ENV-008 | Med Associates Inc. PO Box 319 St. Albans, Vermont 05478, USA 电话: (802) 527-2343 |
| 隔音操作室 | Med Associates | ENV-022MD | 用于放置大鼠操作箱 |
| 大鼠用箱内照明灯 | Med Associates | ENV-215M | |
| 直径1"的大鼠鼻触反应键 | Med Associates | ENV-119M-1 | |
| 颗粒食丸接斗,槽型 | Med Associates | ENV-200R2M | |
| 用于大鼠的模块化食丸分配器,45 mg | Med Associates | ENV-203M-45 | |
| 支持最多8个操作箱的PCI操作套件 | Med Associates | MED-SYST-8 | |
| SmartCtrl | Med Associates | DIG-716P1 | 该目录编号包含8个输出端口和4个输入端口,为运行rPVT所需的最小配置;SmartCtrl也可选购16个输出端口和8个输入端口的型号以获得更高灵活性 |
| Med-PC IV 软件 | Med Associates | SOF-735 | |
| 配备PCI插槽的PC计算机 | 任意制造商(例如,Dell) | 使用PCI操作套件需要配备PCI插槽的计算机。也可使用基于PCIe的系统。详情请咨询Med Associates。 | |
| 无尘精密颗粒饲料,45 mg,啮齿类谷物基饮食 | Bio Serv | FO165 | Bio-Serv One 8th Street, Suite 1 Frenchtown, NJ 08825, USA 电话: (800)-996-9908; 通常使用标准饲料颗粒。其他类型的颗粒(例如,蔗糖颗粒)可从Bio Serv获取。 |
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