持续性注意,即持续监控环境中间歇且不可预测的事件,是认知功能的关键方面。本文详细介绍了如何利用触摸屏操作箱检测大鼠的持续性注意能力。我们展示了雄性和雌性大鼠在该任务中表现相当,表明该方法适用于两性注意力研究。
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持续性注意,即持续监控环境中间歇且不可预测的事件,是认知功能的关键方面。本文详细介绍了如何利用触摸屏操作箱检测大鼠的持续性注意能力。我们展示了雄性和雌性大鼠在该任务中表现相当,表明该方法适用于两性注意力研究。
持续性注意是指在较长时间内监控间歇性且不可预测事件的能力。这种注意过程支持认知的其他方面,并在某些神经发育性、神经精神和神经退行性疾病中受到破坏。因此,识别损害或改善持续性注意的机制在临床上具有重要意义。这类机制通常首先通过啮齿类动物模型发现。因此,已开发出多种用于测试啮齿类动物持续性注意的行为程序。其中一种方法由 McGaughy 和 Sarter(1995 年)首次描述,称为持续性注意任务(sustained attention task, SAT),训练大鼠区分信号试次(即短暂的灯光呈现)与非信号试次。信号持续时间很短,因此需要集中注意力才能察觉。通过引入干扰刺激(例如闪烁的笼内灯)可进一步增加注意负荷。我们已将该任务改进用于触摸屏操作箱,其配置为在箱体一侧安装触摸屏,可用于呈现刺激并记录反应。本文详细阐述了我们在触摸屏操作箱中实施 SAT 的实验方案。此外,我们提供了雄性和雌性 Sprague-Dawley 大鼠在该任务中的标准行为表现指标。两性在该任务中表现相当,突显了其在注意研究中的适用性,尤其随着越来越多的研究人员在实验设计中纳入雌性啮齿类动物。此外,SAT 在日益普及的触摸屏操作箱中易于实施,进一步提升了其应用价值。
从注意缺陷多动障碍(ADHD)到精神分裂症再到阿尔茨海默病,多种疾病均以注意力受损为共同特征1,2,3。其中,持续性注意力缺陷——即对间歇性且不可预测事件进行持续监控的能力下降——尤为突出,因为持续性注意力对于选择性注意、分配性注意以及其他认知过程至关重要4,5。即使在健康人群中,维持注意力困难也会对认知功能产生负面影响,损害日常活动能力6。因此,阐明持续性注意力的神经生物学基础及其失调机制,有助于开发改善认知功能的干预措施,从而惠及大量人群。
为了阐明参与正常与受损注意力的神经环路和分子机制,许多研究人员转向了非人动物模型,在这些模型中可以对执行注意力任务时的特定细胞群和分子过程进行操控。这一努力推动了多种操作性注意力任务的发展,可用于评估持续注意力能力7,8,9,10。其中一种范式由 McGaughy 和 Sarter(1995 年)开发,称为持续注意力任务(sustained attention task, SAT)。在 SAT 中训练的啮齿类动物必须区分信号试次(信号灯短暂闪烁)与非信号试次。通过引入视觉干扰物(闪烁的笼内灯)可提高注意力负荷10。SAT 中用于评估注意力的关键参数已有充分记录,该任务已在雄性和雌性大鼠及小鼠中得到验证10,11,12。甚至已有适用于人类的版本,突显了 SAT 的转化应用价值13。重要的是,该任务的使用帮助揭示了基底前脑皮层投射系统在持续注意力中的关键作用4。具体而言,基底前脑中从Meynert核(nucleus basalis of Meynert, NBM)/无名质(substantia inominata, SI)区域投射至前额叶皮层的胆碱能神经元对“命中”(hits)至关重要,即在信号试次中做出的正确反应14,15。相比之下,该区域的 GABA 能神经元被认为介导了“正确拒绝”(correct rejections, CRs)的表现,即在非信号试次中做出的正确反应16。在该任务的基本神经环路被确立后,研究人员已识别出多种可调节此环路并损害注意力的因素,从应激激素到神经毒性蛋白均被证实具有影响17,18。总体而言,这些研究凸显了 SAT 的重要应用价值。
在实验室中实施SAT的一个局限性在于,原始操作程序需要永久配置用于该任务的作业箱,箱内需设有中央面板灯和两个可伸缩杠杆,其中一个指定用于记录击中(hits),另一个用于记录正确拒绝(CRs)。10在信号试次中,面板灯短暂亮起,随后伸出杠杆,提示4秒的反应窗口。在此窗口期间,如果按压指定的“击中”杠杆,大鼠将获得奖励(食物或水)。在信号试次中按压错误的杠杆,即“漏报”,不会获得奖励。在非信号试次中,面板灯保持关闭,随后杠杆伸出。在此类试次中,正确拒绝(CR)会获得奖励,但按压错误的杠杆,即“虚报”,不会获得奖励。在反应窗口期间未进行任何反应则记为“遗漏”。为了提高SAT任务的可用性,我们近期将其改进用于触屏操作箱,其中一侧壁为触摸屏,既可呈现视觉刺激,也可记录鼻触反应。19触摸屏实验舱因其能够执行多种任务而日益流行(例如,配对联想学习,逆转学习, 等等。)使用一台设备20与其他触摸屏实验方法类似20,21,22, 我们对SAT的改进方法需要使用一种不透明的塑料触摸屏遮罩,称为mask,其上开有孔洞。中央的圆形孔洞允许通过在后方屏幕显示白色刺激来呈现信号,两个方形反应区域分别用于记录击中(hits)和正确拒绝(CRs),使大鼠可通过触碰进行反应19在传统实验箱中,通常通过推出杠杆来提示4秒的反应窗口,但先前的一项研究表明,也可使用音调来提示反应窗口。23在触屏SAT中,我们同样通过短暂的音调来提示反应窗口。其他训练参数(例如试验次数,试验间间隔 等等。传统SAT与触屏SAT之间的参数设置保持一致。我们此前评估了传统SAT与触屏SAT版本的执行表现,发现两者具有可比性,表明触屏SAT是测量持续注意力的有效方法。19触摸屏的改进使SAT更具多功能性,因为它现在可适用于广泛使用的触摸屏操作箱。
本实验方案详细介绍了如何在实验室中进行触摸屏SAT操作。训练流程相较于我们此前报道的任务有所调整19,旨在优化雌性大鼠的学习时间,因为雌性大鼠与雄性不同,在此前的训练流程中难以顺利进阶24。文中包含了雄性和雌性大鼠典型行为表现的结果,并提供了任务操作中常见问题的解决建议。
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所有实验均按照美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)指南进行,并经天普大学(Temple University)机构动物使用与护理委员会批准。本方案采用成年(开始研究时约60日龄)雄性和雌性斯普拉格-道利大鼠(Sprague-Dawley rats,Charles River)进行。
1. 触屏SAT实验材料
2. 触屏SAT实验的时间安排设计
注意:以下方案详细说明了如何设置触摸屏SAT中塑造和测试阶段的时间表参数。所有这些时间表均可应要求提供。表1展示了时间表的参数设置。
| 训练阶段 | 最大试验次数 | 信号持续时间 (ms) | 特殊条件 | 达标标准 | 各阶段中位天数 |
| 鼻触形状训练 | 120 | 无事件 | 笼灯开启 | 40 分钟内完成 120 次试验 | 雄性:2 天,雌性:2 天 |
| 训练程序 1 | 162 | 500 | 笼灯开启;校正试验;信号试验期间反应窗口亮度设为 50% | 连续 3 天,命中率 > 70%,正确拒绝率 > 70%,遗漏率 < 20% | 雄性:19 天,雌性:25 天 |
| 训练程序 2 | 162 | 500 | 笼灯开启 | 连续 3 天,命中率 > 70%,正确拒绝率 > 70%,遗漏率 < 20% | 雄性:13 天,雌性:21 天 |
| SAT | 162 | 500, 50, 25 | 笼灯开启 | 500 ms 条件下命中率 > 70%,正确拒绝率 > 70%,遗漏率 < 20%,连续 3 天达标 | 雄性:18 天,雌性:12 天 |
表1:各训练时间表及其平均习得时间。
其中h和f分别为信号试验中的命中比例和非信号试验中的误报比例。VI值范围为-1至+1,VI为0表示大鼠无法区分信号与非信号试验。在计算VI时不包括遗漏的试验。3. 大鼠触摸屏SAT实验操作步骤
4. 行为问题排查
注意:当大鼠转入下一阶段的训练(i.e.,从鼻触训练阶段转至训练计划1、从训练计划1转至训练计划2、从训练计划2转至SAT)时,其表现下降是正常现象。然而,如果其表现随时间未见改善,或某只大鼠原本表现良好却突然变差,最常见的原因是食物限制不当。
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在大多数注意力研究中,大鼠首先在SAT任务中训练至达标标准,随后进行干预以破坏或改善其注意力。通常情况下,研究不会展示获取阶段的数据,但本文展示了雄性和雌性Sprague-Dawley大鼠在SAT任务中的学习获取速度。为此,我们量化了大鼠达到SAT任务标准所需的中位天数(从鼻触阶段开始计算)。需要注意的是,有少数大鼠未能在规定时间内达标(雄性n = 5,雌性n = 1)。雄性(n = 24)和雌性(n = 16)大鼠达到标准所需的中位天数(包括在规定时间内未达标者)分别为54.5天和62天(图1)。两性在获取时间上无显著差异 [U = 165.5, Z = -0.75, p = .469]。值得注意的是,雄性大鼠在获取时间上的变异性似乎大于雌性 [四分位距 (IQR) = 60.25 对比 IQR = 29.50]。
大鼠达到基线水平后,我...
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持续性注意力缺陷在神经精神、神经发育和神经退行性疾病中均有报道1,2,3,但影响注意力最佳状态或受损状态的机制尚未得到充分研究。部分原因在于,专用设备限制了啮齿类动物注意力任务的便捷推广。然而,触摸屏实验舱通过使用同一套设备灵活运行多种认知任务,正在解决这一问题20,22。本文进一步扩展了可用于触摸屏的认知任务列表20,22,详细阐述了如何在雄性和雌性Sprague-Dawley大鼠中实施触摸屏持续注意力任务(SAT)。对两性间表现的比较显示,其习得速率相当。然而,雄性在达到标准方面表现出比雌性更大的变异性。这一有趣的性别差异可能与Sprague-Dawley大鼠品系中雄性个体特质变异度较高而雌性较低的现象有关
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作者无任何利益冲突需要披露。
感谢 Joy Bergmann、Attilio Ceretti、Sarah Cohen、Nina Duncan、Arron Hall、Hanna Lefebo 和 Madeleine Salvatore 在行为实验方面的协助,感谢 Vinay Parikh 博士、Brittney Yegla 博士和 Rob Cole 对 SAT 参数提供的建议。感谢 Jill McGaughy 博士在训练流程方面的指导。本研究得到了美国国立卫生研究院资助项目 NIMH 092438 和美国国家科学基金会资助项目 IOS 1552416 对 D.A.B. 的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Bussey-Saksida 大鼠触摸屏实验箱简易安装系统 | Lafayette Instrument | 80604-20 | 包含:触摸屏、带穿孔地板的箱体底座、大型喂食器奖励区(44.5 mm 宽 × 92.5 mm 高)、扬声器、笼内照明灯、音调发生器、隔音箱(SAC);梯形动物操作区域在喂食器处宽 126 mm,在屏幕处宽 240 mm、深 332 mm,高度为 300 mm |
| 隔音箱(SAC) | Lafayette Instrument | 80604-20 | 隔音效果约 35 dB;重量 38 kg;外部尺寸:600 mm 宽 × 670 mm 高 × 352 mm 深;内部尺寸:540 mm 宽 × 610 mm 高 × 532 mm 深 |
| 触摸屏用 Abet II 软件 | Lafayette Instrument | 89505 | 版本 2.19 |
| Whisker 多媒体系统 | Lafayette Instrument | 80698-1 | Abet II 触摸操作所必需 |
| 颗粒分配器 | Lafayette Instrument | 80209-45 | 45 mg 可更换颗粒尺寸轮 |
| 摄像头 | Lafayette Instrument | 80600-CAM | 针对红外光过滤并聚焦 |
| Microsoft Windows | Microsoft | 推荐使用 Windows 7 64 位系统 | |
| 控制器 PC-触摸屏实验箱 | Lafayette Instrument | 88530 | 双核 Pentium 处理器;2.5 GHz 或更高;配备键盘、鼠标和显示器;已安装 PCI 卡、电缆及扩展模块;四个 RS232 端口;四个 VGA 端口 |
| 无尘精密颗粒饲料 | BioServe | F0165 | 45 mg |
| 黑色亚克力遮罩 | Everything Plastic | 定制产品 | 黑色聚碳酸酯材质,一侧为哑光表面,厚度 3.18 mm;中心圆形开口,直径 28.58 mm,距底部 107.95 mm,左右居中;两个方形响应区域,每个 28.57 mm × 28.57 mm,位于下方且偏心布置,一个距左侧 85.725 mm,另一个距右侧 85.725 mm,两者均距底部 34.925 mm |
| 多功能推车 | Fisher Scientific | 11-954-754 | 30.75 英寸 × 18.38 英寸 × 33 英寸 |
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| 带红光的头灯 | Energizer | HDL33A2E | LED 白光与红光 |
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