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方法文章

刺激间隔时长在啮齿类动物时间感知能力评估中的重要性

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DOI:

10.3791/58659

2019年4月19日

本文内容

摘要

时间处理是一种前注意过程,可能构成神经认知障碍中常见的高级认知功能缺陷(包括注意力障碍)的基础。本文以脉冲前抑制作为典型范式,介绍了一种通过调控刺激间间隔(ISI)以确定ISI函数形态的实验方案,从而对时间处理能力进行评估。

摘要

时间加工缺陷被认为可能是神经认知障碍中高级认知过程的一个潜在基本维度,这类缺陷在神经认知障碍中普遍存在。尽管前脉冲抑制(PPI)近年来得到广泛应用,但目前许多实验方案倾向于采用“对照组百分比”作为衡量指标,从而限制了对时间加工能力的评估。本研究采用跨模态前脉冲抑制(cross-modal PPI)和间隙前脉冲抑制(gap-PPI)方法,展示了使用多种刺激间间隔(ISI)来解析感觉模态、精神兴奋剂暴露和年龄等因素影响的优势。通过对感觉模态、精神兴奋剂暴露和年龄的评估,揭示了通过改变刺激间间隔(ISI)以构建ISI函数曲线形态的方法的实用性,包括惊吓反应幅度的变化(如曲线拐点更陡峭或反应幅度曲线趋于平缓)。此外,还常可观察到峰值抑制反应的偏移,提示对ISI操纵存在差异性敏感。因此,系统性地调节ISI为评估时间加工能力提供了关键机会,有助于揭示神经认知障碍中涉及的潜在神经机制。

引言

时间处理缺陷被认为是神经认知障碍中常见高级认知功能改变的潜在神经机制之一。听觉惊吓反应(ASR)的前脉冲抑制(PPI)是一种可转化的实验范式,常用于研究时间处理缺陷,在精神分裂症1、注意缺陷多动障碍2以及HIV-1相关神经认知障碍3,4等疾病中均观察到显著改变。具体而言,在HIV-1临床前动物模型中对时间处理能力的评估表明,PPI具有普遍性、相对持久性,并提示其在动物大部分功能性生命周期内具有诊断应用价值3,4,5,6

在反射调节分析中采用变化的刺激间间隔(ISI;i.e., 预刺激与惊吓刺激开始之间的时间)的方法可追溯至1863年的谢切诺夫7。早期关于反射调节(一种感觉运动门控的测量指标)的开创性研究采用变化ISI的方法评估了青蛙的屈肌反应和听觉功能7,8,以及人类的膝跳反射9。反射调节程序的首次临床应用是评估一名患有癔症性失明男性的视觉敏感性10。在首次报道反射调节现象的一个多世纪后,变化ISI的方法通过一系列具有里程碑意义的研究论文得到广泛推广11,12,13。尽管这些关于反射调节的开创性研究在诸多方面存在固有差异(i.e., 物种、实验程序、反射类型),但它们在不同物种之间建立了一种惊人相似的时间关系。

采用本方案中详述的改变ISI的方法来评估前脉冲抑制(PPI),相较于广泛使用的对照百分比方法具有多项优势。首先,该方法能够揭示ISI函数的形态特征,包括惊跳反应幅度的变化(如曲线拐点更陡峭或反应幅度曲线趋于平缓)3,15,以及反应抑制峰值点的偏移3,5。此外,当采用改变ISI的方法时,惊跳反应是一种相对稳定的现象1,表明该方法在纵向研究神经认知功能缺陷进展方面具有潜在应用价值5,15。最后,PPI为理解神经认知障碍相关的潜在神经环路提供了重要机会16

在本研究中,我们采用了两种实验范式(图1),包括跨模态PPI和间隙前脉冲抑制(gap-PPI),以评估通过改变刺激间间隔(ISI)来区分感觉模态、精神兴奋剂暴露和年龄效应的方法的有效性。跨模态PPI实验范式是在声学惊吓刺激之前呈现一个额外的刺激(例如,声音、光、气流)作为离散的预刺激。相比之下,在gap-PPI实验范式中,背景刺激的缺失(例如,去除背景噪声、光或气流)作为离散的预刺激。本文描述了用于评估时间处理能力的这两种实验范式,以及用于分析PPI和gap-PPI的统计方法。在讨论部分,我们比较了采用可变ISI方法与广泛使用的对照百分比方法所得出的结论。

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方案

所有动物实验方案均经南卡罗来纳大学动物护理与使用委员会审查并批准(联邦保证编号:D16-00028)。

1. 惊跳装置参数的设定与校准

  1. 设置惊吓反应系统(参见 材料表按照制造商的说明进行操作。
    1. 将惊吓反应平台置于一个10厘米厚的双层隔音柜中。
  2. 使用惊吓校准系统校准反应灵敏度。
  3. 将高频扬声器固定在动物固定装置上方30 cm处。
    1. 使用声级计测量并校准扬声器,将麦克风置于动物固定装置内部。
  4. 在动物固定装置前方的墙上安装一个白色LED灯(22勒克斯)。
    1. 使用照度计测量作为视觉预脉冲呈现的勒克斯值。
  5. 将一根半刚性塑料管(直径 0.64 mm)连接至压缩空气罐 通过 一家航空监管机构。
    1. 将气罐压力设置为16 psi,以呈现触觉预刺激。
    2. 使用声级计测量动物固定器末端2.5 cm处管内触觉刺激所产生的噪声强度。若使用多个实验舱,应确保所有实验舱均以相同方式校准。
      注意: 为防止触觉刺激被感知为听觉刺激,气流预脉冲的声音必须小于或等于背景白噪声。在当前实验设置中,气流预脉冲在管内产生70 db(A)的声音,背景白噪声也设定为70 db(A)。

2. 实验方案的创建

  1. 打开 Startle Response System 软件(参见 材料表)。
  2. 点击“Definitions”并选择“Define Trial”。
  3. 定义一个仅包含脉冲的 ASR 试验。
    注意: 仅包含脉冲的 ASR 试验将在习惯化阶段运行,并在每次跨模态 PPI 和 gap-PPI 阶段开始时各运行 6 次以进行习惯化。
    1. 输入试验名称,按 Enter 键。
    2. 记录数据。
    3. 将模拟电平设置为 720。
    4. 将等待时长定义为 20 ms。
    5. 引入背景刺激。
    6. 结束试验。
    7. 点击“Accept”以保存该试验。
  4. 点击“Definitions”并选择“Define Trial”。 
  5. 为声学 PPI 创建六个独立的试验定义,每个 ISI(即 0、30、50、100、200、4000 ms)各一个。
    1. 为声学 PPI 的 0 ms ISI 创建一个试验定义。
      1. 输入试验名称,按 Enter 键。
      2. 记录数据。
      3. 将模拟电平设置为 720。
      4. 将等待时长设为 20 ms。
      5. 引入背景刺激。
      6. 结束试验。
      7. 点击“Accept”以保存该试验。
    2. 为包含预刺激和刺激的 ISI(即 30、50、100、200、4000 ms)创建其余的试验定义。
      1. 输入试验名称,按 Enter 键。
      2. 在 0 ms 处将模拟电平设为 600 以引入预刺激。
      3. 将等待时长设为 20 ms 以指定预刺激的持续时间。
      4. 在 20 ms 处将模拟电平设为 440 以移除预刺激。
      5. 根据 ISI 定义等待时长。
        注意: 将等待时长定义为:30 ms ISI 对应 10 ms,50 ms ISI 对应 30 ms,100 ms ISI 对应 80 ms,200 ms ISI 对应 180 ms,4000 ms ISI 对应 3980 ms。每个 ISI 仅包含一个等待时长。
      6. 记录数据。
      7. 将模拟电平设置为 720。
      8. 将等待时长设为 20 ms。
      9. 引入背景刺激。
      10. 结束试验。
      11. 点击“Accept”以保存该试验。
  6. 点击“Definitions”并选择“Define Trial”。 
  7. 为视觉或触觉 PPI 创建六个独立的试验定义,每个 ISI(即 0、30、50、100、200、4000 ms)各一个。
    1. 为视觉或触觉 PPI 的 0 ms ISI 创建一个试验定义。
      1. 输入试验名称,按 Enter 键。
      2. 记录数据。
      3. 打开触觉刺激。
      4. 将模拟电平设为 720,等待时长设为 20 ms。
      5. 关闭触觉刺激。
      6. 引入背景刺激。
      7. 结束试验。
      8. 点击“Accept”以保存该试验。
    2. 为包含预刺激和刺激的 ISI(即 30、50、100、200、4000 ms)创建其余的试验定义。
      注意: 由于软件和硬件限制,视觉和触觉刺激不能同时运行。所呈现的模态取决于硬件输入(即连接的是光源还是气流喷射装置)。
      1. 输入试验名称,按 Enter 键。
      2. 打开触觉刺激以引入预刺激。
        注意: 此处“触觉”指连接到硬件的模态(即视觉或气流喷射)。
      3. 将等待时长设为 20 ms。
      4. 关闭触觉刺激以移除预刺激。
      5. 在 20 ms 处将模拟电平设为 440。
      6. 根据 ISI 定义等待时长。
        注意: 将等待时长定义为:30 ms ISI 对应 10 ms,50 ms ISI 对应 30 ms,100 ms ISI 对应 80 ms,200 ms ISI 对应 180 ms,4000 ms ISI 对应 3980 ms。
      7. 记录数据。
      8. 将模拟电平设置为 720。
      9. 将等待时长设为 20 ms。
      10. 引入背景刺激。
      11. 结束试验。
      12. 点击“Accept”以保存该试验。
  8. 点击“Definitions”并选择“Define Trial”。
  9. 为声学 gap-PPI 创建六个独立的试验定义,每个 ISI(即 0、30、50、100、200、4000 ms)各一个。
    1. 为声学 gap-PPI 的 0 ms ISI 创建一个试验定义。
      1. 输入试验名称,按 Enter 键。
      2. 记录数据。
      3. 将模拟电平设为 720,等待时长设为 20 ms。
      4. 引入背景刺激。
      5. 结束试验。
      6. 点击“Accept”以保存该试验。
    2. 为包含预刺激和刺激的 ISI(即 30、50、100、200、4000 ms)创建其余的试验定义。
      1. 输入试验名称,按 Enter 键。
      2. 在 0 ms 处将模拟电平设为 0 以引入预刺激。
      3. 将等待时长设为 20 ms 以指定预刺激的持续时间。
      4. 在 20 ms 处将模拟电平设为 440 以移除预刺激。
      5. 根据 ISI 定义等待时长。
        注意: 将等待时长定义为:30 ms ISI 对应 10 ms,50 ms ISI 对应 30 ms,100 ms ISI 对应 80 ms,200 ms ISI 对应 180 ms,4000 ms ISI 对应 3980 ms。
      6. 记录数据。
      7. 将模拟电平设置为 720。
      8. 将等待时长设为 20 ms。
      9. 引入背景刺激。
      10. 结束试验。
      11. 点击“accept”以保存该试验。
  10. 点击“Definitions”并选择“Define Trial”。 
  11. 为视觉或触觉 gap-PPI 创建六个独立的试验定义,每个 ISI(即 0、30、50、100、200、4000 ms)各一个。
    1. 为视觉或触觉 gap-PPI 的 0 ms ISI 创建一个试验定义。
      1. 输入试验名称,按 Enter 键。
      2. 打开触觉刺激。
      3. 记录数据。
      4. 将模拟电平设为 720,等待时长设为 20 ms。
      5. 引入背景刺激。
      6. 结束试验。
      7. 点击“Accept”以保存该试验。
    2. 为包含预刺激和刺激的 ISI(即 30、50、100、200、4000 ms)创建其余的试验定义。 
      1. 输入试验名称,按 Enter 键。
      2. 打开触觉刺激。
      3. 将模拟电平设为 0 ms。
      4. 关闭触觉刺激。
      5. 将等待时长设为 20 ms。
      6. 打开触觉刺激。
      7. 将模拟电平设为 440。
      8. 根据 ISI 定义等待时长。
        注意: 将等待时长定义为:30 ms ISI 对应 10 ms,50 ms ISI 对应 30 ms,100 ms ISI 对应 80 ms,200 ms ISI 对应 180 ms,4000 ms ISI 对应 3980 ms。
      9. 记录数据。
      10. 将模拟电平设置为 720。
      11. 将等待时长设为 20 ms。
      12. 引入背景刺激。
      13. 结束试验。
      14. 点击“accept”以保存该试验。
  12. 选择“Definitions”并选择“Define Session”。
    1. 创建一个习惯化阶段。
      1. 将背景模拟电平设为 440,记录样本数设为 200,每秒采样数设为 2000,适应期设为 5 分钟,序列重复次数设为 36。
      2. 在试验间间隔(ITI)列表框中输入 10。
      3. 点击“Add”并选择仅包含脉冲的 ASR 试验。
      4. 点击“Save”以保存习惯化阶段。
  13. 选择“Definitions”并选择“Define Session”。
  14. 定义跨模态 PPI 阶段。
    1. 将背景模拟电平设为 440,记录样本数设为 200,每秒采样数设为 2000,适应期设为 5 分钟,序列重复次数设为 1。
    2. 定义试验间间隔(ITI)列表。
      1. 在前 5 个 ITI 列表框中输入 10。
      2. 在接下来的 72 个 ITI 列表框中输入可变 ITI(15–25 秒),代表包含预刺激的试验。
    3. 点击“Add”。
      1. 选择仅包含脉冲的 ASR 试验,并在第 1–6 次试验中加载 6 次。
      2. 使用拉丁方设计为每种预刺激模态创建 6 次试验的区块(表 1)。
      3. 以 ABBA 平衡呈现顺序加载 6 次试验的区块(例如,声学、视觉、视觉、声学、声学等),用于跨模态 PPI。
        注意: 每个试验必须单独加载。
        注意: 每个跨模态 PPI 阶段总共包含 78 次试验。
    4. 点击“Save”以保存该阶段。
  15. 选择“Definitions”并选择“Define Session”。
    1. 定义 gap-PPI 阶段。
      1. 将背景模拟电平设为 440,记录样本数设为 200,每秒采样数设为 2000,适应期设为 5 分钟,序列重复次数设为 1。
      2. 定义试验间间隔(ITI)列表。
        1. 在前 5 个 ITI 列表框中输入 10。
        2. 在接下来的 36 个 ITI 列表框中输入可变 ITI(15–25 秒),代表包含预刺激的试验。
      3. 点击“Load”以加载试验。
        1. 选择仅包含脉冲的 ASR 试验,并在第 1–6 次试验中加载 6 次。
        2. 使用拉丁方设计为每种预刺激模态创建 6 次试验的区块(表 1)。
      4. 点击“Save”以保存该阶段。
        注意: 每个 gap-PPI 阶段总共包含 42 次试验。每个阶段评估一种感觉模态。

3. 实验方案结构

  1. 使用 F344/N 大鼠品系进行评估,该品系是最常见的近交系大鼠品系。
    注意:跨模态 PPI 和间隙-PPI 可在不同年龄、不同性别以及无论激素状态如何( 卵巢切除、去势、完整)的动物中进行。代表性数据中所用动物的详细信息见代表性结果部分。
  2. 在实验开始前数天内对动物进行操作,使其适应环境。
  3. 根据感兴趣的组间因素(例如 生物学性别、处理方式)随机安排动物的实验顺序。
  4. 打开惊跳反应系统软件,点击 运行,选择相应的实验环节。
    注意:每天仅进行一个实验环节,且各环节需按顺序依次进行( 习惯化、跨模态 PPI、间隙-PPI)。
  5. 输入输出文件名,然后点击 确定
  6. 输入受试者、组别和 ID 信息,然后点击 继续
  7. 使用适合动物体型的动物容纳装置,将动物放入惊跳装置中。点击 确定 以开始实验环节。
  8. 导出数据用于分析。
    1. 点击 报告 | 合并数据。加载数据文件并点击 添加。点击 ASCII 以保存数据输出。

4. 数据分析

  1. 通过从每次试验的 V. Max 中减去起始值,计算每次试验的校正后 V. Max。
    注意:校正后的 V. Max 可用于衡量平均峰值 ASR 振幅。
  2. 对习惯化阶段的结果进行图形化可视化。
    1. 绘制每次试验的组均值及均值标准误。可进行回归分析,并以 95% 置信区间进行拟合。
  3. 对横断面跨模态 PPI 和 gap-PPI 的结果进行图形化可视化。
    1. 对每只动物的 6 次试验分别取平均,计算每个 ISI 的平均值。
    2. 计算并绘制每个 ISI 和感觉模态的组均值及均值标准误。
  4. 对跨模态 PPI 和 gap-PPI 进行统计分析(可选)。
    注意:尽管具体的统计方法取决于实验设计和研究问题,但混合设计重复测量 ANOVA 是一种合适的分析方法。

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结果

在跨模态PPI(图2A、3A、4A)和间隙-PPI(图2B、3B、4B)中均观察到明显的非单调性ISI函数。在测试会话中,将0和4000 ms ISI条件下的基础惊跳反应作为参考试验进行观察。4000 ms ISI的重要性不容忽视,因为在该条件下受试者同时接受预脉冲和惊跳刺激,与PPI测试试验( 30、50、100、200 ms ISI)最为相似。然而,由于预脉冲与惊跳刺激之间的时间间隔较长,在4000 ms ISI条件下未观察到ASR的显著降低。在30、50、100和200 ms ISI条件下,无论是添加( 跨模态PPI)还是移除( 间隙-PPI)一个离散的预刺激,均产生了显著的抑制效应;这种抑制效应依赖于感觉模态、精神兴奋剂暴露或年龄。通过考察这些因素对ISI函数变化的影响( ISI曲线拐点更陡峭、ISI曲线变平坦,以及最大抑制点的偏移),可以揭示ISI方法的强大之处。

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讨论

本方案阐述了通过改变刺激间隔时间(ISI)来评估时间加工能力的方法,适用于采用横断面或纵向实验设计的研究。通过考察感觉模态、精神兴奋剂暴露或年龄等因素对ISI函数形态的影响,可揭示不同因素对ISI操纵的差异性敏感性,从而验证该方法的有效性。即, 最大抑制点的变化)或对ISI操纵的相对不敏感性(即, ISI曲线更尖锐的拐点、ISI曲线的平坦化)。采用两种实验范式,包括跨模态PPI和间隙-PPI,证明了ISI的有效性独立于额外刺激的添加即, 跨模态 PPI)或去除(即, 离散预刺激的间隙-蛋白质相互作用(gap-PPI)

完成跨模态PPI和间隙-PPI实验设计中的关键考虑因素已包含在本方案中。首先,在6次试验组块中采用拉丁方实验设计来呈现ISI,以控制因ISI呈现顺序不同而引起的变异。其次,使用两种对照试验,包括0 ms和4000 ms的ISI,为测试会话提供参考对照。其中,4000 ms ISI的使用尤为关键,因为它最恰当地代表了其他(即, 30、50、100、200)预脉冲+脉冲试验,但不预期...

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披露

所有作者均无利益冲突需要声明。

致谢

本研究部分得到了美国国立卫生研究院(国家药物滥用研究所,DA013137;国家儿童健康与人类发育研究所,HD043680;国家精神卫生研究所,MH106392;国家神经疾病与中风研究所,NS100624)以及南卡罗来纳大学行为-生物医学交叉项目资助的跨学科研究培训计划的支持。Landhing Moran 博士目前担任美国国家药物滥用研究所临床试验网络中心的科学主管。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
SR-Lab 惊跳反应系统San Diego Instruments
隔音柜Industrial Acoustic Company
SR-Lab 惊跳反应校准系统San Diego Instruments
高频扬声器Radio Shack型号 #40-1278B
声级计Bruel & Kjaer型号 #2203
有机玻璃圆筒San Diego Instruments随 SR-Lab 惊跳反应系统提供
SR-Lab 惊跳反应系统软件San Diego Instruments随 SR-Lab 惊跳反应系统提供
照度计Sper Scientific, Ltd.型号 #840006
气源调节器Craftsman型号 #16023
SPSS Statistics 24IBM用于统计分析(可选)

参考文献

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