Methodenartikel

Eine vollautomatische Nageranlage Protokoll für die Integration sensorischer und kognitiver Kontrollexperimente

DOI:

10.3791/51128

⸱

15. April 2014

 , 
1Electrical and Computer Engineering, Michigan State University, 2Neuroscience Program, Michigan State University, 3Cognitive Science Program, Michigan State University

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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Eine vollautomatische Protokoll für Nager operante Konditionierung vorgeschlagen. Das Protokoll stützt sich auf genaue zeitliche Steuerung der Verhaltens Ereignisse, um das Ausmaß, zu dem diese Steuer Einflüsse zugrunde liegenden neuronalen Aktivität sensomotorische Integration und kognitive Kontrollexperimenten zu untersuchen.

Zusammenfassung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Nagetiere wurden traditionell als Standardtiermodell in Laborversuchen mit einer Vielzahl von sensorischen, kognitiven und motorischen Aufgaben eingesetzt. Höhere kognitive Funktionen, die präzise Kontrolle über sensomotorische Reaktionen wie Entscheidungs-und Aufmerksamkeitsmodulation erfordern, sind jedoch in der Regel in nicht-menschlichen Primaten bewertet. Trotz der Fülle der Primatenverhalten, die mehrere Varianten dieser Funktionen untersucht werden können, bleibt die Nagetier-Modell eine attraktive, kostengünstige Alternative zu Primatenmodelle. Außerdem, fügt die Fähigkeit, vollständig zu automatisieren operante Konditionierung in Nagetieren einzigartige Vorteile gegenüber dem Arbeits intensive Schulung der nicht-menschlichen Primaten während des Studiums ein breites Spektrum dieser komplexen Funktionen.

Hier stellen wir ein Protokoll für operant Anlage Ratten auf Durchführung von Arbeitsgedächtnisaufgaben. Während kritische Zeiten der Aufgabe, stellt das Protokoll, das offene Bewegung des Tieres durch requ minimiertiring das Tier zu "fixieren", bis ein Go Cue geliefert wird, ähnlich wie nicht-menschliche Primaten experimentelles Design. Eine einfache zwei alternative forced choice Aufgabe wird implementiert, um die Leistung zu demonstrieren. Wir diskutieren die Anwendung dieses Paradigma für andere Aufgaben.

Einleitung

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Die Untersuchung der Beziehung zwischen Neurophysiologie und Verhalten ist das ultimative Ziel in Systems Neuroscience. Historisch gesehen, hat es einen Kompromiss zwischen Tiermodell Auswahl und Verhaltensrepertoire 1-5. Während einfache Organismen wie Nacktschnecken 6 oder 7 Tintenfische wurden ausgiebig genutzt, um Eigenschaften von einzelnen Ionenkanälen, Neuronen und einfachen neuronalen Schaltkreisen zu untersuchen, um höhere Spezies benötigt werden, um komplexere Funktionen wie die räumliche Navigation, Entscheidungs ​​8-11 und kognitive studieren 12-14 steuern. Obwohl er ein Standardtiermodell für die menschliche wie Verhalten, die Verwendung von nicht-menschlichen Primaten aufgefordert, Kosten und ethische Überlegungen, die ihre Verwendung in einem Labor Einstellung 15-18 schließt in einer Vielzahl von Experimenten. Einfachere Tiermodellen wie Nager sind im allgemeinen bevorzugt 19, sofern sie ähnliche neuronale Substrate zugrunde liegenden Verhaltensweisen von Interesse.

"> Es gibt reichlich Hinweise darauf, dass Nagetiere haben ähnliche kortikalen und subkortikalen Strukturen wie die in Primaten 20-22 gefunden. Nagetiere sind auch bekannt, Informationen über mehrere Sinnesmodalitäten zu integrieren, um ihre Wirkung zu führen 23-25, zum Beispiel, durch die Koordinierung wischend und Schnüffeln während der Erkundungsverhalten 26 oder durch die Integration von auditiven und visuellen / Geruchsereignisse 25,27.

Hier beschreiben wir einen Rahmen für die operante Konditionierung von Nagetieren verwendet werden, um kognitive Aufgaben 28-32 testen. In diesem Rahmen werden die Themen benötigt, um in einem nosepoke Loch fixieren und pflegen ihre Schnauze in das Loch, bis der Präsentation eines Go Stichwort. Die Verhaltens Aufgabe ist eine Fünf-Loch-Design, das nosepoke konventionell für die 5-Wahl serielle Reaktionszeit-Aufgabe Studien verwendet. Während der Verzögerungszeit, eine Reihe von Cues Anweisung wird präsentiert, um das Thema zu führen, um eine Aktion auszuführen. Dieser Rahmen kann leicht geändert, um zu entsprecheneine Vielzahl von Experimenten, in denen die Ausbildung der unter ihrer offenen Bewegung über einen kurzen Zeitraum benötigt wird, zu minimieren. Dies ermöglicht die Untersuchung der Umfang, in dem spiking Aktivität einzelner Nervenzellen durch spezifische Signale während dieses Intervalls beeinflusst. Das Protokoll kann die Trainingszeit zu minimieren und können über-Thema Lernen Variabilität zu reduzieren. Ein schematisches Flussdiagramm des Vorgangs ist in Fig. 1 gezeigt.

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Protokoll

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Alle Verfahren, die Tiere wurden von der Michigan State University Institutional Animal Care und Verwenden Committee (IACUC) zugelassen.

1. Versuchsaufbau

  1. Verwenden Sie eine Box, die operante Konditionierung eines Fünf-Loch-nosepoke Wand auf der einen Seite und ein Lebensmittel-Liefertrog auf der gegenüberliegenden Seite besteht.
    1. Das Zentrum nosepoke Loch wird als "Fixierung" Loch und die vier anderen Bohrungen (zwei auf jeder Seite des Befestigungsloch) betrachtet werden als Motorzielbohrungen. Jedes Loch ist mit einem Drei-Farben-Leuchtdiode und einem Infrarotstrahl-Emitter-Detektor-System, wenn das Tier eintritt, und zieht aus dem Befestigungsloch detektiert ausgestattet.
    2. Verwenden Sie einen programmierbaren Tongenerator auf einzelne Frequenztöne millisekundengenau erzeugen und an einen Lautsprecher in der operanten Kasten montiert. Steuern Sie den Klangerzeuger und nosepokes durch die Verhaltens-Tracking-System unter Verwendung der entsprechenden Software. Verwenden Sie ein Hardware-und Softwsind System, das Millisekunden Überwachung von Verhaltens-Veranstaltungen und Kontrolle von Stimmungen und Reaktionen bietet.
      Hinweis: Die Amplitude der beiden Ton-und Geräusch Cues sollte um 60 ± 3 dB SPL gehalten werden.

2. Frühe Gewöhnung

  1. Beschränken des Subjekts der Nahrungsaufnahme nach und nach auf ~ 5 g pro 100 g Normalgewicht (zB im Laufe der 3 Tage) des Subjekts. Das Motiv sollte 85-90% ihrer ad libitum Gewicht zu halten.
  2. Gewöhnen Sie das Motiv in der Handhabung durch den Experimentator und machen das Thema mit dem Gerät ab dem ersten Tag des Beginns der Nahrungsentzug Protokoll. Starten Umgang mit dem Tier und legen Sie sie in der operanten Konditionierung Feld und bietet Futterpellets in der Pellet-Trog, das Thema zu fördern, um den Käfig zu erkunden und sich mit der Belohnung Lieferort vertraut.

3. Thema Ausbildung

  1. Allgemeine Hinweise
    1. Die Aufgabe, die hier vorgeschlagen braucht präzise Koordination zwischen Wahrnehmung eines Gehör Cue, während der Verzögerungszeit und Bewegungsausführung Bewegungen minimiert.
    2. Nach und trainieren das Thema Schritt-für-Schritt, um sie für die endgültige gewünschte Verhalten vorzubereiten.
    3. Stellen Sie sicher, dass am Ende jeder Stufe, die Gegenstand behält> 75% der Verhaltensleistung für mindestens drei aufeinanderfolgende Sitzungen vor der in die nächste Stufe.
    4. Sobald die letzte Stufe erreicht ist, halten das Motiv auf dem Protokoll für eine Woche, um sicherzustellen, dass die Leistung an der wünschenswerten Niveau.
  2. Beginn: Machen Sie das Thema mit den nosepoke Löcher, Lebensmittel-Liefer Hafen und die Assoziation zwischen den blinkenden Löcher und Belohnung.
    1. Wählen Sie eines der vier Ziele auf einem zufälligen Zeitplan.
    2. Spielen Sie das Go-Cue (ein weißer Gehör Lärm) und halten die LED in das Loch blinkt (0,3 sec Pulsdauer).
    3. Stellen Sie die software, das Thema auf Besuche in das Loch zu belohnen.
    4. Time-out der Versuch nach 30 Sekunden, wenn das Loch nicht besucht und eine neue Studie.
    5. Keine Besuche in den falschen Löchern belohnen Sie nicht.
  3. Zielauswahl: Bestrafung des fehlerhaften Besuche in den nicht ausgewählten Löchern.
    1. Nach Besuchen in falsche Löcher, die Studie zu beenden, gefolgt von 5 Sekunden von black-out.
      Hinweis: Während eines Black-out Epoche wird das Befestigungsloch LED aus in den Käfig eingeschaltet. Dies bedeutet, dass das Thema nicht einen Versuch zu starten und muss bis zum Befestigungsloch LED blinkt warten.
    2. Wählen Sie ein neues Loch und eine neue Studie.
  4. Nosepoke: Trainiere das Thema innerhalb der Befestigungsloch stecken, um einen Versuch zu starten.
    1. Blinkt eine gelbe LED im Inneren der Befestigungsloch.
    2. Beim Besuch der Befestigungsloch sofort spielen die Go-Cue und eine neue Studie.
    3. Bestrafen falsche Besuche um 5 Sek., Von black-out.
  5. Delay: Bringen Sie das Motiv in ihre Nase in das Befestigungsloch für einen festgelegten Zeitraum (Verzögerungszeit), die nach und nach erhöht wird als Ausbildung fortschreitet halten.
    1. Warten Sie, bis das Thema, um das Befestigungsloch besuchen.
    2. Beenden Sie den Prozess, wenn das Thema zieht sich innerhalb von 500 msec. Ansonsten spielen die Go Stichwort.
    3. Bestrafen vorzeitige Rückzüge von einem Black-out Periode für 7 sek.
    4. Belohnen Sie die richtigen Besucher durch die Bereitstellung einer Nahrungstablette.
  6. Zwei Cues (mit Licht): Steigerung und zufälliger Verzögerung Periodenlänge und die Einführung der Gehör Anweisung Stichwort.
    1. Erhöhen Sie die Länge der Wartezeit auf einen Durchschnitt von 1,5 sek.
    2. Wählen Sie eine zufällige Verzögerung Periodenlänge bei jedem Versuch, basierend auf einer einheitlichen Dichte zwischen 1,3 bis 1,8 Sekunden.
    3. Führen Sie die Anweisung Cue als eine einzige Frequenz Gehör Ton in Triolen gepulst, mit einer Pulsdauer von 150 ms undZwischenpulsintervall von 100 ms.
      1. Spielen Sie die Anweisung Cue unmittelbar nach dem Thema in den Befestigungsloch.
      2. Weisen zwei Befehls Hinweise, um jedes der Ziele.
      3. Verwenden Sie nur ein Stichwort für jede Ziel in dieser Phase verbunden.
    4. Lassen Sie das Thema mit beiden auditive und visuelle Hinweise, um das Zielloch zu wählen.
  7. Zwei Cues (ohne Licht): Trainieren Sie den Gegenstand nur akustische Signale.
    1. Schalten Sie die blinkenden LEDs in den Ziel Löcher, so dass das Thema würde nur auditive Anweisung Cues.
  8. Vier Queues: Führen Sie die beiden anderen Hinweise auf die Sequenz von zufällig präsentiert Anweisung Cues und wiederholen Abschnitte 3.5.3-3.6.1.

4. Behavioral Data Analysis

  1. Erfolgsrate: Definieren Erfolgsrate als der Prozentsatz der richtigen Besucher auf die Ziele, geteilt durch die Gesamtzahl der Versuche.
    1. Messen Sie die Erfolgsrate in jeder Phase der Ausbildung.
  2. Fehlertypen:
    1. Vorzeitiger Rückzug: messen den Anteil der Studien Zeitüberschreitung aufgrund der vorzeitigen Rückzüge aus dem Befestigungsloch.
    2. Comission-Fehler: Berechnen Sie den Prozentsatz der fehlgeschlagenen Versuche, wenn das Thema besucht eine uninstructed Ziel
    3. Auslassen Fehler: Der prozentuale Anteil von Fehlern, wenn das Thema nicht nach Probe Einleitung besuchen Sie eines der Ziele.
  3. Messgrößen:
    1. Reaktionszeit (RT): Für jeden Versuch, messen Sie die Verzögerung zwischen dem Beginn der Go-Cue und das Thema Zurückziehen aus dem Befestigungsloch.
    2. Zeit zum Ziel (TT): Messen Sie die Dauer zwischen dem Subjekt Rückzug aus der Befestigungsloch und die Eingabe der Ziel Loch.

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Ergebnisse

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Die vorgeschlagene Framework ermöglicht die Ausbildung das Thema auf einer Reihe von kognitiven Aufgaben. Hier werden wir eine Verzögerung angewiesen Aufgabe entwickelt, um die Mechanismen der zielgerichteten Handeln bei der Nager präfrontalen Kortex untersuchen implementiert. Fig. 1 zeigt ein Ablaufdiagramm des experimentellen Designs.

Um sicherzustellen, dass das Thema die Aufgabe, Anforderung bei jedem Schritt versteht, sollte Kennzahlen kontinuierlich bewertet werden kan...

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Diskussion

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Ratten sind weit verbreitet in der neurowissenschaftlichen Forschung seit über einem Jahrhundert. Seit Thorndikes Einführung des Konzepts des Gesetzes der Effekt bei Katzen 34 wurde operante Konditionierung der Standard-Ansatz, um verschiedene Aspekte des Verhaltens von Tieren zu testen. Viele Neurowissenschaften Experimente mit Entscheidungs-und Motor Vorbereitung eine Verzögerungszeit zwischen der Befehls Cues und der Aktion Intervall. Es ist wünschenswert, Bewegungen während dieser Verzögerungszeiten zu mi...

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Offenlegungen

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Die Autoren erklären, keine finanziellen Interessen konkurrieren.

Danksagungen

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Diese Arbeit wurde von der NINDS Zuschuss # NS054148 unterstützt.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
5-Loch Nose Poke mit 3 Stim Cue Light RattenkäfigCoulbournH21-06M/R
Test CageCoulbournH10-11R-TC 
Grafik-State-SoftwareCoulbourn 
Programmierbarer Ton-/RauschgeneratorCoulbournA12-33 
Staubfreie PräzisionspelletsBio-ServF0165
LautsprechermodulCoulbournH12-01R 

Referenzen

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