Ein vollautomatisiertes und vielseitig verwendbares System zum Testen von Multi-kognitiven Funktionen und Aufnahme neuronaler Aktivitäten bei Nagetieren

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, eine Ratte darauf zu trainieren, eine Abfolge von Aufgaben auszuführen, mit deren Hilfe mehrere Gehirnfunktionen untersucht werden können. Dies wird erreicht, indem man zunächst die Ratten an die Verhaltenskammer gewöhnt. Der zweite Schritt besteht darin, die Ratte darauf zu trainieren, einen Hebel zu betätigen, um Futterpellets als Belohnung zu erhalten.

Anschließend werden die Ratten trainiert, einen versteckten Hebel freizulegen, indem sie ihren Kopf in die Nasenstecköffnung einführen. Der letzte Schritt besteht darin, die Ratten zu trainieren, einen sensorischen Reiz zu erkennen und dann den durch die Warteschlange angezeigten korrekten Hebel zu betätigen. Letztendlich erlernen die Ratten die gesamte Abfolge der Aufgaben, die auf die Belohnungsbeschaffung abzielen.

Wir haben ein vollautomatisiertes System für das rechte Verhaltenstestverfahren und die Aufzeichnung neuronaler Aktivität entwickelt. Mit diesem System können mehrere Gehirnfunktionen untersucht werden. Die Besonderheit dieses Systems ist eine kundenspezifisch gefertigte akustisch transparente Kammer, die ideal für die Training von auditorischen Aufgaben ist.

Ein weiteres Merkmal dieses Systems ist, dass verschiedene operante Geräte problemlos hinzugefügt werden können, was das System äußerst vielseitig macht und die Durchführung einer Vielzahl auditorischer, visueller und audiovisueller Verhaltensaufgaben ermöglicht. Das System besteht aus drei Hauptkomponenten: einem zweifach schallisolierten Raum, einem mehrkanaligen elektrophysiologischen Aufnahmesystem und einem vollautomatisierten System zur Verhaltensprüfung. Eine speziell konstruierte Opernpräparationskammer befindet sich innerhalb des schallisolierten Raums.

Die Kammer besteht aus drei akustisch transparenten Wänden und einem modularen Bedienfeld zur Überwachung und Aufzeichnung des Verhaltens. Eine Videokamera ist oberhalb der Oper in der Kammer montiert. Eine Schnittstellenbox überträgt Signale zwischen der Kammer und einem Computer hin und her.

Akustische Signale werden von einem kalibrierten, programmierbaren Audio-Generator erzeugt und über drei Lautsprecher an der Bedienkonsole ausgegeben. Für visuelle Signale befinden sich ein Stimulationslicht und zwei Dreifach-Stimulationsanzeigen auf der mittleren und den seitlichen Konsolen. Ein Nasenkontakt-Gerät mit drei farbigen LED-Leuchten ist am unteren Rand der mittleren Konsole angebracht. Ein im Nasenkontakt-Gerät installierter Infrarotdetektor erfasst das Berühren und Halten mit der Nase.

Während zwei entnehmbare, versenkbare Antworthebel an jeder Seite der Versuchsanordnung montiert sind, erfolgt die Belohnung über zwei Pellet-Spender, die Futter in die Pellet-Aufnahmen fallen lassen. Vier Paare von Infrarotstrahlen sind am Boden der Kammer angebracht, um sowohl die Position des Tieres anzuzeigen als auch Geräte basierend auf der Position des Tieres zu steuern.

Zuletzt werden Kabel von einer Kopfhalterung mit einem Kommutator zur Aufzeichnung neuronaler Aktivität verbunden. Der experimentelle Protokollablauf erfolgt vollständig automatisiert über Programme, die innerhalb der Med PC IV-Softwareplattform erstellt wurden. Verhaltensdaten werden gespeichert und in Microsoft Excel-Dateien umgewandelt, anschließend in matlab importiert und dort analysiert.

Vor dem Training die Nahrungsaufnahme so lange begrenzen, bis das Gewicht des Tieres 90 % des Ausgangswerts beträgt. Um die Kammer für die Akklimatisierung vorzubereiten, die Hebel einfahren, die Nasenstupflöcher mit einem Gummistopfen verschließen und etwa 20 Futterpellets in jeden Pelletbehälter geben. Nun ein unerfahrenes Tier zur Akklimatisierung in die Kammer setzen.

Die Ratte wird bald beginnen, die Futtertöpfe zu erkunden und die Pellets zu fressen. Wenn beide Futtertöpfe leer sind, verwenden Sie die Software, um ein einzelnes Pellet in jedes Tablett abzugeben. Auf diese Weise lernt die Ratte, Futter mit dem Topf zu assoziieren.

Zwingen Sie die Ratte dazu, sich auf beiden Seiten der Kammer zu bewegen, indem Sie zufällig Futterpellets in jede Futtertasse abgeben. Eine Sitzung ist normalerweise ausreichend, um die Assoziation zur Futtertasse herzustellen. In einer neuen Sitzung bringen Sie beide Hebel in die Kammer hinein und lassen die Futtertasse leer. Stellen Sie anschließend eine akklimatisierte Ratte in die Kammer.

Wenn sich das Tier in die Nähe eines Hebels bewegt, eine Pellet ausgeben. Belohnungen ebenfalls geben, wenn die Ratte Interesse am Hebel zeigt, beispielsweise durch Beschnüffeln, Berühren oder Hinaufklettern. Ein versehentliches Betätigen des Hebels sollte ebenfalls eine Belohnung auslösen.

Um das Hebelbetätigen zu fördern und die Erkundung beider Hebel zu erzwingen, ermöglichen Sie dem Tier, jeden Hebel nacheinander begrenzt oft zu betätigen; sobald das Limit erreicht ist, ziehen Sie den Hebel ein. Bewegen Sie beide Hebel wieder nach vorne, um den Vorgang zu wiederholen. Verringern Sie das Limit schrittweise, bis der Hebel jedes Mal eingezogen wird, wenn er betätigt wird.

Eine bis zwei Sitzungen sind normalerweise ausreichend, um die Hebel-Futterbelohnungs-Assoziation zu etablieren. Bei einer neuen Sitzung fahren Sie die Hebel ein.

Entfernen Sie den Gummistopfen aus der Nasenstupslücke und geben Sie mehrere Futterpellets in die Nasenstupsvorrichtung. Führen Sie das Tier erneut in die Kammer ein und schieben Sie zufällig einen der beiden Hebel vor.

Wenn die Ratte das Loch für Futterpellets beschnüffelt und den ausgefahrenen Hebel sieht, nähert sie sich diesem und drückt ihn, um ein Futterpellet zu erhalten. Nachdem der Hebel gedrückt wurde und die Belohnung ausgegeben wurde, ziehen Sie den Hebel zurück, um die Ratte dazu zu ermutigen, die Nasen-Einsteck-Vorrichtung zu erkunden. Normalerweise dauert es eine 30-minütige Sitzung, bis eine Ratte die Aufgabenabfolge lernt: Nase, Einstecken, Hebel, Drücken bringt Belohnung.

In einer weiteren neuen Sitzung bringen Sie das Tier in die Kammer, um das Q-Training zu beginnen. Nachdem das Tier eine Nasenstupser-Handlung ausgeführt hat, geben Sie einen deutlichen akustischen Reiz ab. Bewegen Sie sowohl den rechten als auch den linken Hebel nach vorne.

Nach jeder Präsentation eines akustischen Signals belohnen Sie die Ratte nur dann, wenn sie den Hebel betätigt, der durch das akustische Signal angezeigt wird; das Tier wird nach und nach lernen, ein bestimmtes akustisches Signal mit einem Hebel zu assoziieren. Das Tier sollte nun in der Lage sein, die vorgesehene vollständige Trainingssequenz durchzuführen: Nase einstechen, Signal, Hebel betätigen, Belohnung oder keine Belohnung.

Lassen Sie die Ratte die neu gelernte Aufgabe üben, bis eine konstante Leistung erreicht ist. Die Sitzung ist auf 30 Minuten begrenzt. Mit diesem System kann die Aufgabe zur diskriminativen Tonhöhenwahl durchgeführt werden, die die Frequenzdiskriminationsschwelle einer Ratte untersucht.

Nachdem die Ratten trainiert wurden, schnell den durch einen akustischen Reiz angezeigten Hebel zu betätigen, erhält man eine akustische Lernkurve. Jede farbige Linie stellt die Diskriminationsfrequenzvariationen eines einzelnen Tieres dar. Die dunkle Linie stellt die gemittelte Lernkurve dar.

Im Durchschnitt waren etwa sieben Trainingssitzungen erforderlich, um die Trefferquote von 75 % zu erreichen. Das Verhalten des Tieres in dieser Aufgabe kann ebenfalls quantitativ durch mehrere Messgrößen charakterisiert werden, darunter die Reaktionszeit relativ zum Beginn der akustischen Aufforderung, das intertrial Intervall und die zeitliche Dynamik der Leistung. Mithilfe dieses Systems können auch mehrere kognitive Gehirnfunktionen untersucht werden.

Die oberen Bildunterschriften beschreiben jede Aktion nacheinander innerhalb eines Durchgangs. Die unteren Bildunterschriften geben die kognitiven Verhaltensfunktionen an, die in Kombination mit der Elektrophysiologie untersucht werden können. Die Aufzeichnung der neuronalen Grundlagen dieser kognitiven Verhaltensfunktionen kann ebenfalls untersucht werden.

Diese Darstellung zeigt ein Neuron, das im Nucleus-Interpositus-Space-ssus einer Ratte aufgezeichnet wurde, während diese die Aufgabe zur Tonhöhenunterscheidung mit zwei alternativen Wahlmöglichkeiten durchführte. Obwohl diese Darstellung ein Neuron zeigt, das im ventralen segmentalen Areal aufgezeichnet wurde, ist es wichtig, bei Durchführung dieses Verfahrens genau auf die Unterschiede zwischen den Ratten hinsichtlich ihrer Verhaltensmerkmale und kognitiven Fähigkeiten zu achten; Trainingsverfahren und -parameter sollten für optimale Trainingsergebnisse individuell angepasst werden. Obwohl wir dieses System hauptsächlich zur Untersuchung des auditorischen Systems entwickelt haben, kann es leicht von anderen Forschungsgruppen angepasst werden, um das visuelle System sowie mehrere kognitive Gehirnfunktionen wie Motivation, Aufmerksamkeit, Patienten und Belohnungen zu untersuchen.