Eine vollautomatische Nageranlage Protokoll für die Integration sensorischer und kognitiver Kontrollexperimente

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments ist es, ein automatisiertes Verhaltensframework für die operante Konditionierung von Nagetieren einzuführen, um komplexe kognitive Aufgaben zu testen. Bei der Verhaltensaufgabe handelt es sich um ein Fünf-Loch-Nasenstichdesign, das herkömmlicherweise für Studien mit fünf Auswahlmöglichkeiten zur seriellen Reaktionszeit verwendet wird. Die Probanden sind verpflichtet, ihre Schnauze in einem Fixierungsloch zu halten, bis nach einer kurzen Verzögerungszeit eine Go-Warteschlange angezeigt wird.

Während des Fixations-Epos wird eine auditive Anweisungswarteschlange präsentiert, um das Subjekt dazu anzuleiten, ein zukünftiges motorisches Ziel zu wählen, um eine Belohnung zu erhalten. Die Verwendung einer auditiven Warteschlange ermöglicht klar definierte Übergänge zwischen verschiedenen Aufgabenepen und ermöglicht die Untersuchung mehrerer Aspekte des Verhaltens sowie neuronaler Mechanismen des Arbeitsgedächtnisses, der Entscheidungsfindung und der motorischen Planung. Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden Methoden, wie z.B. Labyrinthnavigationsexperimenten, besteht darin, dass offenkundiges motorisches Verhalten, das durch systematische Variationen in der Flugbahn des Probanden verfälscht werden kann, während der kritischen Epoche der Aufgabe minimiert wird.

Obwohl diese Methode Einblicke in die motorische Kontrolle geben kann, können Studien auch verwendet werden, um andere kognitive Prozesse auf hohem Niveau wie Wahrnehmung, Aufmerksamkeit und Gedächtnisbildung zu untersuchen. Das Verfahren wird von Dylan Miller, einem Studenten aus meinem Labor, demonstriert. Die folgende Studie wurde in einer Opernkonditionierungsbox durchgeführt, die auf der einen Seite aus einer fünflochigen Nasenstoßwand und auf der gegenüberliegenden Seite aus einem Essensausgabetrog besteht.

Das mittlere Nasenloch wird als Fixierungsloch betrachtet, und die vier anderen Löcher, zwei auf jeder Seite des Befestigungslochs, gelten als motorische Ziellöcher. Jedes Loch ist mit einer dreifarbigen LED und einem Infrarotstrahl-Detektorsystem ausgestattet, das erkennt, wann das Tier in das Fixierloch eindringt und sich aus ihm zurückzieht. Ein programmierbarer Tongenerator erzeugt einen Einzelfrequenzton mit Millisekundengenauigkeit und ist nicht mit einem Lautsprecher verbunden, der in der Opernbox montiert ist.

Der Tongenerator und die Nasenlöcher werden über das Verhaltensverfolgungssystem gesteuert. Behandeln Sie die Tiere während der Gewöhnungsphase täglich mit einer speziellen Software und lassen Sie sie die operante Konditionierungskammer und den Futtertrichter erkunden, um ihre Futteraufnahme über einen Zeitraum von drei Tagen schrittweise auf 85 bis 90 % ihres ursprünglichen Körpergewichts zu reduzieren. Der erste Schritt besteht darin, das Subjekt mit den Nasenlöchern, dem Essenslieferanschluss und der Assoziation zwischen den blinkenden Löchern und der Belohnung vertraut zu machen.

Wählen Sie dazu eines der beiden Ziele nach einem zufälligen Zeitplan aus und spielen Sie die Go-Warteschlange ab, ein weißes akustisches Geräusch, während die LED im Inneren des Lochs blinkt. Stellen Sie die Software so ein, dass das Subjekt bei Besuchen des Lochs belohnt wird. Unterbrechen Sie den Versuch nach 30 Sekunden, wenn das Loch nicht besucht wird, und starten Sie einen neuen Versuch, um die Zielauswahl zu erleichtern.

Bestrafen Sie Besuche an falschen Löchern, indem Sie den Versuch beenden, gefolgt von einem fünfsekündigen Blackout. Wählen Sie als Nächstes eine neue Bohrung aus und starten Sie einen neuen Versuch, bis das gewünschte Leistungsniveau erreicht ist. Um das Subjekt zu trainieren, in das Fixierungsloch zu stochern.

Um einen Versuch zu starten, blinkt eine gelbe LED im Inneren des Befestigungslochs. Beim Besuch des Fixationslochs sofort die Go-Warteschlange abspielen und eine neue Testversion starten. Sobald der Proband gelernt hat, das Fixationsloch zu besuchen, bringen Sie ihm bei, seine Nase für einen bestimmten Zeitraum im Loch zu halten.

Warten Sie dazu, bis der Proband das Fixierungsloch besucht hat, und beenden Sie die Studie. Wenn sich das Subjekt innerhalb von 500 Millisekunden zurückzieht, bestrafen Sie vorzeitige Retraktionen mit einer Blackout-Periode von sieben Sekunden. Andernfalls spielen Sie die Go-Warteschlange und belohnen Sie die richtigen Besuche, indem Sie ein Lebensmittelpellet liefern.

Der nächste Schritt besteht darin, die auditorische Befehlswarteschlange als einfrequenten auditiven Ton, gepulst und Triplets mit einer Impulsdauer von 150 Millisekunden und einem Interpulsintervall von 100 Millisekunden einzuführen. Erhöhen Sie außerdem die Länge der Verzögerungszeit auf durchschnittlich 1,5 Sekunden. Wählen Sie bei jedem Versuch eine zufällige Verzögerungsdauer aus, die auf einer einheitlichen Dichte zwischen 1,3 und 1,8 Sekunden basiert.

Spielen Sie das Anweisungssignal sofort ab, nachdem das Subjekt in das Fixierungsloch eingedrungen ist. Weisen Sie jedem der Ziele zwei Befehlshinweise zu. Verwenden Sie in dieser Phase jedoch nur einen Hinweis, der jedem Ziel zugeordnet ist, bis die Probanden mit der Aufgabe vertrauter sind.

Lassen Sie den Probanden sowohl auditive als auch visuelle Hinweise verwenden, um das Zielloch auszuwählen, bis das gewünschte Leistungsniveau erreicht ist. Um den Probanden zu trainieren, nur akustische Hinweise zu verwenden, schalten Sie die blinkenden LEDs im Zielloch aus, damit der Proband nur akustische Hinweise verwenden kann. Führen Sie die beiden anderen Hinweise in die Abfolge der zufällig präsentierten Befehlshinweise ein, wenn die gewünschte Leistung erreicht ist, und wiederholen Sie die Trainingsschritte.

Stellen Sie sicher, dass der Proband am Ende jedes Schritts mindestens drei aufeinanderfolgende Sitzungen lang eine Verhaltensleistung von mehr als 75 % beibehält, bevor er zur nächsten Stufe übergeht. Sobald die letzte Phase erreicht ist, behalten Sie den Probanden eine Woche lang auf dem Protokoll, um sicherzustellen, dass die Leistung auf dem gewünschten Niveau gehalten wird. Definieren Sie die Erfolgsrate als den Prozentsatz der korrekten Besuche bei den Zielvorhaben dividiert durch die Gesamtzahl der Versuche.

Die Erfolgsquote sollte in jeder Phase des Trainings gemessen werden. Zu den verschiedenen Fehlertypen gehören die vorzeitige Retraktion, der Prozentsatz der Versuche, die aufgrund eines frühen Rückzugs aufgrund des Kommissionsfehlers des Fixationslochs abgelaufen sind, der Prozentsatz der fehlgeschlagenen Versuche, wenn der Proband ein nicht konstruiertes Ziel besucht, und ein Missionsfehler. Der Prozentsatz der Fehler, wenn der Proband nach Beginn der Studie keines der Ziele besucht.

Für jeden Versuch wird die Reaktionszeit gemessen, die als die Verzögerung zwischen dem Einsetzen der Go-Warteschlange und dem Zurückziehen des Probanden aus dem Fixationsloch definiert ist. Die Zeit bis zum Ziel wird auch als die Dauer zwischen dem Zurückziehen des Motivs aus dem Fixierloch und dem Eintritt in das Zielloch gemessen. Dieses Beispiel zeigt die Erfolgsrate für ein einzelnes Motiv in 14 Aufzeichnungssitzungen.

Bei den Fehlerarten dominieren vorzeitige Rücknahmen, wobei Kommissionsfehler und Auslassungsfehler seltener auftreten. Dieses Histogramm zeigt die Verteilung der Reaktionszeit über verschiedene Versuche. Hier wird die Verteilung der Zeit bis zum Ziel über verschiedene Studien gezeigt.

Sobald der Proband die Aufgabe übernommen hatte, wurde ihm ein 32-Kanal-Mikroelektrodenarray implantiert. Im prälimbischen Bereich ist eine Beispielspur dargestellt, die an einem Rasterdiagramm von 22 ausgerichtet ist. Gleichzeitig aufgezeichnete Einheiten, Marker für Verhaltensereignisse, werden auf die Spuren aufgetragen.

Beim Versuch dieses Verfahrens ist es wichtig, daran zu denken, den Perus vor jeder Trainingseinheit zu überprüfen und die Leistung des Probanden danach zu überwachen. Ein signifikanter Rückgang der Verhaltenswerte kann durch eine Fehlfunktion des Geräts nach seiner Entwicklung verursacht werden. Diese Technik sollte Forschern auf dem Gebiet der kognitiven Neurowissenschaften den Weg ebnen, die Top-Down-Steuerung von zielgerichtetem Verhalten zu erforschen.