Eine vollautomatische Nageranlage Protokoll für die Integration sensorischer und kognitiver Kontrollexperimente

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments besteht darin, einen automatisierten Verhaltensrahmen für die operante Konditionierung von Nagetieren zur Untersuchung komplexer kognitiver Aufgaben einzuführen. Die Verhaltensaufgabe basiert auf einem Fünf-Löcher-Nasenstupstest, der üblicherweise in Studien zur fünfstelligen seriellen Reaktionszeitaufgabe eingesetzt wird. Die Versuchstiere müssen ihre Schnauze während einer kurzen Verzögerungsphase in einem Fixationsloch halten, bis nach Ablauf dieser Zeit ein „Go“-Signal präsentiert wird.

Während der Fixationsphase wird eine akustische Instruktion präsentiert, um den Probanden zu leiten, ein zukünftiges motorisches Ziel auszuwählen, das eine Belohnung erhält. Die Verwendung einer akustischen Instruktion ermöglicht klar definierte Übergänge zwischen verschiedenen Aufgabensequenzen und erlaubt die Untersuchung mehrerer Verhaltensaspekte sowie neuronaler Mechanismen der Arbeitsgedächtnisfunktion, Entscheidungsfindung und motorischen Planung. Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden Methoden, wie zum Beispiel Labyrinth-Navigationsversuchen, liegt darin, dass während der kritischen Phase der Aufgabe das offensichtliche motorische Verhalten, das durch systematische Variationen in der Trajektorie des Probanden verfälscht werden könnte, minimiert wird.

Obwohl diese Methode Einblicke in die motorische Steuerung ermöglicht, können Studien auch genutzt werden, um andere kognitive Prozesse höherer Ordnung zu untersuchen, wie Wahrnehmung, Aufmerksamkeit und Gedächtnisbildung. Die Durchführung des Verfahrens wird Dylan Miller, ein Studierender aus meinem Labor, demonstrieren. Die folgende Studie wird in einer Operant-Konditionierungskammer durchgeführt, die auf der einen Seite eine Wand mit fünf Nasenstupflöchern und auf der gegenüberliegenden Seite eine Futterabgabewanne aufweist.

Das mittlere Loch für die Nasenberührung gilt als Fixationsloch, und die vier anderen Löcher, zwei auf jeder Seite des Fixationslochs, gelten als motorische Zielöffnungen. Jedes Loch ist mit einer dreifarbigen LED und einem Infrarotstrahl-Emitter-Detektor-System ausgestattet, das erfasst, wenn das Tier das Fixationsloch betritt und wieder verlässt. Ein programmierbarer Tongenerator erzeugt einen Ton mit einheitlicher Frequenz und Millisekunden-Genauigkeit, der mit einem Lautsprecher verbunden ist, der innerhalb der Opernkiste montiert ist.

Der Ton-Generator und die Nasenstupflöcher werden über das Verhaltensverfolgungssystem gesteuert. Während der Gewöhnungsphase verwenden Sie eine spezielle Software, um die Tiere täglich zu betreuen, ihnen schrittweise die Möglichkeit zu geben, die Konditionierungskammer und die Futterfalle zu erkunden, und reduzieren Sie ihre Nahrungsaufnahme über einen Zeitraum von drei Tagen, bis sie 85 bis 90 % ihres ursprünglichen Körpergewichts erreichen. Der erste Schritt besteht darin, das Versuchstier mit den Nasenstupflöchern, der Futterabgabestelle und der Verknüpfung zwischen den blinkenden Löchern und der Belohnung vertraut zu machen.

Wählen Sie dazu zufällig eines der beiden Ziele aus und geben Sie die Go-Serie aus, ein weißes akustisches Rauschen, während die LED innerhalb des Lochs blinkt. Stellen Sie die Software so ein, dass das Versuchstier belohnt wird, wenn es das Loch aufsucht. Beenden Sie den Versuch nach 30 Sekunden, falls das Loch nicht aufgesucht wird, und beginnen Sie einen neuen Versuch, um die Zielauswahl zu unterstützen.

Bestrafen Sie Besuche an falschen Löchern, indem Sie den Versuch beenden und diesem eine fünfsekündige Dunkelphase folgen lassen. Wählen Sie anschließend ein neues Loch aus und beginnen Sie einen neuen Versuch, bis die gewünschte Leistungsstufe erreicht ist. Trainieren Sie das Versuchstier, in das Fixationsloch hineinzustupsen.

Um eine Durchführung zu starten, wird eine gelbe LED innerhalb des Fixationslochs aufgeblendet. Sobald das Tier das Fixationsloch aufsucht, wird sofort das „Go“-Signal abgespielt und eine neue Durchführung gestartet. Sobald das Versuchstier gelernt hat, das Fixationsloch aufzusuchen, lehren Sie es, seine Nase für einen festgelegten Zeitraum innerhalb des Lochs zu halten.

Warten Sie dazu, bis der Proband das Fixationsloch aufsucht, und beenden Sie dann den Versuchsdurchlauf. Wenn der Proband innerhalb von 500 Millisekunden zurückzieht, bestrafen Sie vorzeitige Rückzüge durch eine Schwarzlichtphase von sieben Sekunden. Andernfalls geben Sie das Go-Signal aus und belohnen korrekte Besuche durch die Freigabe eines Futterpellets.

Der nächste Schritt besteht darin, die akustische Instruktionssequenz als einen einzelnen Frequenzton einzuführen, der in gepulsten Dreiergruppen mit einer Pulsdauer von 150 Millisekunden und einem Zwischenpulsintervall von 100 Millisekunden dargeboten wird. Zusätzlich sollte die Länge der Verzögerungsphase auf durchschnittlich 1,5 Sekunden erhöht werden. Wählen Sie bei jedem Durchgang eine zufällige Länge der Verzögerungsphase basierend auf einer gleichmäßigen Dichte zwischen 1,3 und 1,8 Sekunden.

Spiele den Instruktionshinweis unmittelbar nachdem das Versuchssubjekt das Fixationsloch betritt ab. Ordnen Sie jedem Ziel zwei Instruktionshinweise zu. Verwenden Sie jedoch in diesem Stadium für jedes Ziel nur einen zugeordneten Hinweis, bis die Versuchssubjekte mit der Aufgabe vertrauter geworden sind.

Lassen Sie das Versuchstier sowohl akustische als auch visuelle Hinweise nutzen, um das Zielloch auszuwählen, bis das gewünschte Leistungsniveau erreicht ist. Um das Versuchstier darauf zu trainieren, ausschließlich akustische Hinweise zu nutzen, schalten Sie die blinkenden LEDs im Zielloch aus, sodass das Versuchstier nur akustische Instruktionshinweise verwenden kann. Führen Sie die beiden anderen Hinweise in die Abfolge der zufällig präsentierten Instruktionshinweise ein, sobald das gewünschte Leistungsniveau erreicht ist, und wiederholen Sie die Trainingsschritte.

Stellen Sie sicher, dass am Ende jedes Schritts die Verhaltensleistung des Probanden über drei aufeinanderfolgende Sitzungen hinweg mindestens bei 75 % liegt, bevor zum nächsten Stadium übergegangen wird. Sobald das letzte Stadium erreicht ist, bleibt der Proband eine Woche lang bei dem Protokoll, um sicherzustellen, dass die Leistung auf dem gewünschten Niveau aufrechterhalten wird. Definieren Sie die Erfolgsrate als den Prozentsatz korrekter Besuche an den Zielorten, dividiert durch die Gesamtanzahl der Versuche.

Die Erfolgsrate sollte in jeder Phase des Trainings gemessen werden. Die verschiedenen Fehlertypen umfassen vorzeitiges Zurückziehen, den Prozentsatz der abgebrochenen Versuche aufgrund eines vorzeitigen Zurückziehens aus dem Fixierloch (Kommissionfehler), den Prozentsatz fehlgeschlagener Versuche, wenn das Versuchstier ein nicht präpariertes Ziel besucht, sowie einen Missionsfehler. Außerdem der Prozentsatz der Fehler, bei denen das Versuchstier nach Versuchsbeginn keines der Ziele aufsucht.

Für jeden Versuch wird die Reaktionszeit gemessen, definiert als die Verzögerung zwischen dem Beginn des „Go“-Signals und dem Zeitpunkt, zu dem die Versuchsperson das Fixierloch verlässt. Die Zeit bis zum Ziel wird ebenfalls gemessen als die Dauer zwischen dem Verlassen des Fixierlochs durch die Versuchsperson und dem Betreten des Ziellochs. Dieses Beispiel zeigt die Erfolgsrate einer einzelnen Versuchsperson über 14 Aufnahmesitzungen hinweg.

Die Fehlerarten werden dominiert von vorzeitigen Rückzügen, wobei Fehler durch Fehlreaktionen und Auslassungsfehler seltener auftreten. Dieses Histogramm zeigt die Verteilung der Reaktionszeit über verschiedene Versuchsdurchläufe hinweg. Hier wird die Verteilung der Zeit bis zum Ziel über verschiedene Versuchsdurchläufe hinweg dargestellt.

Nachdem der Proband die Aufgabe erlernt hatte, wurde ein 32-Kanal-Mikroelektrodenarray implantiert. Im prälimbischen Bereich ist eine Beispielableitung zusammen mit einem Rasterplot von 22 dargestellt. Gleichzeitig aufgezeichnete Einheiten, sowie Marker für Verhaltensereignisse, sind überlagert in den Ableitungen dargestellt.

Während des Durchführens dieses Verfahrens ist es wichtig, vor jeder Trainingssitzung die Perus zu überprüfen und anschließend die Leistung des Probanden zu überwachen. Eine signifikante Verschlechterung der Verhaltenswerte kann durch eine Fehlfunktion der Ausrüstung nach ihrer Entwicklung verursacht werden. Diese Technik sollte für Forscher auf dem Gebiet der kognitiven Neurowissenschaften den Weg ebnen, die top-down-Steuerung zielgerichteten Verhaltens zu erforschen.