Un sistema totalmente automatizado Protocolo acondicionado Roedor de Sensorimotor Integración y control de los experimentos cognitivos

Resumen

Se propone un protocolo totalmente automatizado para roedores condicionamiento operante. El protocolo se basa en el control temporal preciso de eventos conductuales para investigar el grado en que las influencias de este control de la actividad neural subyacente de integración sensoriomotora y control cognitivo experimentos.

Resumen

Los roedores se han utilizado tradicionalmente como un modelo animal estándar en experimentos de laboratorio con una gran variedad de tareas sensoriales, cognitivas y motoras. Funciones cognitivas superiores que requieren un control preciso sobre las respuestas sensoriomotoras, como la toma de decisiones y la modulación atencional, sin embargo, suelen ser evaluados en los primates no humanos. A pesar de la riqueza de la conducta de los primates que permite múltiples variantes de estas funciones para ser estudiados, el modelo de roedores sigue siendo una alternativa atractiva y rentable para los modelos de primates. Además, la capacidad de automatizar completamente el condicionamiento operante en roedores añade ventajas únicas sobre la formación mano de obra intensiva de los primates no humanos, mientras que el estudio de una amplia gama de estas funciones complejas.

Aquí, presentamos un protocolo para operantemente acondicionado ratas en la realización de tareas de memoria de trabajo. Durante épocas críticos de la tarea, el protocolo garantiza que el movimiento explícito del animal se minimiza por requiring que el animal 'Fixate' hasta que se entrega una señal Go, similar al diseño experimental de primates no humanos. Un sencillo de dos alternativas tarea de elección forzada se implementa para demostrar el rendimiento. Se discute la aplicación de este paradigma para otras tareas.

Introducción

El estudio de la relación entre la neurofisiología y la conducta es el objetivo final de la neurociencia de sistemas. Históricamente, ha habido un equilibrio entre la elección del modelo animal y de repertorio conductual ^1-5. Mientras que los organismos simples como babosas de mar ⁶ o ⁷ calamares se han utilizado ampliamente para estudiar las propiedades de los canales de iones sola, las neuronas y los circuitos neurales simples, se necesitan las especies de orden superior para estudiar funciones más complejas tales como la navegación espacial, de toma de decisiones ^8-11 y cognitiva controlar ^12-14. A pesar de ser un modelo animal estándar para el consumo humano como el comportamiento, el uso de primates no humanos solicita consideraciones de costo y éticos que se opone a su uso en una amplia gama de experimentos en un solo establecimiento de ^15-18 laboratorio. Modelos animales más simples, tales como roedores son generalmente preferidos ^19, siempre que tengan sustratos neurales que subyacen a los comportamientos similares de interés.

"> Hay amplia evidencia que sugiere que los roedores comparten estructuras corticales y subcorticales similares a los encontrados en los primates ^20-22. Los roedores también son conocidos por integrar la información a través de múltiples modalidades sensoriales para guiar su acción ^{23 a 25,} por ejemplo, mediante la coordinación de bate y olfateando durante la conducta exploratoria ²⁶ o mediante la integración de eventos auditivos y visuales / olfativos ^25,27.

Aquí se describe un marco para el condicionamiento operante de roedores utilizados para probar las tareas cognitivas ^28-32. En este marco, se pidió a los sujetos a fijar la vista en el interior de un agujero nosepoke y mantener su hocico dentro del agujero hasta la presentación de un taco de marcha. La tarea de comportamiento es un diseño nosepoke cinco hoyos que se utiliza convencionalmente para estudios de tarea de tiempo de reacción en serie 5-elección. Durante el período de retardo, una serie de señales de instrucción se presenta para orientar el objeto de realizar una acción. Este marco se puede modificar fácilmente para adaptarsese necesita una amplia gama de experimentos en los que la formación de la materia para minimizar su movimiento abierta durante un breve intervalo. Esto permite estudiar el grado en que la actividad Rematar de las neuronas individuales se ve afectada por señales específicas durante este intervalo. El protocolo se puede reducir al mínimo el tiempo de entrenamiento y puede reducir a través de La variabilidad de aprendizaje. Un diagrama de flujo esquemático de la tarea se muestra en la Figura 1.

Protocolo

Todos los procedimientos con animales fueron aprobados por el Cuidado de Animales y el empleo Comisión Institucional de la Universidad Estatal de Michigan (IACUC).

1. Configuración Experimental

1. Utilice una caja de condicionamiento operante que consiste en una pared nosepoke de cinco orificios en un lado y un canal de suministro de alimentos en el lado opuesto.
   1. El centro del agujero nosepoke se considera como una "fijación" agujero y los otros cuatro orificios (dos en cada lado del orificio de fijación) se consideran agujeros objetivo del motor. Cada agujero está equipado con un LED de tres colores y un sistema emisor-detector de haz de infrarrojos que detecta cuando el animal entra y se retrae desde el orificio de fijación.
   2. Utilice un generador de tonos programables para generar tonos de frecuencia individuales con una precisión de milisegundos y conectarlo a un altavoz montado dentro de la caja operante. Controlar el generador de tonos y nosepokes a través del sistema de seguimiento del comportamiento con el software adecuado. Utilice un hardware y softwson sistema que proporciona monitoreo escala de tiempo de milisegundos de eventos y el control de las señales y las respuestas conductuales.
      Nota: La amplitud de tono y las señales de ruido debe mantenerse alrededor de 60 ± 3 dB SPL.

2. Habituación temprana

1. Restringir el consumo de alimentos de la materia gradualmente hasta ~ 5 g por 100 g de peso normal del sujeto (por ejemplo, en el transcurso de 3 días). El sujeto debe mantener 85-90% de su peso ad libitum.
2. Habituar al sujeto a la manipulación por el experimentador y familiarizar al sujeto con el aparato de la primera días de iniciar el protocolo de privación de alimentos. Inicie el manejo del animal y lo coloca en el cuadro de condicionamiento operante mientras que proporciona bolitas de comida en el comedero de pellets para fomentar el tema de explorar la jaula y familiarizarse con la ubicación de entrega recompensa.

3. Sin perjuicio de Formación

1. Indicaciones generales
   1. La tarea se sugiere aquí necesita una coordinación precisa entre la percepción de una señal auditiva, minimizando los movimientos durante el período de demora y ejecución del movimiento.
   2. Poco a poco entrenar al paso paso a objeto de prepararlos para el comportamiento final deseado.
   3. Asegúrese de que al final de cada etapa, el sujeto mantiene> 75% el rendimiento de comportamiento durante al menos tres sesiones consecutivas antes de pasar a la siguiente etapa.
   4. Una vez que se alcanza la etapa final, mantener el tema en el protocolo durante una semana para asegurar el rendimiento se mantiene en el nivel deseable.
2. Inicio: Familiarizar al sujeto con los orificios nosepoke, puerto de la entrega de alimentos y la asociación entre los agujeros intermitentes y recompensa.
   1. Seleccione uno de los cuatro objetivos en un horario aleatorio.
   2. Juega el cue Buscar (un ruido auditivo blanco) y mantener el LED en el interior del agujero intermitente (0,3 seg duración del pulso).
   3. Establezca los software para recompensar el tema sobre las visitas al hoyo.
   4. Tiempo de espera del juicio después de 30 segundos si el agujero no es visitada e iniciar un nuevo juicio.
   5. No recompense a ninguna de las visitas a los agujeros incorrectos.
3. Selección de destino: Sancionar visitas erróneas a los agujeros no seleccionados.
   1. Tras las visitas a los agujeros incorrectos, terminar el juicio seguido por 5 segundos de negro-out.
      Nota: Durante una época negro de salida, el LED de orificio de fijación se apaga en la jaula. Esto significa que el sujeto no puede iniciar un juicio y tiene que esperar hasta que el orificio de fijación LED comienza a parpadear.
   2. Seleccione un nuevo agujero y empezar un nuevo juicio.
4. Nosepoke: Capacitar al sujeto a hurgar en el interior del agujero de fijación para iniciar un juicio.
   1. Flash de un LED amarillo en el interior del agujero de fijación.
   2. Al visitar el agujero de fijación reproducir inmediatamente el cue Go y comenzar un nuevo juicio.
   3. Penalizar visitas incorrectas por 5 seg; De negro-out.
5. Delay: Enseñar al sujeto para mantener la nariz en el interior del agujero de fijación por un período determinado de tiempo (período de demora) que se incrementa gradualmente a medida que progresa el entrenamiento.
   1. Espere a que el objeto de visitar el agujero de fijación.
   2. Terminar el juicio si el sujeto se retrae dentro de los 500 ms. De lo contrario, jugar el cue Go.
   3. Penalizar retracciones prematuros por un periodo negro de salida durante 7 s.
   4. Premiar las visitas correctas mediante la entrega de una bolita de comida.
6. Dos Cues (con luz): Aumentar y aleatoriamente la longitud del periodo de demora e introducir el taco instrucción auditiva.
   1. Aumentar la longitud del período de retardo a un promedio de 1,5 seg.
   2. Seleccione un tiempo de longitud periodo aleatorio en cada ensayo basado en una densidad uniforme entre 1.3 a 1.8 seg.
   3. Introducir la señal de instrucción como un tono auditivo sola frecuencia pulsada en tripletes, con una duración de pulso de 150 mseg yintervalo entre de 100 ms.
      1. Juega el cue instrucción inmediatamente después de que el sujeto entra en el agujero de fijación.
      2. Asigne dos señales de instrucción a cada uno de los objetivos.
      3. Utilice únicamente una señal asociada para cada objetivo en esta etapa.
   4. Deje que el sujeto utilice ambas señales auditivas y visuales para seleccionar el agujero blanco.
7. Dos Cues (sin luz): entrenar a los sujetos a sólo utilizan señales auditivas.
   1. Apagar los LEDs parpadeantes dentro de los agujeros de destino para que el sujeto sólo utilizar claves de instrucciones auditivas.
8. Cuatro Cues: Introducir las otras dos señales a la secuencia de las señales de instrucción presentados aleatoriamente y repetir secciones 3.5.3-3.6.1.

4. Análisis de los datos de comportamiento

1. Porcentaje de éxito: definir la tasa de éxito como el porcentaje de visitas correctas a las metas, dividido por el número total de ensayos.
   1. Medir la tasa de éxito en cada etapa de la formación.
2. Tipos de errores:
   1. Retracción prematura: medir el porcentaje de ensayos oportuna debido a primeras retracciones del agujero de fijación.
   2. Error Comisión: Calcular el porcentaje de ensayos fallidos cuando el sujeto visita un destino sin instrucción
   3. Error Omisión: Calcular el porcentaje de errores cuando el sujeto no visita alguno de los blancos después de la iniciación del juicio.
3. Las variables medidas:
   1. Tiempo de reacción (RT): Para cada ensayo, medir el retraso entre el inicio de la señal Go y la retracción tema desde el orificio de fijación.
   2. Tiempo a Target (TT): Mide la duración entre la retracción tema desde el agujero de la fijación y de entrar en el agujero blanco.

Resultados

El marco propuesto permite la formación de la materia en una serie de tareas cognitivas. Aquí hemos implementado una tarea demora instruido diseñado para investigar los mecanismos de acciones dirigidas a un objetivo en la corteza prefrontal de los roedores. Figura 1 muestra un diagrama de flujo del diseño experimental.

Para asegurarse de que el sujeto entiende la exigencia de tareas a cada paso, las medidas de desempeño deben ser evaluados continuamente. Figura 2

Discusión

Las ratas han sido ampliamente utilizados en la investigación en neurociencias durante más de un siglo. Desde la introducción de Thorndike del concepto de la ley del efecto en los gatos ^34, el condicionamiento operante ha sido el método estándar para probar diferentes aspectos del comportamiento animal. Muchos experimentos de neurociencia que implican la toma de decisiones y la preparación del motor incluyen un período de retraso entre las señales de instrucción y el intervalo de la acción. Es deseable reduci...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Llave de nariz de 5 agujeros con 3 Stim Cue Light Rat Cage	Coulbourn	H21-06M/R
Jaula de prueba	Coulbourn	H10-11R-TC
Software de estado gráfico	Coulbourn
Generador de tono/ruido programable	Coulbourn	A12-33
Pellets de precisión sin polvo	Bio-Serv	F0165
Módulo de altavoz	Coulbourn	H12-01R