Operante protocolos para evaluar el análisis de costo-beneficio en decisiones reforzadas por roedores

Resumen

Un análisis de costo-beneficio es un enfoque de balanza que el cerebro lleva a cabo durante el curso de la toma de decisiones. Aquí, proponemos un protocolo para entrenar a las ratas en un paradigma de toma de decisiones basado en la operante en ratas elegir recompensas más altas a costa de esperar 15 s para recibirlos.

Resumen

Guiada por el refuerzo de la toma de decisiones es la capacidad de elegir entre cursos de competencia de acción basada en el valor relativo de los beneficios y sus consecuencias. Este proceso es parte integral de la conducta humana normal y se ha demostrado para ser interrumpidas por trastornos neurológicos y psiquiátricos tales como depresión, esquizofrenia y adicción. Roedores han sido utilizados para descubrir la neurobiología de la cognición humana. Para ello, se han desarrollado varias tareas conductuales; sin embargo, la mayoría es no automatizados y mano de obra intensiva. El reciente desarrollo del microcontrolador open source ha permitido a los investigadores automatizar las tareas basado en la operante para evaluar una variedad de tareas cognitivas, estandarizar la presentación de estímulos, mejorar la grabación de datos y por lo tanto, mejorar los resultados de la investigación. Aquí, describimos automatizada basado en la demora guiada por el refuerzo de toma de decisiones tarea, usando un operante T-laberinto controlada por programas de software de medida. Mediante estas tareas de toma de decisiones, mostramos los cambios en las actividades potenciales de campo local en la corteza cingulada anterior de una rata mientras realiza una tarea de toma de decisiones y costo-beneficio basado en la demora.

Introducción

Toma de decisiones es el proceso de reconocer y seleccionar decisiones basadas en los valores y preferencias de las decisiones y las consecuencias de la acción seleccionada¹. Aunque la toma de decisiones ha sido extensamente estudiada en diferentes campos (es decir, economía, psicología y neurociencia), mecanismos neuronales subyacentes a tales capacidades cognitivas no se entienden todavía completamente. Dos subcategorías de toma de decisiones son decisiones perceptuales y guiada por el refuerzo de la toma de decisiones. Aunque incorporan conceptos y elementos de superposición considerable, perceptivo de la toma de decisiones se basa en la información sensorial disponible^1,2, considerando que la toma de decisiones guiada por refuerzo aborda el valor relativo de acciones durante un plazo específico³. Un aspecto importante del armado de la toma de decisiones es el análisis de costo-beneficio que se realiza de forma intuitiva por el cerebro calculando los beneficios de las opciones dadas y restando los costes de cada alternativa¹.

El T-laberinto (o la variante laberinto) es uno de los laberintos más utilizado en experimentos cognitivos con roedores. Animales se colocan en el brazo de arranque (la base de la T) y permite elegir el brazo de objetivo (uno de los brazos laterales). Tareas como una alternancia forzada o discriminación izquierda y derecha se utilizan principalmente con los roedores en la T-laberinto a la prueba de referencia y trabajo memoria⁴. T-laberintos son también ampliamente utilizados en experimentos de toma de decisiones^5,6,7. En el diseño más simple, la recompensa se coloca en el brazo de un único objetivo. La elección es predecible, y animales sin duda prefiere la recompensa más que nada, independientemente del valor de la recompensa. Otra opción es colocar recompensas en ambos brazos del objetivo y dejar que los animales tomar una decisión de qué camino tomar dependiendo de varios parámetros (es decir, la preferencia natural de los animales, la diferencia en el valor de las recompensas y los costos a pagar). En el diseño basado en el valor, la tarea se complica más por tener propiedades de escala de pesaje. De esta manera, un animal recibe recompensas diferentemente valorados por elegir entre dos alternativas, así como los costos de las acciones [es decir, la cantidad de espera (delay-basado) o la cantidad de esfuerzo (esfuerzo-basado) necesario para recibir recompensas], cada uno contribuye a la decisión que se hace de^5,6.

Tradicional basada en el retraso T-laberinto toma de decisiones, los animales están capacitados para seleccionar el brazo de la recompensa alta (HRA) y evitar lo contrario brazo baja recompensa (del Señor LRA). Los lados de la HRA y el LRA permanecen sin cambios durante todo el experimento. Aunque la tarea descrita anteriormente ha sido bien documentada en la literatura, sufre de varios inconvenientes procesales. En primer lugar, por tener un brazo de objetivo fijo, el animal sabe que el brazo para elegir desde el comienzo de cada ensayo. En este escenario, los animales pueden seleccionar el brazo objetivo basado en su memoria y no en la toma de decisiones. Por lo tanto, en un paradigma de toma de decisiones basado en la demora, si un animal selecciona la recompensa baja debido a la intervención del estudio, no será claro si esto es debido a una pérdida de memoria o a la intervención del estudio. Puede ser considerada como un grupo de control de memoria para segregar el comportamiento observado por el problema de memoria, pero esto afecta investigadores y animales por igual debido a los trabajos adicionales⁷. Una segunda preocupación es el momento de la toma de decisiones por el animal: una vez los animales a la zona de decisión (la Unión de los tres brazos), suelen mirar a la izquierda y a la derecha, pesan los costos y beneficios con respecto a cada brazo y entonces tomar su decisión. Sin embargo, después de unos pocos ensayos, realizan tal cómputo antes de llegar a la zona de decisión y ejecuta directamente en el brazo de recompensa. Como resultado, estos dos inconvenientes — un sesgo previo a uno de los brazos y encontrar el momento de la toma de decisiones, ambos altamente interrumpen la interpretación del electrofisiológicos y los datos de neuroimagen.

En el método explicado en este artículo, el brazo preferido (HRA) se localiza por una señal auditiva y puede variar de ensayo a ensayo. Animales inician los ensayos al entrar en la zona de prueba (figura 1) y dispara la señal auditiva pinchándola"nariz-" una puerta infrarrojos que se ha colocado en el cruce de los tres brazos. La señal de audio (20 dB, entre 500 y 1.000 ms) se juega desde un altavoz en el extremo del brazo de meta.

Protocolo

Todos los procedimientos explicaron aquí fueron aprobados y realizados conforme a la guía para el cuidado y uso de animales de laboratorio y fueron aprobados por el Comité de ética Animal Florey Institute o el centro de investigación de Neurociencia.

1. vivienda, manejo y restricción de alimentos

1. Utilizar ratas macho adulto (normalmente de 8 semanas de edad) (cualquier cepas) y mantenerlos en la habitación con un ciclo de 12 h luz/oscuridad.
2. Restringir su acceso a los alimentos para alentar a los animales para realizar la tarea.
   Nota: Los animales de la vivienda singular sugiere, ya que proporciona un mejor control de la ingestión de alimentos de cada uno.
3. En los días 1-3, manejar los animales por aproximadamente 5 min, 2 x al día.
   Nota: Manejo familiariza a los animales con contacto humano y disminuye el nivel de estrés y la ansiedad en los animales durante los experimentos.
4. Pesar los animales después de cada sesión de tratamiento. Uso de peso el primer día como la cantidad de libre-alimentación y mantener los animales en aproximadamente 80-85% de su importe de libre-alimentación.

2. Montaje experimental

1. Utilice un T-laberinto equipado con 3 particiones o brazos, 2 altavoces de estímulo, 5 puertas retráctiles y 5 sensores de movimiento infrarrojos o sensores de rayos infrarrojos (IRB).
   Nota: Se puede construir el T-laberinto de fibra de densidad media (MDF) o cloruro de polivinilo (PVC).
2. Control del laberinto construido aquí por un microcontrolador Arduino.
3. Copie el código de Arduino en el ordenador.
4. Descargar el software de Arduino desde la Web de software e instalarlo en un ordenador.
5. Conectar el microcontrolador al ordenador mediante un puerto USB.
6. En el equipo, haga clic en el icono del software, vaya a herramientasy luego seleccione Puerto.
7. En el menú desplegable, seleccione el puerto COM (puerto de comunicaciones) que conecta el software a la computadora.
8. Ir a herramientas y seleccionar tablas. En el menú desplegable, seleccione el tipo de Arduino que controla la T-laberinto.
9. Haga clic en cargar en la parte superior izquierda de la ventana de la interfaz. Seleccione el código de Arduino. Espere hasta que termine el proceso.
10. Haga clic en el monitor Serial en la parte superior derecha de la ventana de la interfaz. Entonces, en una nueva ventana pop-out, cambiar la velocidad en baudios a 115200.

3. habituación al laberinto

1. Antes de cada período de sesiones de habituación, llevar los animales a la sala de experimento por lo menos 1 h antes del experimento.
2. 10 bolitas de azúcar de dejar en cada brazo de la meta y dejar todas las puertas abiertas.
   Nota: En esta etapa, no hay para seguir los movimientos de los animales (figura 1).
3. Días 1-3: Coloque los animales individualmente en el laberinto durante períodos de 10 min, 1 x al día, para explorar el laberinto sin restricciones.
4. Días 4-5: Coloque los animales individualmente en el laberinto. Dejar 2 pastillas en cada brazo y les permiten probar la comida de ambos lados. Quitar el animal del laberinto inmediatamente después de comer pellets de ambos lados o después de 5 minutos de estar en el laberinto.
   Nota: La principal diferencia entre esta etapa y la etapa anterior es que los animales necesitan extraerse el laberinto inmediatamente después de comer pellets de ambos lados. Esto familiarizar a un animal con ser quitado del laberinto en el final de un juicio.
5. Después de cada sesión, limpiar pisos de laberinto con etanol al 70% y asegúrese de que el etanol se evapore antes de colocar el siguiente animal en el laberinto.

4. discriminación formación

1. Preparación de laberinto
   1. Día 6: Llevar los animales a la sala de experimento por lo menos 1 h antes del experimento.
   2. Ejecute el programa de Arduino y establece el número del ensayo en 14 de los cuales los 4 primeros ensayos será selección forzada y el resto serán ensayos de elección.
      Nota: El programa generará aleatoriamente igual número de ensayos que se asignará a la izquierda y derecha de la T-laberinto.
   3. Antes de cada ensayo, colocar 4 bolitas en el brazo de la meta que se localiza la HRA y 2 pastillas en el otro brazo que es la LRA.
2. Formación prueba de selección forzada (4 ensayos)
   1. Pseudo-al azar bloque un brazo antes de cada ensayo para que el animal se ve obligado a seleccionar el otro brazo.
      Nota: El brazo bloqueado puede ser un brazo de alta recompensa o un brazo de recompensa baja mientras que la señal auditiva destaca el lado de la HRA.
   2. Colocar un animal en la caja de inicio (figura 1). Después de s 5-7, al mismo tiempo abrir la puerta de salida y haga clic en iniciar en la ventana de la interfaz de Arduino.
   3. Recoger el animal inmediatamente después de comer pellets o después de 5 minutos de estar en el laberinto.
   4. Dejar el animal en la jaula casera por 2 min.
3. Opción capacitación prueba (10 ensayos)
   1. Antes de cada ensayo, cerca de la puerta B en el brazo que es seleccionado por el software que la HRA. Deja A puerta abierta en el brazo opuesto (LRA).
   2. Colocar un animal en la caja de inicio (figura 1). Después de s 5-7, al mismo tiempo abrir la puerta de salida y haga clic en Inicio.
   3. Deje que el animal elegir libremente cualquiera de los dos brazos. Si el animal elige la HRA, puerta abierta-A, deje que el animal ingrese a la cámara, cierre la puerta-A y puerta abierta-B inmediatamente para dar el acceso de animales a los alimentos seleccionados bien.
   4. Si el animal elige el ERS, puerta B para dar el acceso de animales a la comida bien.
   5. Retire al animal después de que se ha comido toda la comida en la comida seleccionada bien y dejarlo en la jaula casera por 2 min.
   6. Completar los 10 ensayos de elección para cada animal y registrar la elección del animal (HRA o LRA) en cada ensayo.
   7. Calcular el porcentaje de preferencia alta recompensa (HRC) para los ensayos de elección después de cada sesión de entrenamiento.
   8. Tras la realización de 14 senderos, los tiempos individuales obtenidos por cada sensor infrarrojo se muestran en la ventana de interfaz de Arduino.

5. retardo de formación

1. Una vez cada animal ha alcanzado el 80% de HRC en el entrenamiento de discriminación (paso 4), empezar la formación demora ejecutando 10 ensayos por día para cada animal. En esta etapa, puerta B debe ser abierto después de sólo 5 s de demora cuando el animal elige la HRA.
2. Si el animal alcanza un HRC de 80% al final de una sesión de entrenamiento con un retraso de s 5, aumente el retraso a 10 s para la siguiente sesión de entrenamiento.
3. Una vez que el animal ha alcanzado un HRC de 80% con un retraso de s 10, aumente el retraso a 15 s para la siguiente sesión de entrenamiento.
4. Grabar la elección del animal para cada ensayo calcular el HRC después de cada sesión de entrenamiento.
5. Tras la realización de los ensayos, los tiempos individuales obtenidos por cada sensor infrarrojo se muestran en la ventana de interfaz de Arduino.
   Nota 1: El temporizador se inicia al hacer clic en Enter. El 'Time_decision' es el tiempo después de la nariz-poke a la IRB-1. 'Time_left_1' es el momento en que un animal rompe IRB - 1L y 'Time_left_2' cuando CRI - 2L está quebrado. Si el estudio de comportamiento se combina con imágenes neuronales o electrofisiología (p. ej., proyección de imagen de calcio), métodos de grabación de película se recomienda para una mejor sincronización del comportamiento del animal a las señales neuronales.

6. electrofisiología (fabricación de electrodos)

1. Utilice electrodos bipolares o solo para registrar los potenciales de campo local (LFPs).
   Nota: Se sugiere el uso de electrodos bipolares porque le permite volver a referencia local reducir el impacto de la conducción de volumen. Por lo tanto, la LFP grabada es el voltaje diferencial entre 2 electrodos a una distancia de ~ 200 μm entre las puntas.
2. Para hacer un electrodo bipolar, unir 2 electrodos de tungsteno o viento juntos 2 cables de acero inoxidable (normalmente, se utilizan cables de acero inoxidable recubierto de PFA con un diámetro de 50 μm).
3. La puesta a tierra de la soldadura y grabación alambres a un enchufe mini para convertirse en un conector para el sistema de grabación de electrofisiología.

7. anestesia

1. Para implantar los electrodos, anestesiar las ratas por una inyección intraperitoneal de una mezcla de ketamina (100 mg/kg) y xilacina (8 mg/kg), o mediante la administración de isoflurano como se describe en los pasos siguientes.
   Nota: Isoflurano se recomienda debido a la mejora del control de la profundidad anestésica.
2. Use una máquina de anestesia con oxígeno controlado y flujo de vapor anestésico.
3. Para anestesiar el animal por isoflurano, colocar en la cámara de inducción e isoflurano a una tasa de alrededor del 4% y oxígeno en 500-1.000 mL/min en la máquina anestésica.
4. Continúa la inducción hasta que desaparezca el reflejo adrizante del animal.
5. Establecer la tasa de mantenimiento anestésico en 1-2.5% isoflurano y 300-400 mL/min de oxígeno en la máquina.
6. Coloque una almohadilla de calor con aislamiento (algodón) en un dispositivo estereotáxicas y luego inmovilizar el animal en el dispositivo estereotáxicas.
7. Medir el nivel de anestesia por pellizcarse los dedos del pie del animal.

8. quirúrgico

1. Usando una máquina de afeitar eléctrica o un par de tijeras, afeitar la cabeza del animal donde la incisión debe ser hecha.
2. Frote el área quirúrgica con etanol y luego con povidona-yodo, 4%.
3. Aplique lubricante ocular para proteger la córnea del animal durante la cirugía.
4. Utilizando tejido pinzas, tire suavemente de la piel entre los ojos y oídos del animal. Con unas tijeras, cortar la piel que está pellizcada entre las pinzas y quite el periostio.
5. Utilice peróxido de hidrógeno para limpiar y desinfectar el cráneo.
6. Encontrar la ubicación del punto de inserción del electrodo usando coordenadas estereotáxicas y marque en el cráneo con un marcador permanente.
7. Use un taladro de mano para hacer un agujero para el electrodo de puesta a tierra, uno para anclar el implante y un agujero por el electrodo de la grabación.
8. Inserte los electrodos en una velocidad muy lenta para minimizar el posible daño cortical y subcortical.
9. Conectar el electrodo de puesta a tierra en el cráneo usando un pequeño tornillo.
10. Fije el enchufe conector en su lugar con una fina capa de cemento acrílico dental.
11. Inyectar la buprenorfina (15 μg/kg, por vía subcutánea) o meloxicam (1-3 mg/kg, por vía subcutánea) como un analgésico.
12. Dejar el animal en una jaula sobre una estera caliente para recuperarse. Observar al animal por lo menos cada 30 minutos hasta que haya recuperado de la anestesia.

9. después del procedimiento formación

1. Después de la cirugía, permiten al menos un período de 10 días de recuperación. Casa los animales individualmente con libre acceso al alimento y agua ad libitum y supervisar sobre una base diaria (véase Rudebeck, Walton, Smyth, Bannerman y Rushworth⁷ para obtener más información).
2. Después de la recuperación, empezar a restringir la dieta del animal hasta el 85% de su importe de libre-alimentación.
3. Reciclar a los animales en el laberinto para recordar la fase de discriminación (paso 4).
4. Continuar formación los ratones hasta que hayan alcanzado el 80% de HRC.

Resultados

Los datos presentados aquí están la LFP grabada desde la corteza orbitofrontal izquierda (OFC) y la corteza cingulada anterior (ACC) de seis ratas Wistar macho con electrodos bipolares (de acero inoxidable recubierto de PFA). La tabla 1 muestra la longitud de la adquisición de comportamiento para cada etapa de formación. Las coordenadas de los lugares de destino se determinaron a partir de una rata cerebro atlas⁹ y son las siguientes: para la AAC, ...

Discusión

Roedores han sido utilizados en estudios neurocientíficos que tratan diferentes temas, desde las habilidades cognitivas como el aprendizaje y la memoria^2,14 y comportamiento reforzado^7,15,16 para el control central de órganos^17,18 y Neurofarmacología^19,20...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
T-maze			Pellets
azúcar de precisión sin polvo	TSE Systems Intl. Group	F0023 45	mg, inyección
de clorhidrato de sacarosa ketamina, USP	Sigma-Aldrich	6740-87-0
Xylazine	Sigma-Aldrich	7361-61-7
dispositivo estereotáxico	Stoelting
Isofluran	Santa Cruz Biotechnology	sc-363629Rx
Alambres de acero inoxidable recubiertos de PFA Sistemas	A-M
cemento acrílico	Vertex, MA, EE. UU. (
madera o PVC (cloruro de polivinilo)-fabricado)	proveedores
Conector de alimentación Mini-Fit	Molex	15243048
etanol 70%	Proveedores locales
buprenorfina	diamondback drogas
Arduino UNO	Arduino		https://www.arduino.cc/
Diodo emisor de infrarrojos	Sharp	GL480E00000F	http://www.sharp-world.com/
Chronux Toolbox			Chronux.org
códigos			https://github.com/dechuans/arduino-maze