Name: Un sistema totalmente automatizado y altamente versátil para las pruebas múltiples funciones cognitivas y el registro de las actividades neuronales en los roedores (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-05-03T12:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 13 s
Description: Aprenda a entrenar ratas en tareas cognitivas auditivas y visuales usando un sistema automatizado de registro de actividad neuronal. Este método permite investigar múltiples funciones cerebrales en roedores simultáneamente.

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Este trabajo fue apoyado por la Fundación de Neurociencias de Investigación y subvenciones del Fondo Blasker-Rose-Miah de la Fundación San Diego y el G. Harold y Leila Y. Mathers Fundación Caritativa.

<ol><li>Zheng, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Auditory+map+reorganization+and+pitch+discrimination+in+adult+rats+chronically+exposed+to+low-level+ambient+noise%5BTitle%5D)+AND+%22Front.+Syst.Neurosci%22%5BJournal%5D)">Auditory map reorganization and pitch discrimination in adult rats chronically exposed to low-level ambient noise.</a> Front. Syst.Neurosci. 6, 65(2012).</li>
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<li>Syka, J., Rybalko, N., Brozek, G., Jilek, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Auditory+frequency+and+intensity+discrimination+in+pigmented+rats%5BTitle%5D)+AND+%22Hear+Res%22%5BJournal%5D)">Auditory frequency and intensity discrimination in pigmented rats.</a> Hear Res. 100, 107-113 (1996).</li>
<li>Eldar, E., Morris, G., Niv, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+effects+of+motivation+on+response+rate%3A+A+hidden+semi-Markov+model+analysis+of+behavioral+dynamics%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Neurosci.+Methods%22%5BJournal%5D)">The effects of motivation on response rate: A hidden semi-Markov model analysis of behavioral dynamics.</a> J. Neurosci. Methods. , (2011).</li>
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<li>Sagvolden, T. I. mpulsiveness, overactivity, <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((poorer+sustained+attention+improve+by+chronic+treatment+with+low+doses+of+l-amphetamine+in+an+animal+model+of+Attention-Deficit%2FHyperactivity+Disorder+%28ADHD%29%5BTitle%5D)+AND+%22Behav.+Brain+Funct%22%5BJournal%5D)">poorer sustained attention improve by chronic treatment with low doses of l-amphetamine in an animal model of Attention-Deficit/Hyperactivity Disorder (ADHD).</a> Behav. Brain Funct. 7, 6(2011).</li>
<li>Sagvolden, T., Johansen, E. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rat+Models+of+ADHD%5BTitle%5D)+AND+%22Curr.+Top+Behav.+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Rat Models of ADHD.</a> Curr. Top Behav. Neurosci. , (2011).</li>
<li>Brown, D. C., Nichols, J. A. 2nd, Thomas, F., Dinh, L., Atzori, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nicotinic+modulation+of+auditory+attentional+shift+in+the+rat%5BTitle%5D)+AND+%22Behavioural+brain+research%22%5BJournal%5D)">Nicotinic modulation of auditory attentional shift in the rat.</a> Behavioural brain research. 210, 273-279 (2010).</li>
<li>Johnson, K. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sensory+discrimination%3A+neural+processes+preceding+discrimination+decision%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Neurophysiol%22%5BJournal%5D)">Sensory discrimination: neural processes preceding discrimination decision.</a> J. Neurophysiol. 43, 1793-1815 (1980).</li>
<li>Johnson, K. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sensory+discrimination%3A+decision+process%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Neurophysiol%22%5BJournal%5D)">Sensory discrimination: decision process.</a> J. Neurophysiol. 43, 1771-1792 (1980).</li>
<li>Fraser, L. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measuring+anxiety-+and+locomotion-related+behaviours+in+mice%3A+a+new+way+of+using+old+tests%5BTitle%5D)+AND+%22Psychopharmacology+%28Berl%29%22%5BJournal%5D)">Measuring anxiety- and locomotion-related behaviours in mice: a new way of using old tests.</a> Psychopharmacology (Berl). 211, 99-112 (2010).</li>
<li>Hui, G. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Conditioned+tone+control+of+brain+reward+behavior+produces+highly+specific+representational+gain+in+the+primary+auditory+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Neurobiology+of+Learning+and+Memory%22%5BJournal%5D)">Conditioned tone control of brain reward behavior produces highly specific representational gain in the primary auditory cortex.</a> Neurobiology of Learning and Memory. 92, 27-34 (2009).</li>
<li>Feduccia, A. A., Duvauchelle, C. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Auditory+stimuli+enhance+MDMA-conditioned+reward+and+MDMA-induced+nucleus+accumbens+dopamine%2C+serotonin+and+locomotor+responses%5BTitle%5D)+AND+%22Brain+Res.+Bull%22%5BJournal%5D)">Auditory stimuli enhance MDMA-conditioned reward and MDMA-induced nucleus accumbens dopamine, serotonin and locomotor responses.</a> Brain Res. Bull. 77, 189-196 (2008).</li>
<li>Kudoh, M., Shibuki, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sound+sequence+discrimination+learning+motivated+by+reward+requires+dopaminergic+D2+receptor+activation+in+the+rat+auditory+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Learning+%26+Memory%22%5BJournal%5D)">Sound sequence discrimination learning motivated by reward requires dopaminergic D2 receptor activation in the rat auditory cortex.</a> Learning & Memory. 13, 698-69 (2006).</li>
<li>Shiflett, M. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cue-elicited+reward-seeking+requires+extracellular+signal-regulated+kinase+activation+in+the+nucleus+accumbens%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Cue-elicited reward-seeking requires extracellular signal-regulated kinase activation in the nucleus accumbens.</a> J. Neurosci. 28, 1434-1443 (2008).</li>
</ol>

La producción y el libre acceso de este video-artículo es patrocinado por Med Associates, Inc.

Un aspecto crítico en el diseño de cualquier tarea auditiva de comportamiento es la eliminación de sonidos no deseados que resultan de la dispersión y la deflexión en el entorno de prueba. Control de sonido deficiente puede tener un efecto significativo en el comportamiento se está probando y va a producir resultados erróneos o no se puede interpretar, incluso. La cámara de comportamiento utilizado en el sistema descrito aquí está diseñado específicamente para ser acústicamente transparente a fin de evitar la deflexión del sonido de las paredes de la cámara. En efecto, cuando se mide desde el centro de la cámara, la deflexión sonido era eficaz indetectable (datos no presentados). A pesar de que hemos desarrollado este sistema principalmente para el estudio del sistema auditivo, puede ser fácilmente adaptado por otros investigadores para estudiar otros sistemas sensoriales. Modificaciones se pueden hacer fácilmente en software y hardware para diferentes tareas sin cambiar la configuración global del sistema. El panel de operaciones del sistema modular hace particularmente polivalenciaLe permitiendo que para la adición y / o sustitución de los diferentes dispositivos para las nuevas tareas conductuales. Por ejemplo, las tareas de comportamiento olfativo puede ser implantado mediante la entrega de estímulos olfativos en el dispositivo de empuje nariz. Las cinco opciones de iluminación de pared asoman la nariz con estímulo olfativo de los Asociados MED (ENV-115A-DE) puede ser fácilmente instalado en el panel de control para las complejas tareas olfativas. Además, todos los dispositivos operantes pueden ser fácilmente reemplazados por aquellos que están diseñados para los ratones sin cambiar la configuración del sistema. El control preciso temporal de cada dispositivo operante, así como la grabación de alta resolución de los eventos individuales en un ensayo dado, permiten la manipulación precisa de los dispositivos para personalizar el diseño de las tareas de comportamiento para hacer frente a las diferentes funciones cognitivas del cerebro (ver más abajo). Cuando se combina con la grabación de la actividad neuronal, una rica variedad de temas en el campo de las neurociencias pueden ser estudiados con este sistema. Por ejemplo, en la unauditory tarea se ha descrito anteriormente, las siguientes preguntas relacionadas con las funciones cognitivas del cerebro pueden ser investigados en un solo ensayo: (1). Motivación: Dado que cada proceso se inicia por animal &quot;auto-motivado&quot; nariz-poke acción (Figura 5A-a y Figura 3), la motivación por lo tanto se pueden evaluar cuantitativamente mediante la medición del número total de ensayos realizados por un animal en un determinado período de sesiones, o el número de intentos consecutivos a cabo 6,7. (2). Atención: La clave para la obtención de una recompensa en un ensayo es reconocer correctamente las señales auditivas. En aproximadamente el 25% de las ratas que no podían ser entrenados para realizar la tarea, la falta de atención a las señales auditivas era el factor principal. En contraste, en las ratas que aprendieron la tarea, una pausa momentánea de comportamientos era evidente durante la presentación auditiva señal (véase la Figura 5A-B y la Figura 3). Mediante el uso de este sistema, es así posible a las ratas de pantalla (i) para la atención definición &quot;cit &quot;y (ii) estudiar los mecanismos neurales de la atención cuando se combina con las grabaciones neuronales mientras el animal está atendiendo a las señales auditivas 10.8. (3). Decisión: A partir del reconocimiento de las señales auditivas, el animal tiene que decidir qué dirección tomar para acercarse a la palanca correcta dentro de una ventana de tiempo limitado (Figura 5A-C). Por tanto, es también un paradigma efectivo para el estudio de la toma de decisiones 11,12. (4). Paciencia: El tiempo de extensión de la palanca se puede controlar de tal manera que el animal tiene que esperar a que la palanca después de llegar al punto donde la palanca se extenderá (Figura 5A-d). Al variar la longitud de espera, en la medida de la paciencia de un animal puede ser probado y cuantificado 13. (5). Recompensas: El objetivo final de la tarea es para obtener la recompensa (Figura 5A-e y la Figura 3). Tareas conductuales que utilizan este sistema por lo tanto puedeser fácilmente diseñado para estudiar muchos aspectos de los problemas de decisión recompensa-y la función de los sistemas de valores del cerebro 14-17.

un sistema totalmente automatizado y altamente versátil para las pruebas múltiples funciones cognitivas y el registro de las actividades neuronales en los roedores

A Fully Automated and Highly Versatile System for Testing Multi-cognitive Functions and Recording Neuronal Activities in Rodents

Hemos desarrollado un sistema completamente automatizado para la prueba de la conducta operante y la grabación de la actividad neuronal mediante el cual varias funciones cerebrales cognitivas pueden ser investigados en una secuencia única tarea. La característica única de este sistema es un hecho a medida, la cámara acústicamente transparente que elimina muchas de las cuestiones relacionadas con el control auditivo de referencia en la mayoría de cámaras disponibles en el mercado. La facilidad con que los dispositivos operantes se pueden añadir o sustituido hace que este sistema muy versátil, permitiendo la aplicación de una variedad de auditivo, visual y olfativo tareas de comportamiento. La automatización del sistema permite fina temporal (10 ms) el control y la precisión de sellado de tiempo de cada evento en una secuencia de comportamiento prediseñado. Cuando se combina con un sistema de grabación multi-canal de electrofisiología, múltiples funciones cerebrales cognitivas, tales como la motivación, la atención, la toma de decisiones, la paciencia, y las recompensas, se pueden examinar de forma secuencial o de forma independiente.

En este informe, presentamos un sistema totalmente automatizado y altamente versátil capaz de probar simultáneamente múltiples comportamientos cognitivos y el registro de las actividades neuronales de los roedores.

Un sistema totalmente automatizado y altamente versátil para las pruebas múltiples funciones cognitivas y el registro de las actividades neuronales en los roedores

Hemos desarrollado un sistema totalmente automatizado para la evaluación del comportamiento operante y el registro de la actividad neuronal mediante el cual se pueden...

El objetivo general de este procedimiento es entrenar a una rata para que realice una secuencia de tareas mediante las cuales se pueden investigar múltiples funciones cerebrales. Esto se logra primero acostumbrando a las ratas a la cámara de comportamiento. El segundo paso consiste en entrenar a la rata para que presione una palanca y obtenga gránulos de alimento como recompensa.A continuación, se entrena a las ratas para que revelen una palanca oculta introduciendo la cabeza en el orificio de picoteo nasal. El paso final consiste en entrenar a las ratas para que reconozcan una señal sensorial y luego presionen la palanca correcta indicada por la cola. En última instancia, las ratas aprenden toda la secuencia de tareas destinadas a obtener las recompensas.Hemos desarrollado un sistema completamente automatizado para pruebas conductuales y grabación de la actividad neuronal. Mediante este sistema, se pueden investigar múltiples funciones cerebrales. La característica única de este sistema es una cámara transparente acústicamente personalizada, que es ideal para el entrenamiento en tareas auditivas.Otra característica de este sistema es que se pueden agregar fácilmente diferentes dispositivos operantes, lo que lo hace muy versátil, permitiendo la implementación de una variedad de tareas conductuales auditivas, visuales y audiovisuales. El sistema consta de tres componentes principales: una habitación insonorizada con doble pared, un sistema de grabación electrofisiológica de múltiples canales y un sistema completamente automatizado para pruebas conductuales. Dentro de la habitación insonorizada se encuentra una cámara de ópera diseñada a medida.La cámara consta de tres paredes acústicamente transparentes y un panel operativo modular para monitorear y registrar el comportamiento. Una cámara de video está montada encima de la ópera en la cámara. Una caja de interfaz transmite señales de ida y vuelta entre la cámara y una computadora.Las señales auditivas son generadas por un generador de audio programable calibrado y se entregan mediante tres altavoces ubicados en el panel de operación para señales visuales; una luz de estímulo y dos pantallas de estímulo triple se encuentran en los paneles central y laterales. Un dispositivo de introducción nasal con tres luces LED de colores está montado en la parte inferior del panel central. Un detector de infrarrojos instalado dentro de la unidad de introducción nasal registra la introducción y la retención nasal.Se montan dos palancas de respuesta extraíbles y retráctiles por período en cada lado de la operación. Las recompensas se proporcionan mediante dos dispensadores de pellets que dejan caer alimento en los receptáculos de pellets. Cuatro pares de haces infrarrojos se colocan en la parte inferior de la cámara para indicar tanto la posición del animal como para controlar dispositivos según la posición del animal.Por último, los cables de una etapa de registro se conectan a un conmutador para grabar la actividad neuronal. El protocolo experimental es completamente automatizado mediante programas creados dentro de la plataforma de software Med PC cuatro. Los datos conductuales se guardan y se convierten en archivos de Microsoft Excel, luego se importan y analizan con matlab.Antes del entrenamiento, limite la ingesta de alimento hasta que el peso del animal sea el 90 % del valor basal. Para preparar la cámara para la aclimatación, retraiga las palancas, bloquee el orificio de inserción nasal con un tapón de goma y coloque aproximadamente 20 gránulos de alimento en cada receptáculo de gránulos. Ahora coloque un animal ingenuo en la cámara para la aclimatación.La rata pronto comenzará a explorar los recipientes de alimento y a comer los gránulos. Cuando ambos recipientes estén vacíos, utilice el software para dispensar un solo gránulo en cada bandeja. Al hacerlo, la rata aprenderá a asociar el alimento con el recipiente.Obligue a la rata a moverse hacia ambos lados de la cámara dispensando aleatoriamente bolitas en cada recipiente de alimento. Normalmente, una sesión es suficiente para establecer la Asociación con el Recipiente de Alimento. En una nueva sesión, extienda ambas palancas hacia la cámara y deje el recipiente de alimento vacío. A continuación, coloque una rata aclimatada dentro de la cámara.Cuando el animal entra en las inmediaciones de una palanca, dispensar una pastilla. Asimismo, proporcionar recompensas cuando la rata muestre interés por la palanca, como olfatear, tocar o trepar. Un empujón accidental de la palanca también debe activar una recompensa.Para fomentar la presión de la palanca y obligar a la exploración de ambas palancas, permita que el animal presione cada palanca consecutivamente un número limitado de veces; cuando se alcance el límite, retraiga la palanca. Extienda ambas palancas para repetir el procedimiento. Disminuya gradualmente el límite hasta que la palanca se retraiga cada vez que se presione. Una o dos sesiones suelen ser suficientes para establecer la asociación entre la palanca y la recompensa alimenticia. En una nueva sesión, retraiga las palancas.Retire el tapón de goma del orificio del dispositivo para introducir la nariz y coloque varios gránulos de alimento en el dispositivo. Vuelva a introducir al animal en la cámara y extienda aleatoriamente una de las dos palancas.Cuando la rata olfatea el orificio del dispensador de pastillas de alimento y ve la palanca extendida, se acercará y empujará la palanca para obtener una pastilla de alimento. Después de que se presiona la palanca y se dispensa la recompensa, retraiga la palanca para animar a la rata a explorar el dispositivo del orificio nasal. Por lo general, se requiere una sesión de 30 minutos para que la rata aprenda la secuencia de la tarea: orificio nasal, introducir, palanca, empujar, recompensas.En otra sesión nueva, coloque al animal en la cámara para comenzar el entrenamiento Q. Después de que el animal realice un evento de hocico, reproduzca una señal auditiva distinta. Extienda las palancas derecha e izquierda.Después de cada presentación de la señal auditiva, recompense a la rata solo cuando presione la palanca indicada por la señal auditiva; el animal aprenderá gradualmente a asociar una señal auditiva específica con una palanca. El animal ahora debería ser capaz de realizar la secuencia completa prevista de entrenamiento: introducir el hocico, señal, presionar la palanca, recompensa o ninguna recompensa.Permita que la rata practique la tarea recién aprendida hasta alcanzar un nivel de desempeño constante. La sesión tiene una duración máxima de 30 minutos. Este sistema puede utilizarse para realizar la tarea de discriminación de frecuencias con dos opciones alternativas, que examina el umbral de discriminación de frecuencia de una rata.Después de entrenar a las ratas para que presionen rápidamente la palanca correcta indicada por una señal auditiva, se obtiene una curva de aprendizaje auditivo. Cada línea de color representa las variaciones de frecuencia de discriminación de un animal individual. La línea oscura representa la curva de aprendizaje promediada.En promedio, se necesitaron alrededor de siete sesiones de entrenamiento para alcanzar el criterio de tasa de aciertos del 75 %. El comportamiento animal en esta tarea también puede caracterizarse cuantitativamente mediante varias mediciones, incluido el tiempo de reacción respecto al inicio de la señal auditiva, el intervalo entre ensayos y la dinámica temporal del desempeño. Además, se pueden investigar múltiples funciones cerebrales cognitivas utilizando este sistema.Los subtítulos superiores describen cada acción en secuencia dentro de un ensayo. Los subtítulos inferiores indican las funciones cognitivo-conductuales que pueden estudiarse cuando se combinan con electrophysiología. También puede estudiarse el registro de la base neural de las funciones cognitivo-conductuales. Este gráfico muestra una neurona registrada en el espacio nuclear ssus de una rata que realiza la tarea de discriminación de tono con dos opciones alternativas. Aunque este gráfico muestra una neurona registrada en el área segmentaria ventral, es importante prestar mucha atención a las diferencias entre las ratas y sus características conductuales, así como a su capacidad cognitiva; los procedimientos y parámetros de entrenamiento deben individualizarse para obtener los mejores resultados. Aunque desarrollamos este sistema principalmente para estudiar el sistema auditivo, puede adaptarse fácilmente por otros investigadores para estudiar el sistema visual y múltiples funciones cerebrales cognitivas, como la motivación, la atención, los pacientes y las recompensas.

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Research

Investigación

JoVE Journal

Neuroscience

Neurociencia

Se describe un procedimiento para la manipulación de la actividad de las neuronas piramidales corticales cerebrales optogenetically mientras que el electroencefalograma, electromiograma, y ​​la concentración de lactato cerebral son monitoreados. Grabaciones experimentales se realizaron en ratones de cable-atados mientras se someten espontáneas de sueño / vigilia ciclos. Optogenético equipo es ensamblado en nuestro laboratorio; aparato de control está disponible comercialmente.

Electroencefalografía simultánea, en tiempo real Medición de la concentración de lactato y Manipulación optogenético de la actividad neuronal en la corteza cerebral de roedores

Sistema totalmente automatizado para medir propiedades fisiológicamente significativas de los mecanismos que median la localización espacial, la localización temporal, la duración, la frecuencia y la estimación de la probabilidad, la evaluación de riesgos, la impulsividad y la exactitud y precisión de la memoria, con el fin de evaluar los efectos de las manipulaciones genéticas y farmacológicas sobre mecanismos fundamentales de la cognición en ratones.

Automatizado, cuantitativa Cognitiva / Screening de comportamiento de los ratones: Para Genética, Farmacología, Animal Cognition and Instruction Pregrado

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.

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

Se describen los protocolos para la formación de las ratas para registros electrofisiológicos crónicas en tareas cognitivas totalmente automatizados en una proyección del suelo Maze.

Tareas Cognitivas Visuales automatizadas para grabación Neural actividad utilizando una proyección del suelo Maze

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Un inalámbrico, interfaz bidireccional para la grabación en Vivo y estimulación de la actividad Neural en comportarse libremente las ratas

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Grabaciones simultáneas de potenciales de campo Local Cortical, Electrocardiograma, electromiograma y respirar a ritmo de una rata libremente móvil

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Automatizado, ensayo conductual a largo plazo para las funciones cognitivas en múltiples modelos genéticos de la enfermedad de Alzheimer, utilizando IntelliCage

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Registro y análisis de la dinámica de conjuntos neuronales multimodales a gran escala en una matriz de microelectrodos de alta densidad integrada en CMOS

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