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

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.