Un système entièrement automatisé et hautement polyvalent pour Test Multi-Fonctions cognitives et l'enregistrement des activités neuronales chez les rongeurs

Présentation du système

Le système comprend trois composants principaux: (1) à double paroi salle insonorisée (Société Industrielle acoustique, Bronx, New York), (2) un système d'enregistrement multiples canaux électrophysiologiques (Neuralynx, Bozeman, MT), et (3) une entièrement automatisé, système personnalisé tests comportementaux de la Med Associates Inc (Saint-Albans, VT).

Comme le montre la figure 1A, la chambre se trouve opérant à l'intérieur de la salle insonorisée. Un commutateur (Modèle SL-36, Dragonfly recherche et le développement, Inc, Ridgeley, Virginie-Occidentale) pour le raccordement des câbles de headstage au système d'enregistrement électrophysiologiques (Figure1a-a), et une caméra vidéo pour surveiller et enregistrer les comportements des animaux sont montés au-dessus la chambre opérant (Figure1a-b).

Custom-Designed Chambre opérant

Le sur-mesure, acoustiquement transparent Operant chambre (Figure1a-d) se compose de trois murs acoustiquement transparents et un modulaire-panneau de commande (figure 1B). Trois haut-parleurs (tweeter Cage, ENV_224BM Associates Med) monté sur le dessus de la moyenne et deux panneaux latéraux sont utilisés pour les signaux auditifs électroluminescentes. Signaux auditifs sont générées par un calibré, générateur audio programmable (ANL-926). Une lumière de stimulation (ENV_221M) et deux triple stimulus affichages LED (ENV_222M) sont situés sur les panneaux intermédiaires et de côté, respectivement. Ces feux de relance peut être utilisé pour auditivo-visuels multi-sensorielles des tests comportementaux. Un dispositif de poche nez avec trois lumières de couleurs LED (ENV_114M) est monté à la partie inférieure du panneau central. Un détecteur infrarouge installé au sein de l'unité de poche nez est utilisé pour signaler le nez de piquer et période de détention. Les lumières LED au sein de l'unité de poche nez peut être utilisé pour la formation du nez d'attente à l'intérieur du trou. Une réponse levier mobile (ENV_112CM) est monté sur chaque côté du panneau opérant. La mobility de ces leviers permet un contrôle souple de la présence des leviers, qui peuvent être utilisés efficacement à la fois pour la formation initiale et la tâche de l'étude de plusieurs importantes fonctions cognitives du cerveau (voir ci-dessous). Quatre paires de sources de faisceaux infrarouges et des détecteurs (EVN_253SD) commandés par un contrôleur à quatre canaux IR (ENV_253) sont placés au fond de la chambre à la fois d'indiquer les positions de l'animal et commander d'autres appareils sur la base de la position d'un animal (figure 1A- e). Deux distributeurs de granulés ayant chacune une. Intégré sentinelle infrarouge (ENV_203M-45IR) sont utilisés pour distribuer des points dans les réceptacles culot (figure 1A-c) La sentinelle infrarouge est utilisé pour surveiller l'échec de distributeur de pastilles de et fournissant des signaux d'alerte.

Configuration du système

La vue d'ensemble des connexions du système et des composants matériels est illustrée dans la Figure 2. Fonctionnellement, il ya deux parallèles, interactivesous-systèmes: un pour la formation de comportement et l'autre pour l'enregistrement électrophysiologique. Les deux sous-systèmes sont synchronisés par la plate-forme de MED-PC IV Software (SOF-735). L'ordinateur envoie des commandes à des dispositifs de comportement et de légumineuses TTL au système d'enregistrement de neurones (signal flux indiqué par les flèches rouges de la figure 2), et reçoit des signaux générés par les réactions des animaux et les activités de neurones (signal flux indiqué par les flèches vertes et bleues, respectivement, figure 2). Ces systèmes parallèles, interactives synchronisées permettre des enregistrements de comportementales / neuronale données et de permettre la manipulation du comportement animal sur la base de l'activité neurale, ou vice versa.

Comportement de formation sous-système A Panneau de connexion SmartCtrl (SG-716B) sert de panneau de communication dans les deux sens: par exemple, envoyer des signaux de commande (flèche rouge dans la figure 2) de l'ordinateur aux dispositifs comportementaux (énumérées dans l'encadré rouge), et trdes signaux de réponse ansmit animal (flèche verte dans la figure 2) à l'ordinateur. Les sorties du contrôleur à quatre canaux IR (ENV_253) sont également acheminés dans le panneau de connexion. Une carte d'interface (carte d'interface SmartCtrl, DIG-716B) et une carte de décodage (DIG-700F) communiquent des signaux à partir du panneau de connexion à une carte PCI (DIG-704PCI) installé dans l'ordinateur. Les signaux auditifs sont générés par le générateur de stimulation (ANL-926), qui est également contrôlé par le logiciel MED-PC IV grâce à la carte de décodage (DIG-700F). Comme l'illustre la figure 2, toutes les cartes d'interface sont hébergés dans un cabinet d'interface de table (SG-6080D). Ce cabinet fournit également des pouvoirs pour tous les appareils de comportement.

Des signaux de réponse électrophysiologiques d'enregistrement sous-système Animals'Angels reçues par l'ordinateur sont instantanément envoyé au système d'enregistrement neuronal via la carte Superport TTL (DIG-726) et le boîtier d'interface numérique Guépard (Neuralynx, Bozeman, MT) (Figure 2). Ces événements sont les comportements horodatés et enregistré simultanément avec les activités neuronales. Pointes neuronaux détecté chez le système d'enregistrement Neuralynx peut être utilisé en tant que signaux d'entrée à la commande de comportements de sous-système de manipulation ou de gêner le comportement animal. A l'inverse, des signaux de réponse de l'animal peut être utilisé comme déclencheurs pour manipuler ou interférer les activités neuronales lorsqu'il est combiné avec des techniques de stimulation électrique ou optogénétique. Ces approches seront utiles pour élucider causalités entre les activités neuronales et comportements.

Programmation et traitement des données Les programmes de contrôle du comportement sont écrits avec Trans IV logiciels (Thomas A. Tatham et MED Associates) et compilé avec le compilateur Pascal. Automatisation de chaque étape de formation est réalisée en chargeant le programme trans IV dans le logiciel MED-PC IV. Paramètres de formation peut également être ajustée en ligne par des formateurs wien que le programme MED-PC IV Software est en cours d'exécution. Les codes Trans IV doivent être spécifiques pour la configuration du système et la tâche comportementale. Programmes de formation standard sont, cependant, disponible gratuitement sur le MED Associés et peuvent être modifiés pour répondre aux besoins spécifiques de laboratoire individu. Les programmes de formation utilisés dans nos configurations sont également disponibles gratuitement sur demande.

Les données comportementales sont enregistrées automatiquement par le logiciel MED-PC IV. Les données sauvegardées peuvent être traduits en fichiers Microsoft Excel à l'aide du programme MED-PC Pour Excel programme (MPC2XL, Thomas A. Tatham and Associates MED). Les fichiers traduits Excel peut ensuite être importé et analysé dans un environnement MATLAB (The MathWorks, Cambridge, MA). Les données de neurones ainsi que les horodatage des événements comportementaux enregistrés avec le logiciel Cheetah (guépard 5, Neuralynx, Bozeman, MT) peuvent également être importés dans MATLAB pour l'analyse.

Formation

Pour illustrer le fonctionnement de ce système, nous décrivons ici uneDeux-Alternative tâche de discrimination Choix de hauteur, conçue pour examiner le seuil de discrimination de fréquence d'un rat. Une représentation schématique de la tâche est illustré à la figure 3.

1. Pré-formation

1. Commencez par adulte de sexe masculin naïf, Sprague-Dawley, les rats, l'âge ~ 60 jours.
2. Avant la formation, de limiter l'ingestion de nourriture jusqu'à ce que le poids de l'animal est ~ 90% du poids de base libitum ad.

2. Cage Acclimatation

1. Pour préparer la chambre pour l'acclimatation, retirer les leviers et de bloquer le trou poche le nez avec un bouchon en caoutchouc (fabriqué à partir de la tige d'une seringue de 60 cc) pour empêcher les animaux de l'activation de l'appareil le nez-poke.
2. Lieu ~ 20 pastilles pleinement nutritionnels (45 mg, produit # F0021, BioServ, Frenchtown, NJ) dans chaque récipient à granulés (nourriture tasse).
3. Placez un animal naïf dans la chambre d'acclimatation. Le rat va bientôt commencer à explorer les tasses alimentaires et manger des boulettes.
5. Forcer le rat à se déplacer sur les deux côtés de la chambre par la distribution pastilles au hasard dans chaque tasse alimentaire. Une session de 30 minutes est généralement suffisant pour établir l'association des aliments à la tasse. Dans un séance de 30 minutes, le rat obtient généralement 200 - 300 pastilles, qui sont suffisants pour maintenir leur poids corporel en un niveau constant de ~ 90% du niveau de référence.

3. Levier-poussoir de formation

1. Dans une nouvelle session, de prolonger les deux leviers dans la chambre et laissez la tasse de nourriture vide.
2. Ensuite, placez un rat acclimaté dans la chambre. Lorsque l'animal pénètre dans le voisinage d'un levier, une pastille de distribution manuellement par l'intermédiaire du logiciel de Med-PC IV. En outre offrir des récompenses quand le rat montre l'intérêt dans le levier, comme renifler, toucher, ou l'escalade. Un levier de poussée accidentelle devrait aussi déclencher une récompense autommatiquement par le programme.
3. Pour encourager levier de poussée et de forcer l'exploration des deux leviers, permettre à l'animal pour pousser chaque levier consécutivement un nombre limité de fois. Lorsque la limite est atteinte, retirer le levier. Lorsque les deux leviers sont rétractés, les étendre à répéter la procédure.
4. Peu à peu, diminuer la limite jusqu'à ce que les rétracte levier à chaque fois qu'il est poussé. Une à deux séances de 30 minutes sont généralement suffisantes pour établir la poussée de levier - l'association récompense en nourriture.

4. Nez-poke formation

1. Dans une nouvelle session, rentrer les leviers, et enlever le bouchon en caoutchouc de la poche du nez. Placez plusieurs pastilles à l'intérieur du nez poche à susciter l'intérêt chez le rat dans l'exploration de l'appareil le nez-poke.
2. Réintroduire l'animal dans la chambre. Étendre l'un des deux leviers au hasard lorsque le rat renifle les trous du nez-poke pour les granulés alimentaires.
3. Voyant le levier élargie, le rat va approcher et poussez le levier pour obtenir un pixel alimentairelaisser faire. Après le levier est actionné et la récompense est distribuée, retirer le levier pour encourager le rat à explorer le dispositif poche nez. Cela prend habituellement environ 20 à 30 minutes pour apprendre la séquence de tâches: Nez-poke → → rallonge du levier levier de poussée → Les récompenses.

5. Formation Cue

1. Dans une nouvelle session, jouer les signaux auditifs à la suite d'un événement nez-poke avec un court délai (100 à 250 ms). Étendre les deux leviers de gauche et de droite peu de temps (100 ms) après chaque présentation signal auditif.
2. Récompenser le rat seulement lorsqu'il pousse le levier qui est indiquée par le signal auditif. L'animal va progressivement apprendre à associer un signal auditif spécifique avec un levier. L'animal est alors libre de commencer un nouveau procès avec la séquence: Nez-poke → → Cue levier poussoir → Récompense / Non Récompense (Figure 3). En raison du taux élevé de faux dans les séances d'apprentissage initiales, complémentaire food devrait être accordée à maintenir le poids du corps après chaque séance d'entraînement.
3. Dans les prochaines plusieurs sessions de 30 minutes, laissez la pratique chez le rat la tâche nouvellement appris jusqu'à un niveau de performance conforme est atteint (voir la figure 3A pour une courbe d'apprentissage typique). Une fois la tâche est maîtrisée, un rat peut obtenir environ 200 - 300 pastilles de chaque séance de 30 minutes, qui sont suffisants pour maintenir son poids corporel.

6. Les résultats représentatifs

En suivant le protocole ci-dessus, nous rats entraînés à reconnaître deux modèles différents d'impulsions tonalité pure forme, composé de six pépins de tonalité soit avec la même fréquence (F, F, F, F, F, F) ou des fréquences différentes (F, F-AF , F, F-AF, F, F-AF) ^1-5. Chaque pépin ton est de 200 ms dans la durée et l'intervalle de pépins ton est 400 ms. Dans la présente étude, F a été fixé à 10 kHz et AF variait de 1 à 50% de la F (figure 3, en haut). En règle générale, AF a été mis enà la valeur relativement importante au cours des sessions de formation: 5 kHz, 4 kHz, 3 kHz, 2 kHz, et 1 kHz, pour faciliter la formation. Chaque train d'impulsions sons purs avec une valeur différente AF a été présenté de façon aléatoire dans une session donnée.

Le Groupe de travail Deux-Alternative Choix Pas discrimination est illustrée à la figure 3. Les rats ont été formés pour mettre leur nez dans le trou du nez (figure 1B et la figure 3, en bas) pour commencer un procès. Poche Nez déclenche la diffusion des signaux auditifs. Lors de la reconnaissance des indices, rats besoin de courir pour le bon côté de la chambre, approcher le levier, le levier d'attendre pour s'étendre dans la chambre, puis poussez le levier au sein d'une certaine fenêtre temporelle (levier de temps actif, 1 à 2 secondes) pour obtenir une récompense (figure 3). Le taux de succès a été calculé pour chaque valeur AF que le nombre d'essais à succès, divisé par le nombre d'essais au total pour chaque valeur AF individuelle. Un critère de 75%taux de succès a été utilisé pour indiquer que le rat avait appris la tâche. Une courbe d'apprentissage typique d'un rat est présenté dans la figure 4A. Chaque ligne de couleur représente la progression de l'apprentissage pour chaque train d'impulsions avec AF différente (ΔF0 représente le train d'impulsions constant). En moyenne, il a fallu environ sept séances de formation (à partir de la première session de présentation signal auditif, de la Formation Cue étape 5) pour atteindre le critère de succès de 75% le taux.

Ce système permet également la caractérisation quantitative du comportement animal dans l'exercice de la tâche conçue par les expérimentateurs. Trois mesures qui sont largement utilisés dans des études comportementales des animaux sont présentés dans la figure 4 B - D Le temps de réaction, reflétant principalement l'attention d'un animal à la tâche, a été mesurée comme écoulement du temps entre l'apparition de signal auditif et pousser le levier.. L'intervalle inter-essai, ce qui reflète à quel point un animal était à la tâche dans laquelle l'animal a lancé chaque essaiet n'a pas été puni par time-out dans le procès de faux, a été tracée à la figure 4C. La variation temporelle de la performance dans une session, ce qui représente des modèles dynamiques de la performance globale d'un animal et reflète l'amélioration / adaptation qui pourrait se produire dans une seule session, a été tracée à la figure 4D. Chaque session a été divisé en stade précoce, le milieu et la fin (10 minutes par étape). Nombre cumulé de récompenses à chaque étape ont été utilisés dans cette mesure.

La base neurale de plusieurs comportements cognitifs (figure 5A et voir Discussion) peuvent également être envisagés avec ce système en enregistrant les activités neuronales d'animaux effectuant une tâche. Des exemples de l'activité neuronale enregistrées simultanément dans le noyau basal (NB) et l'aire tegmentale ventrale (VTA) d'un cerveau de rat sont présentés dans la figure 5B et C. Les tirs de neurones sont horodatées se rapporter à chaque événement du procès (par exemple que le nez-poke,levier de poussée, la présentation signal auditif et de la reconnaissance, et la réception de la récompense réelle) et analysées par rapport à ces événements de tâche de comportement. Résultats de l'enregistrement activité combinée de comportement et de neurones avec ce système sera fructueuse dans l'élucidation de la base neurale d'une variété de comportements cognitifs.

Figure 1. Les principales composantes du système (A) et un dessin schématique de la chambre auditive sur mesure opérant (B). A. La chambre opérant est situé dans une double paroi insonorisée chambre. Cales en mousse anéchoïques sont montés à travers les murs de la salle afin d'éliminer la diffusion sonore et la déviation a:. Commutateur de routage des fils à l'activité du système d'enregistrement des neurones; b: Caméra vidéo pour surveiller et enregistrer le comportement des animaux; c: Pellet distributeurs; d: chambre opérant . e:Récepteurs infrarouges. B. La chambre opérant comprend trois parois acoustiquement transparentes et un modulaire-panneau de commande. Voir le texte pour des descriptions détaillées.

Vue d'ensemble schématique la figure 2. Du système. Le système se compose de deux sous-systèmes: la formation comportementale et neurale système d'enregistrement d'activité. Les deux sous-systèmes communiquer interactivement avec l'autre via des impulsions TTL (voir Configuration du système pour plus de détails). Les flèches rouges représentent des commandes et / ou des événements comportementaux envoyés par l'ordinateur; les flèches vertes indiquent des signaux de réponse d'alimentation animale à l'ordinateur, et la flèche bleue représente les entrées de signaux d'événements neuronaux pointes détectées en ligne avec le système d'enregistrement Neuralynx.

Figure 3. Deux-Alternative Ch.Tâche oix la discrimination des fréquences. Haut, Schéma montrant la séquence de tâches de base. Bas, Représentation schématique des principales actions de comportement. Les flèches vertes indiquent le débit séquentiel de la tâche.

Figure 4 résultats représentatifs de deux alternatives tâche de discrimination Choix A. Fréquence des courbes d'apprentissage:.. Chaque ligne de couleur représente la progression de l'apprentissage d'un rat sur ​​une discrimination de chaque variation de fréquence (ΔFs). La ligne foncée représente la courbe d'apprentissage pour les variations de fréquence moyenne. B. Répartition du temps de réaction mesurée en tours de temps après l'apparition de repère à levier de poussée. C. Répartition des inter-essai intervalle. La dynamique D. temporelles de la performance dans une session mesurée avec des récompenses accumulées obtenus à l'étape initiale, intermédiaire, et à la fin d'une session. Uneoutes les données dans B - D a été obtenu dans la dernière étape lorsque la performance du rat était sur le taux de succès de 75%.

Figure 5. Exemple de comportements cognitifs et les fonctions cérébrales qui peuvent être étudiés en utilisant le système. A. comportements cognitifs. Les légendes décrivent meilleurs de chaque action dans une séquence d'un procès. Les légendes du fond d'indiquer les comportements cognitifs qui peuvent être étudiés. Noter que les deux leviers ont été extraites dans toutes les images dans l'exception de d, où le levier est dans le traitement de s'étendant dans la chambre. B. cuisson motifs d'un neurone enregistrée dans le NB d'un rat accomplissement de la mission auditive deux choix. Haut, tracé d'image raster de tirer en travers de chaque essai. Chaque rectangle de couleur représente la mise à feu de la cellule et la cadence de tir est codée par le bas de couleur., Peri-mêmehistogramme t de la cadence de tir. Notez la constitution de la mise à feu avant que l'action (poussant le levier au moment de zéro microsecondes, indiquées par la ligne verticale en pointillés rouges) et la dispersion progressive de la mise à feu après l'action. C. tir motifs d'un neurone enregistré dans l'aire tegmentale ventrale du un rat effectuer la tâche auditive de deux choix. Haut, tracé d'image matricielle de la mise à feu d'un seul neurone VTA dans chaque essai. Chaque rectangle de couleur représente la mise à feu du neurone VTA et sa cadence de tir est codé par couleur. Bas, Peri-événement histogramme de la cadence de tir montré dans l'image raster. Notez le tir clairsemée immédiatement avant l'action du levier de poussée (au temps zéro microsecondes, indiquées par rapport à la verticale rouge pointillé) et de tir vigoureuse au cours de la période de temps quand le rat est l'obtention de la récompense. L'activité de ce neurone est pratiquement silencieux entre ces deux actions. Stereotrodes tungstène implantées dans le cerveau ont été utilisés pour record activités neuronales simultanément à partir du Nouveau-Brunswick et VTA tandis que le rat a été l'exécution de la tâche. Spike-tri a été effectué hors-ligne à l'aide du logiciel 3D SpikeSort (Neuralynx, Bozeman, MT).

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