Un protocole conditionné rongeurs entièrement automatisé pour sensorimotrice intégration et expériences de contrôle cognitif

Résumé

Un protocole entièrement automatisé pour rongeur conditionnement opérant est proposé. Le protocole repose sur le contrôle temporel précis des événements de comportement pour enquêter sur la mesure dans laquelle les expériences influences ce contrôle l'activité sous-jacente de neurones d'intégration sensori-motrice et de contrôle cognitif.

Résumé

Rongeurs ont été traditionnellement utilisé comme un modèle animal standard dans des expériences de laboratoire portant sur une multitude de tâches sensorielles, cognitives et motrices. Fonctions cognitives supérieures qui nécessitent un contrôle précis sur les réponses sensori-motrices telles que la prise de décision et la modulation de l'attention, cependant, sont généralement évalués chez les primates. Malgré la richesse de comportement des primates qui permet de multiples variantes de ces fonctions à étudier, le modèle de rongeur reste une alternative intéressante et rentable pour des modèles primates. En outre, la capacité d'automatiser entièrement le conditionnement opérant chez les rongeurs ajoute des avantages uniques sur la formation de main-d'œuvre de primates non humains tout en étudiant un large éventail de ces fonctions complexes.

Ici, nous introduisons un protocole pour les rats de conditionnement opérante sur l'exécution des tâches de mémoire de travail. Au cours des époques critiques de la tâche, le protocole assure que le mouvement manifeste de l'animal est réduit au minimum par requIring l'animal à «faire une fixation» jusqu'à un repère Go est livrée, qui s'apparente à la conception expérimentale primate non humain. Une tâche simple de deux alternatives forcé de choix est mis en œuvre pour démontrer la performance. Nous discutons de l'application de ce paradigme à d'autres tâches.

Introduction

L'étude de la relation entre la neurophysiologie et comportement est le but ultime de neurosciences des systèmes. Historiquement, il a été un compromis entre le choix de modèle animal et répertoire comportemental ^1-5. Alors que les organismes simples comme les limaces de mer ⁶ ou calmars ⁷ ont été largement utilisés pour étudier les propriétés des canaux unique ioniques, les neurones et les circuits neuronaux simples, les espèces d'ordre supérieur sont nécessaires pour étudier des fonctions plus complexes telles que la navigation spatiale, la prise de décision ^8-11 et cognitive contrôler ^12-14. En dépit d'être un modèle animal standard pour l'homme comme le comportement, l'utilisation de primates non humains invite coûts et considérations éthiques qui empêche leur utilisation dans un large éventail d'expériences dans un cadre unique ^15-18 laboratoire. Modèles animaux simples comme les rongeurs sont généralement préférées ^19, à condition qu'ils aient substrats neuronaux sous-jacents similaires les comportements d'intérêt.

"> Il ya de nombreuses preuves suggérant que les rongeurs part structures corticales et sous-corticales similaires à ceux trouvés chez les primates ^20-22. Rongeurs sont également connus pour intégrer l'information sur plusieurs modalités sensorielles pour guider leur action ^23-25, par exemple, en coordonnant et en fouettant renifler pendant comportement exploratoire ²⁶ ou en intégrant des événements auditifs et visuels / olfactives ^25,27.

Ici, nous décrivons un cadre pour le conditionnement opérant de rongeurs utilisés pour tester des tâches cognitives ^28-32. Dans ce cadre, les sujets sont tenus de fixer dans un trou nosepoke et maintenir leur museau dans le trou jusqu'à ce que la présentation d'une remise repère. La tâche comportementale est une conception de nosepoke cinq trous qui est classiquement utilisé pour les études de la tâche de temps de réaction de série 5 choix. Au cours de la période de retard, une gamme de signaux d'instruction est présenté pour guider le sujet pour effectuer une action. Ce cadre peut être facilement modifié pour répondreun large éventail d'expériences dans lesquelles la formation de l'objet afin de minimiser son mouvement visible sur un bref laps de temps est nécessaire. Ceci permet l'étude de la mesure dans laquelle l'activité de dopage de neurones individuels est influencée par des signaux spécifiques au cours de cet intervalle. Le protocole peut réduire le temps de formation et peut réduire la variabilité entre-objet d'apprentissage. Un diagramme schématique de la tâche est représentée sur la figure 1.

Protocole

Toutes les procédures impliquant des animaux ont été approuvés par le soin et l'utilisation des animaux Commission institutionnelle de l'Université d'État du Michigan (IACUC).

1. Installation expérimentale

1. Utiliser une boîte de conditionnement opérant qui se compose d'une paroi de nosepoke cinq trous d'un côté et une auge de distribution de nourriture sur le côté opposé.
   1. Le trou central nosepoke est considérée comme une "fixation" trou et les quatre autres trous (deux de chaque côté du trou de fixation) sont considérés comme des trous cibles du moteur. Chaque trou est équipé d'une LED tricolore et un système émetteur-détecteur de faisceau infrarouge qui détecte lorsque l'animal entre et se rétracte à partir de l'orifice de fixation.
   2. Utilisez un générateur de tonalité programmable pour générer des tonalités à fréquence unique avec une précision à la milliseconde et le connecter à un haut-parleur monté à l'intérieur de la boîte opérant. Commander le générateur de sons et nosepokes à travers le système de suivi du comportement en utilisant le logiciel approprié. Utiliser un matériel et softwsont système qui fournit milliseconde surveillance de calendrier d'événements et de contrôle des signaux et les réponses comportementales.
      Remarque: L'amplitude de ton et bruit des indices devrait être maintenue autour de 60 ± 3 dB SPL.

2. Accoutumance précoce

1. Limiter l'apport alimentaire de l'objet progressivement à ~ 5 g pour 100 g de poids normal de l'objet (par exemple, au cours de 3 jours). Le sujet doit maintenir 85 à 90% de leur poids ad libitum.
2. Habituer le sujet à la manipulation par l'expérimentateur et l'objet familiariser avec l'appareil à partir du premier jour du démarrage du protocole de privation de nourriture. Lancer manipulation de l'animal et le placer dans la boîte de conditionnement opérant, tout en offrant des boulettes de nourriture dans le creux de culot pour encourager le sujet à explorer la cage et se familiariser avec le lieu de livraison de la récompense.

3. Formation de réserve

1. Remarques générales
   1. La tâche proposée ici nécessite une coordination précise entre la perception d'un signal auditif, en minimisant les mouvements pendant la période de retard et de l'exécution du mouvement.
   2. Peu à peu, la formation étape par étape-sujet afin de les préparer pour le comportement final désiré.
   3. Assurez-vous que à la fin de chaque étape, le sujet maintient> 75% la performance comportementale pendant au moins trois sessions consécutives avant de passer à l'étape suivante.
   4. Une fois la phase finale est atteint, garder le sujet sur le protocole pour une semaine pour assurer l'exécution est maintenue au niveau souhaitable.
2. Lancer: Familiariser le sujet avec les trous de nosepoke, de la nourriture le port de livraison et l'association entre les trous clignotants et récompense.
   1. Sélectionnez l'une des quatre cibles sur un calendrier aléatoire.
   2. Jouer la queue Go (un bruit blanc auditif) et garder la LED à l'intérieur du trou clignotant (durée d'impulsion de 0,3 sec).
   3. Définissez les software pour récompenser l'objet lors de vos visites à l'orifice.
   4. Time-out le procès après 30 secondes si le trou n'est pas visité et de commencer un nouveau procès.
   5. Ne pas récompenser des visites dans les trous incorrectes.
3. Sélection cible: punir visites erronées sur les trous non sélectionnés.
   1. Lors des visites de trous incorrectes, mettre fin à l'essai suivie par 5 secondes de black-out.
      Remarque: Lors d'une époque black-out, la LED de trou de fixation est éteint dans la cage. Cela signifie que le sujet ne peut pas engager un procès et doit attendre jusqu'à ce que le trou de fixation LED commence à clignoter.
   2. Sélectionner un nouveau trou et commencer un nouveau procès.
4. Nosepoke: Former le sujet pour pousser à l'intérieur du trou de fixation pour commencer un procès.
   1. Clignoter une LED jaune à l'intérieur du trou de fixation.
   2. Lors de sa visite le trou de fixation lire immédiatement le repère Go et commencer un nouveau procès.
   3. Pénaliser visites incorrectes de 5 sec; Du black-out.
5. Délai: Enseigner l'objet de maintenir leur nez à l'intérieur du trou de fixation pour une période de temps définie (période de retard) qui est augmentée progressivement que la formation progresse.
   1. Attendez que le sujet à visiter le trou de fixation.
   2. Fin du procès si le sujet se rétracte à moins de 500 ms. Sinon, jouer la queue Go.
   3. Pénaliser les rétractions prématurés par une période de black-out pour 7 sec.
   4. Récompenser les visites correctes en fournissant une boulette de nourriture.
6. Deux Queues (avec la lumière): Augmentation et randomiser la période retard longueur et introduire l'instruction signal auditif.
   1. Augmenter la durée de la période de retard correspond à une moyenne de 1,5 sec.
   2. Choisissez un retard aléatoire durée de la période à chaque essai basé sur une densité uniforme entre 1.3 à 1.8 sec.
   3. Présentez l'information de l'instruction comme un ton de fréquence auditive unique pulsé en triolets, avec une durée d'impulsion de 150 ms etintervalle entre impulsions de 100 ms.
      1. Jouer le repère d'instruction immédiatement après que le sujet entre dans le trou de fixation.
      2. Attribuer deux indices d'instruction à chacune des cibles.
      3. Utiliser un seul repère associé pour chaque cible à ce stade.
   4. Que le sujet utilise des indices auditifs et visuels pour sélectionner le trou cible.
7. Deux Queues (sans lumière): Former le sujet ne se servent de repères auditifs.
   1. Désactiver les LED clignotent à l'intérieur des trous de cibles, de sorte que le sujet ne serait utiliser l'instruction auditifs repères.
8. Quatre Indices: Présentez les deux autres indices de la séquence de signaux d'instruction présentés de façon aléatoire et répéter sections 3.5.3-3.6.1.

4. Analyse des données comportementales

1. Taux de réussite: Définir le taux de réussite que le pourcentage de visites correctes aux objectifs divisé par le nombre total d'essais.
   1. Mesurer le taux de réussite à chaque étape de la formation.
2. types d'erreur:
   1. Retrait prématuré: mesurer le pourcentage d'essais chronométrés, en raison de rétractions début du trou de fixation.
   2. erreur de Domaine: Calculer le pourcentage d'essais ont échoué lorsque le sujet se rend une cible ignorants
   3. Erreur omission: Calculer le pourcentage d'erreurs lorsque le sujet ne visite pas les objectifs après début de l'essai.
3. Variables mesurées:
   1. Temps de réaction (RT): Pour chaque essai, mesurer le retard entre le début de la queue Go et le sujet de rétraction de l'orifice de fixation.
   2. Temps à la cible (TT): Mesurer la durée entre le sujet retrait hors du trou de fixation et en entrant le trou cible.

Résultats

Le cadre proposé permet la formation de l'objet sur une gamme de tâches cognitives. Ici nous avons mis une tâche de retard chargé conçu pour étudier les mécanismes d'actions dirigées vers un but dans le cortex préfrontal rongeur. Figure 1 montre un organigramme de la conception expérimentale.

Pour s'assurer que le sujet comprend l'exigence de la tâche à chaque étape, des mesures de performance doivent être évalués en permanence. Figure 2 montre un exemple de...

Discussion

Les rats ont été largement utilisés dans la recherche en neurosciences depuis plus d'un siècle. Depuis l'introduction de Thorndike du concept de la loi de l'effet chez les chats ^34, le conditionnement opérant a été l'approche standard pour tester les différents aspects du comportement animal. De nombreuses expériences en neurosciences impliquant la prise de décision et la préparation du moteur comprennent une période de retard entre les signaux d'instruction et l'intervalle d'actio...

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Nose Poke à 5 trous avec 3 Stim Cue Light Rat Cage	Coulbourn	H21-06M/R
Cage d’essai	Coulbourn	H10-11R-TC	;
Logiciel d’état graphique	Coulbourn		;
Générateur de tonalité/bruit programmable	Coulbourn	A12-33	;
Granulés de précision sans poussière	Bio-Serv	F0165
Module de haut-parleur	Coulbourn	H12-01R	;