Articolo metodologico

Un completamente automatizzata Roditore condizionata Protocollo per Sensomotoria Integrazione e esperimenti di controllo cognitive

DOI:

10.3791/51128

⸱

15 aprile 2014

 , 
1Electrical and Computer Engineering, Michigan State University, 2Neuroscience Program, Michigan State University, 3Cognitive Science Program, Michigan State University

In questo articolo

Sommario

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Viene proposto un protocollo completamente automatizzato per roditori condizionamento operante. Il protocollo si basa su un preciso controllo temporale degli eventi comportamentali per indagare in che misura influenza il controllo dell'attività sottostante neurale integrazione sensomotoria e di controllo cognitivo esperimenti.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

I roditori sono stati tradizionalmente utilizzati come modello animale di serie in esperimenti di laboratorio che coinvolgono una miriade di compiti sensoriali, cognitive e motorie. Funzioni cognitive superiori che richiedono un controllo preciso su risposte senso-motori come il processo decisionale e modulazione attentiva, tuttavia, sono in genere valutate nei primati non umani. Nonostante la ricchezza di comportamento dei primati, che consente a più varianti di queste funzioni da studiare, il modello roditore rimane un attraente e conveniente alternativa ai modelli di primati. Inoltre, la capacità di automatizzare completamente condizionamento operante nei roditori aggiunge vantaggi unici rispetto del lavoro formazione intensiva di primati non umani, mentre lo studio di una vasta gamma di queste funzioni complesse.

Qui, vi presentiamo un protocollo per operantly condizionamento ratti in esecuzione di compiti di memoria di lavoro. Durante epoche critiche del compito, il protocollo garantisce che il movimento palese dell'animale viene minimizzato requIring l'animale a 'fissarsi' fino a quando un cue Go viene consegnato, simile al non umano disegno sperimentale primate. Una semplice due alternative compito scelta forzata è implementato per dimostrare le prestazioni. Discutiamo l'applicazione di questo paradigma ad altri compiti.

Introduzione

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Studiare la relazione tra neurofisiologia e il comportamento è l'obiettivo finale dei sistemi neuroscienze. Storicamente, c'è stato un compromesso tra modello animale scelta e repertorio comportamentale 1-5. Mentre organismi semplici come i nudibranchi 6 o 7 calamari sono stati ampiamente utilizzati per studiare le proprietà dei canali ionici singolo, neuroni e semplici circuiti neurali, sono necessari specie di ordine superiore per studiare funzioni più complesse come la navigazione spaziale, il processo decisionale 8-11 e cognitiva controllare 12-14. Nonostante sia un modello animale standard per umano come il comportamento, l'uso di primati non umani richiede considerazioni di costo ed etici che preclude il loro uso in una vasta gamma di esperimenti in una singola impostazione 15-18 laboratorio. Modelli animali più semplici come i roditori sono generalmente preferiti 19, a condizione che abbiano substrati neurali analoghe alla base dei comportamenti di interesse.

"> C'è ampia evidenza che suggerisce che i roditori parti strutture corticali e sottocorticali simili, come quelle che si trovano nei primati 20-22. Roditori sono anche noti per integrare le informazioni tra più modalità sensoriali per guidare la loro azione 23-25, per esempio, coordinando sbattere e annusando durante il comportamento esplorativo 26 o integrando eventi uditivi e visivi / olfattive 25,27.

Qui si descrive un quadro per condizionamento operante di roditori utilizzati per testare compiti cognitivi 28-32. In questo contesto, i soggetti sono tenuti a fissare all'interno di un foro nosepoke e mantenere il loro muso all'interno del foro fino alla presentazione di una stecca andare. Il compito comportamentale è un disegno nosepoke cinque buche che viene convenzionalmente utilizzato per studi di attività il tempo di reazione di serie 5 a scelta. Durante il periodo di ritardo, una serie di spunti di istruzione è presentata per guidare il soggetto a eseguire un'azione. Questa struttura può essere facilmente modificato per soddisfareoccorre un'ampia gamma di esperimenti in cui la formazione del soggetto per minimizzare il suo movimento palese in un breve intervallo. Questo permette studiando la misura in cui l'attività spiking dei singoli neuroni è influenzato da stimoli specifici durante questo intervallo. Il protocollo può ridurre al minimo il tempo di allenamento e può ridurre tutta soggetto variabilità apprendimento. Un diagramma di flusso schematico del task è mostrato in Figura 1.

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Protocollo

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Tutte le procedure che coinvolgono gli animali sono stati approvati dalla Institutional Animal Care ed uso commissione Michigan State University (IACUC).

1. Setup sperimentale

  1. Utilizzare una scatola condizionamento operante che consiste di una parete nosepoke cinque fori su un lato e un trogolo consegna cibo sul lato opposto.
    1. Il foro nosepoke centro è considerato come un "fissaggio" buco e gli altri quattro fori (due per ogni lato del foro di fissaggio) sono considerati fori bersaglio motore. Ciascun foro è dotato di un LED a tre colori e un raggio infrarosso sistema emettitore-rilevatore che rileva quando l'animale entra e si ritrae dal foro di fissaggio.
    2. Utilizzare un generatore di suono programmabile per generare i toni di frequenze con precisione al millisecondo e collegarlo a un altoparlante montato all'interno della scatola operante. Controllare il generatore di suono e nosepokes attraverso il sistema di monitoraggio comportamentale utilizzando il software appropriato. Utilizzare un hardware e softwsono sistema che consente il monitoraggio temporale millisecondo di eventi e controllo di spunti e risposte comportamentali.
      Nota: L'ampiezza sia di tono e spunti di rumore deve essere mantenuta intorno a 60 ± 3 dB SPL.

2. Assuefazione precoce

  1. Limitare l'assunzione di cibo del soggetto gradualmente ~ 5 g per 100 g di peso normale del soggetto (ad esempio nel corso di 3 giorni). Il soggetto deve mantenere il 85-90% del loro peso ad libitum.
  2. Abituare l'oggetto di trattamento dallo sperimentatore e conoscere il soggetto agli apparecchi dal primo giorno di iniziare il protocollo privazione di cibo. Avviare la manipolazione l'animale e metterlo nel box condizionamento operante, fornendo pellet cibo nel trogolo pellet per incoraggiare il soggetto a esplorare la gabbia e familiarizzare con il luogo di consegna ricompensa.

3. Oggetto Formazione

  1. Note generali
    1. Il compito proposto qui ha bisogno di un coordinamento preciso tra la percezione di una stecca uditivo, riducendo al minimo i movimenti durante il periodo di ritardo e l'esecuzione del movimento.
    2. Gradualmente formare il passo step-by-soggetto a prepararli per il comportamento finale desiderato.
    3. Assicurarsi che al termine di ogni fase, il soggetto mantiene> 75% prestazioni comportamentali per almeno tre sedute consecutive prima di passare alla fase successiva.
    4. Una volta raggiunta la fase finale, tenere il soggetto sul protocollo per una settimana per assicurare le prestazioni è mantenuto al livello desiderabile.
  2. Inizio: Familiarizzare il soggetto con i fori nosepoke, porta consegna del cibo e l'associazione tra i fori lampeggianti e ricompensa.
    1. Selezionare uno dei quattro obiettivi su un programma casuale.
    2. Gioca il cue Go (un rumore uditivo bianco) e mantenere il LED all'interno del foro lampeggiante (durata dell'impulso 0.3 sec).
    3. Impostare le software per premiare il soggetto su visite al foro.
    4. Time-out la prova dopo 30 secondi se il foro non viene visitato e avviare un nuovo processo.
    5. Non premiare le visite ai fori corretti.
  3. Selezione Obiettivo: punire erronei visite ai fori non selezionate.
    1. Dopo visite a fori errate, terminare il processo seguito da 5 secondi di black-out.
      Nota: Durante un'epoca black-out, il LED foro di fissaggio è spento nella gabbia. Ciò significa che il soggetto non può avviare un processo e deve attendere fino a quando il foro di fissaggio LED inizia a lampeggiare.
    2. Selezionare un nuovo foro e iniziare un nuovo processo.
  4. Nosepoke: Addestrare il soggetto a colpire all'interno del foro di fissaggio per avviare un processo.
    1. Flash a LED all'interno del foro di fissaggio gialla.
    2. Visitando il foro di fissaggio riprodurre immediatamente il cue Go e iniziare un nuovo processo.
    3. Penalizzare visite errati da 5 sec, Di black-out.
  5. Delay: Insegnare al soggetto di mantenere il loro naso all'interno del foro di fissaggio per un determinato periodo di tempo (periodo di ritardo) che viene aumentata gradualmente come progredisce la formazione.
    1. Attendere che il soggetto a visitare il foro di fissaggio.
    2. Termina il processo se il soggetto si ritrae entro 500 msec. In caso contrario, il gioco del Go stecca.
    3. Penalizzare ritrattazioni premature da un periodo di black-out per 7 sec.
    4. Premiare le visite corretti, fornendo una pallina di cibo.
  6. Due Cues (con luce): Aumentare e casuale di ritardo durata del periodo e introdurre l'istruzione cue uditivo.
    1. Aumentare la lunghezza del periodo di ritardo di una media di 1,5 sec.
    2. Scegli un ritardo di durata del periodo casuale ad ogni prova sulla base di una densità uniforme tra 1,3-1,8 sec.
    3. Introdurre la stecca istruzione come un tono acustico singola frequenza pulsata in terzine, con una durata di impulso di 150 msec eintervallo dell'impulso di 100 msec.
      1. Gioca subito la stecca istruzione dopo che il soggetto entri nel foro di fissaggio.
      2. Assegnare due stecche di istruzioni per ciascuno degli obiettivi.
      3. Utilizzare un solo spunto associato per ogni bersaglio in questa fase.
    4. Lasciate che il soggetto usa sia segnali uditivi e visivi per selezionare il foro di destinazione.
  7. Due Cues (senza luce): Treno al soggetto di utilizzare solo segnali uditivi.
    1. Spegnere i led lampeggianti all'interno dei fori di destinazione in modo che il soggetto avrebbe utilizzato solo spunti di istruzione uditivi.
  8. Quattro Cues: Introdurre gli altri due spunti per la sequenza di spunti istruzioni presentate in modo casuale e ripetere sezioni 3.5.3-3.6.1.

4. Behavioral Analysis

  1. Tasso di successo: Definire tasso di successo come la percentuale di visite corrette agli obiettivi diviso per il numero totale di prove.
    1. Misurare il tasso di successo in ogni fase della formazione.
  2. Tipi di errore:
    1. Retrazione precoce: misurare la percentuale di prove cronometrate a causa di prime ritrattazioni dal foro di fissaggio.
    2. Errore Comission: Calcolare la percentuale di prove fallite quando il soggetto visita un obiettivo uninstructed
    3. Errore Omissione: Calcolare la percentuale di errori quando il soggetto non visita nessuno dei bersagli dopo il processo di iniziazione.
  3. Variabili misurate:
    1. Tempo di reazione (RT): Per ogni prova, misurare il ritardo tra l'inizio della stecca Go e il riavvolgimento argomento dal foro di fissaggio.
    2. Time to target (TT): Misurare la durata tra la retrazione soggetto dal foro di fissaggio e di entrare nel foro di destinazione.

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Risultati

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Il quadro proposto consente la formazione del soggetto su una serie di compiti cognitivi. Qui abbiamo implementato un compito ritardo incaricato progettato per studiare i meccanismi delle azioni goal-directed nella corteccia prefrontale roditore. Figura 1 mostra un diagramma di flusso del disegno sperimentale.

Per garantire che il soggetto comprende il requisito compito ad ogni passo, dovrebbero essere valutati regolarmente misure di prestazione. Figura 2 mo...

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Discussione

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I ratti sono stati ampiamente utilizzati nella ricerca delle neuroscienze da oltre un secolo. Dall'introduzione di Thorndike del concetto di legge di effetto nei gatti 34, condizionamento operante è stato l'approccio standard per testare diversi aspetti del comportamento animale. Molti esperimenti di neuroscienze che coinvolgono il processo decisionale e la preparazione del motore includono un periodo di ritardo tra i segnali d'istruzione e l'intervallo di azione. È desiderabile minimizzare mo...

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Dichiarazioni

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Gli autori dichiarano interessi finanziari concorrenti.

Ringraziamenti

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Questo lavoro è stato supportato dal NINDS concessione # NS054148.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Nose Poke a 5 fori con 3 Stim Cue Light Rat CageCoulbournH21-06M/R
Gabbia di provaCoulbournH10-11R-TC 
Software per lo stato graficoCoulbourn 
Generatore di tono/rumore programmabileCoulbournA12-33 
Pellet di precisione senza polvereBio-ServF0165
Modulo altoparlanteCoulbournH12-01R 

Riferimenti

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