La Task attenzionale Set Shifting: una certa flessibilità cognitiva nei topi

Sommario

L'obiettivo di questo protocollo è quello di effettuare un test comportamentale, come il set attenzionale spostamento compito (AST) per valutare prefrontale flessibilità cognitiva cortex-mediata nei topi.

Abstract

Il deterioramento cognitivo, in particolare la disfunzione dei circuiti all'interno della corteccia prefrontale (PFC), rappresenta una caratteristica fondamentale di molti disturbi neuropsichiatrici e dello sviluppo neurologico, tra cui la depressione, il disturbo da stress post-traumatico, la schizofrenia e il disturbo dello spettro autistico. I deficit nella funzione cognitiva rappresentano anche il dominio dei sintomi più difficile da trattare con successo, poiché gli inibitori della ricaptazione della serotonina e gli antidepressivi triciclici hanno solo effetti modesti. Gli studi di neuroimaging funzionale e l'analisi post mortem del tessuto cerebrale umano implicano che la PFC sia una regione primaria di disregolazione nei pazienti con questi disturbi. Tuttavia, i saggi comportamentali preclinici utilizzati per valutare questi deficit in modelli murini che possono essere facilmente manipolati geneticamente e potrebbero fornire la base per studi di nuove vie di trattamento sono stati sottoutilizzati. Qui descriviamo l'adattamento di un saggio comportamentale, l'attentional set shifting task (AST), da eseguire nei topi per valutare i deficit cognitivi mediati dalla corteccia prefrontale. I circuiti neurali alla base del comportamento durante l'AST sono altamente conservati negli esseri umani, nei primati non umani e nei roditori, fornendo un'eccellente validità facciale, costruttiva e predittiva.

Introduzione

Il set attenzionale spostamento compito (AST) è stato sviluppato come una misura di attenzione e flessibilità cognitiva in ratti oltre un decennio fa ^1,2. AST è modellato il componente intradimensional / extradimensionale di Cambridge Neuropsychological prova Automated Battery (Cantab), che viene utilizzato per identificare disfunzioni cognitive negli esseri umani e primati non umani ^3,4. Mentre la capacità di imparare semplici regole rimane intatto, deficit di apprendimento di modificare una risposta quando le regole sono cambiate si trovano nei pazienti affetti da una serie di disturbi neuropsichiatrici (cioè, la schizofrenia, disturbo ossessivo-compulsivo, depressione), malattie neurodegenerative (ad esempio, morbo di Parkinson) e in pazienti con lesioni alla corteccia prefrontale ^5. Più in generale, questi pazienti sono descritti come aventi deficit nella flessibilità cognitiva. Deficit analoghe sono state esposte in entrambi i primati non umani e roditori quando le lesioni to la corteccia prefrontale sono stati indotti ^1,6-8. Questi deficit indicano uno stato di rigidità cognitiva o una compromissione della capacità di spostare set attenzionale.

Un set attentivo si forma quando un soggetto apprende che un insieme di regole può essere applicato a stimoli complessi per differenziare pertinente spunti irrilevanti. Ad esempio, nel AST, gli animali imparare a prestare attenzione e rispondere alla cue utile (cioè, media scavando) e ignorare un cue irrilevante (cioè, odore), accoppiando un premio alimentare con il mezzo. Questa associazione è poi rafforzato in attività successive in cui il tipo di scavare medie e odore cambia, ma l'associazione accoppiamento tra medio e ricompensa rimane. Questa regola rinforzato forma un set cognitivo. Due tappe all'interno degli aspetti misura protocollo AST di flessibilità cognitiva: inversione e il turno extra-dimensionale. Nella fase di inversione, gli stimoli precedentemente negativi all'interno di una dimension (media in questo esempio) è ora positivo, che sfida l'animale di ignorare gli stimoli positivi della fase precedente. Ad esempio, se a medio scavando sentito era stimoli positivi nella fase precedente e carta era stimoli negativi, ora è vero il contrario. Questa sfida flessibilità dell'animale in quanto deve mantenere il set attenzionale (cioè di media è la dimensione del caso), mentre alterando la regola appresa per stimolo e coppia di ricompensa in una dimensione. La formazione di un insieme attentivo è contestata nella fase turno extra-dimensionale, quando la dimensione irrilevante (odore in questo esempio) diventa la dimensione rilevante. Una risposta perseverative, come indicato da una scelta continua utilizzando la regola precedentemente appreso, sia a fase riflette un deficit di flessibilità cognitiva.

Studi lesione sia primati non umani e roditori hanno mostrato specifiche regioni della corteccia prefrontale può essere attribuito alla capacità di Perform particolari fasi della AST ^1,9. Lesioni della corteccia orbitofrontale (OFC), una subregione della corteccia prefrontale (PFC), hanno dimostrato di indurre deficit di inversione di apprendimento sul AST ^8. Inoltre, le lesioni alla corteccia prefrontale mediale (MPFC) portano a difficoltà specifiche di svolgimento del turno extra-dimensionale.

Mentre numerosi studi che utilizzano l'AST sono stati condotti su ratti e primati non umani, relativamente pochi hanno utilizzato AST come misura della funzione cognitiva nei topi. Data la facilità di manipolazione genetica nei topi, e la necessità critica per misurare la funzione della corteccia prefrontale in studio di una serie di disturbi, adattare e convalidare questa misura comportamentale nei topi è un'aggiunta importante per la ricerca sulle malattie associate a disfunzione PFC. Il protocollo qui descritto è una modifica della procedura da Birrell e Brown ^1, ottimizzato per applicazioni nei topi e riflette molti dei mouse specifiadattamenti c che sono stati precedentemente segnalati ^2,6,10-13.

Protocollo

NOTA: Gli animali utilizzati in questo studio sono di sesso maschile C57Bl / 6J tra i 4 ei 6 mesi di età per ottenere risultati ottimali. I topi vengono mantenuti in un ciclo luce di retromarcia per testarle comodamente durante la fase attiva (scuro). Se il comportamento viene eseguito in una stanza separata dal corpo, i topi sono ammessi almeno 1 ora per acclimatarsi dopo il trasporto a sala prove. Test comportamentale viene effettuata in condizioni di luce rossa minimizzare i disagi alla normale attività dei topi il meno possibile, pur consentendo lo sperimentatore adeguata illuminazione di monitorare visivamente la sessione di test.

NOTA: Tutti gli aspetti della procedura sperimentale qui descritta sono stati effettuati in accordo con la guida per la cura e l'uso di animali da laboratorio, 8 ° edizione (NRC) e sono stati approvati dalla cura e l'uso degli animali Comitato Istituzionale presso l'Università del Texas Health Science Center at San Antonio.

1. Setup sperimentale

1. Riempire stampini in ceramica (non-poroso; 1.5 "x 2.5 profondità 'di diametro), a bordo interno con scavo medio (circa 1" dal basso); turni di carta filtro taglia a metà e attaccata al suo interno posteriore del ramekin (Figura 1A)
2. Rompere leggermente zuccherato cereali secchi colazione (cibo ricompensa) - Honey Nut o varietà confetti, in circa 20 pezzi mg per le fasi di acclimatazione, di formazione e di prova.
3. Fare un set attenzionale spostamento compito (AST) camera (Figura 1B): Acclimatare treno e testare ogni mouse nelle singole camere; consiglia produzione di almeno 8 camere.
   1. Costruire un 12 "x 8" x 7 "camera di AST; pareti e cancelletto di partenza fatte opaco acrilico bianco che è facile da pulire con il 70% di etanolo. Lo stile ghigliottina, cancello partenza rimovibile separa camera in una zona di attesa (5 "x 8") e l'area di test (7 "x 8").
   2. Includere un Clear 5221; x7 "amovibile che separa due lati della zona di prova in modo uniforme; tagliare tre ¼ "diametro buca in parte inferiore del divisorio per consentire l'accesso fiuto, distanziati 1" a parte e 1 "dalla parte anteriore della partizione (Figura 1C).

2. Panoramica della procedura (Figura 2)

1. Prima di AST, topi casa individualmente e permettere loro di adattarsi a un ciclo di luce d'inversione per almeno una settimana.
2. Ambientarsi, treno e testare ogni animale in singole camere di test. Assegnare ciascuna camera ad un mouse e pulire con il 70% di etanolo dopo aver terminato l'ultimo giorno di test. Questo ridurrà al minimo lo stress durante i test, rendendo l'odore da camera come "casa-gabbia" o "auto".
3. Profumo le pentole test due giorni prima del test per permettere al profumo di dissipare; topi non scaverà in vasi che hanno un odore molto forte. Usando una siringa con un ago 25 G, aggiungere circa 0,1 ml diolio essenziale all'inizio della carta da filtro.

3. Gestione (Giorni 1-8)

1. Maneggiare topi a partire 8 giorni prima del primo giorno di restrizione alimentare. Ciò consentirà di ridurre lo stress associato con la gestione durante i test.
2. Pesare e peso corporeo registrare ogni giorno di trattamento. Maneggiare ogni mouse 2-3 minuti al giorno.
3. Se più sperimentatori devono essere coinvolti nella verifica di una serie di topi, in modo che ogni sperimentatore partecipa al processo di gestione per aumentare la familiarità con gli sperimentatori e ridurre lo stress e l'ansia con esperienza in materia di formazione o di giorni di test.
4. Continuare movimentazione e registrazione pesi tutta la durata della prova.

4. restrizione alimentare (Giorni 9-12)

1. Cominciando 4 giorni prima dell'inizio di acclimatazione, posto mouse su una dieta ristretta per mantenere i topi al 80-85% del loro peso corporeo alimentazione gratuito. Dare 1 grammo di alimento per topo al giorno. Se il peso corporeo scende al di sottol'intervallo specificato dare 2 grammi al giorno fino al ritorno alla gamma appropriata.
2. Mettere 2 stampini nella parte anteriore di ogni gabbia casa per consentire topi per acclimatarsi alle pentole di prova. Questi sono gli stessi punti utilizzati per addestrare il mouse per scavare per una ricompensa in cibo.
3. Aggiungere 2 grammi di cibo e 1 pezzo di ricompensa alimentare (metà un pezzo di cereali in ciascuna) negli stampini ogni giorno per 4 giorni.
4. Se il comportamento deve essere eseguita in una camera separata da quella in cui i topi sono alloggiati, a partire dal giorno 1 di restrizione alimentare, topi trasporto verso la camera di prova per almeno 1 ora al giorno prima di ritornare alla camera dell'alloggiamento per consentire loro di acclimatarsi alla sala prove.
5. L'ultimo giorno di restrizione alimentare, prima dell'inizio di acclimatazione, cambiare la biancheria da letto gabbia di casa. La biancheria da letto gabbia non sarà cambiato di nuovo fino a dopo la prova è completa per ridurre lo stress o l'ansia vissuta durante l'allenamento e test (se non assolutamente necessario).
6. Manteneretopi sulla restrizione alimentare fino alla fine del test. Nei giorni 13-17, dare da mangiare topi dopo acclimatazione, la formazione, o test sulla base di una stima della quantità di cibo consumato ricompensa (in genere <1 g di pellet alimentare).

5. acclimatazione (Giorni 13-14)

1. Inizio 2 giorni prima dell'inizio della formazione, eseguire acclimatazione durante il ciclo di buio sotto una luce rossa.
2. Stendere una piccola quantità di biancheria sporca dalla gabbia di casa nella camera, questo ridurrà lo stress di essere in un nuovo ambiente, introducendo un familiare "casa-gabbia" o "sé" odore della camera di prova (stessa camera sarà utilizzato per un singolo mouse per la durata della formazione e test).
3. Posizionare un ramekin pulito con acqua nella sala d'attesa della camera; topi tendono a non mangiare se non hanno accesso all'acqua.
4. Posizionare le due stampini che sono stati utilizzati per la restrizione alimentare nell'area test con una ricompensa alimentare (~ 20piece cereali mg) in ciascuna.
5. Posizionare il mouse nell'area di attesa; rimuovere il cancelletto di partenza e lasciare il mouse per esplorare la camera per 1 ora.
6. Continuamente aggiungere ricompense alimentari (~ 20 mg pezzo di cereali) agli stampini vuoti al fine di incoraggiare i topi per esplorare la zona di prova e le pentole frequentemente.
7. Assicurarsi che il mouse può vedere sperimentatore tutto il periodo di acclimatazione modo che la presenza dello sperimentatore non è un fattore di stress aggiunto durante la prova.

6. Formazione (Giorno 15)

1. Posizionare il mouse nell'area di attesa.
2. Mettere gli stampini vuoti, ognuno contenente una ricompensa alimentare (~ 20 mg pezzo di cereali), nella zona di test e sollevare il cancelletto di partenza. Lasciare il mouse 3 min a recuperare entrambe le ricompense alimentari. Ripetere questa operazione più volte.
3. Aggiungere gradualmente assestamento gabbia segatura / mouse per le pentole in prove successive. Lasciare il mouse 3 min per recuperare la ricompensa cibo dal piatto prima di terminare la trial. Una volta che il mouse ha recuperato la ricompensa cibo dal piatto, procedere alla prova successiva. Se il mouse non fa tentativi di scavare una volta la ricompensa cibo è parzialmente coperto, suggerimenti possono essere previste (ad esempio, cospargere di polvere cereali su area della ricompensa alimentare, fare un rientro nella segatura sopra l'area di cibo ricompensa, scoprire una parte del ricompensa alimentare).
4. Continuare ad aggiungere segatura / assestamento dopo ogni prova fino a quando la ricompensa cibo è completamente coperto e il mouse dimostra affidabile la capacità di scavare in una pentola piena di trovare la ricompensa cibo.
5. Se un mouse non è affidabile dimostrato la capacità di trovare una ricompensa alimentare in una pentola piena in 2 ore di inizio della formazione, continuano ad una seconda giornata di formazione. Mantenere il mouse sulla restrizione alimentare e ripetere la procedura il giorno successivo.
6. Se il mouse non scavare un premio cibo dopo due giorni consecutivi, escluderlo dal resto dell'esperimento, e annotare come "impossibile scavare" nel exprecord di erimental.

7. Testing (Giorni 16-17):

1. Il primo giorno, test di discriminazione semplice (SD), la discriminazione composto (CD), inversione (R1), e lo spostamento intra-dimensionali (IDS).
2. Il secondo giorno, prova lo spostamento intra-dimensionale 2 (IDS2), spostamento intra-dimensionale 3 (IDS3), inversione di 2 (R2, optional), cambio extra-dimensionale (EDS).
3. Coppia supporti e profumi come indicato nella tabella 1.
4. Al momento della movimentazione in giornata di test, i topi dare una ricompensa alimentare per evitare una mancanza di attenzione durante i test a causa della fame. Da questo punto fino alla fine della giornata test, non forniscono alcun cibo tranne ricompense per scelte corrette.
5. All'inizio del test, usando pinze (limita la diffusione di profumi tra pentole), inserire un pezzo di ricompensa cibo nel piatto che indica una scelta corretta. La ricompensa cibo deve essere completamente coperto dai media (vedi figura 3). Per evitare spunto profumo della ricompensa alimentare, cospargere di polvere o di cerealiver tutti pentole all'inizio della tappa.
6. Posizionare il mouse nella zona di attesa con il cancelletto di partenza chiuso. Posizionare i vasi su entrambi i lati della camera di prova. Il processo inizia quando il gate di partenza viene rimosso e il temporizzatore viene avviato. Consentire ogni mouse 3 min per prova a fare una scelta. Registrare la scelta (giusta o sbagliata) e tempo fino il mouse ha fatto una scelta per ogni prova.
   NOTA: A "scelta" è indicato da un tentativo di scavare in entrambi piatto. Un scavo viene registrata solo come una scelta se il mouse ha spostato i media e infilò il naso abbastanza lontano nello spazio che crea per trovare la ricompensa cibo o abbastanza sfollati del supporto per scoprire la ricompensa cibo. Se il mouse non ha fatto una scelta nel raggio di 3 min, questo viene registrato come scelta (non corretta).
7. Una volta scelta è stata fatta per entrambi pentola, togliere la pentola non è stato scelto dalla camera di prova. Se è stata effettuata una scelta corretta, permettere al mouse per terminare la ricompensa cibo prima di rimettere il mouse inl'area di attesa. Se si effettua una scelta errata, permettere al mouse per esplorare la pentola per dimostrare che non vi è alcuna ricompensa alimentare per questa scelta prima di restituire il mouse per la sala d'attesa.
8. Alla fine di ogni prova, posizionare il mouse posteriore nell'area di attesa e sostituire il gate di partenza.
9. Assicurarsi che il mouse soddisfa il criterio di 8 prove corrette consecutivamente per passare alla successiva fase di AST. Se il mouse non ottiene 8 scelte corrette consecutivamente in 50 prove, non riesce questa fase e non può passare per completare il test. 6 consecutivi non scelte (3 min senza scelta) è una mancata partecipazione e vieta il mouse da passare alla fase successiva.

Risultati

La misura dipendente tipico in questa prova è il numero di prove per ogni fase per soddisfare il criterio (o 8 corrette scelte consecutive). La figura 4A mostra il numero medio di prove per soddisfare il criterio in ogni fase trattata C57BL / 6J utilizzando la AST. Come topi formano un insieme attentivo sulla dimensione cue rilevante (odore o media), prestazioni miglioreranno, come indicato da una riduzione in studi per soddisfare criteri in turni intradimensional successive, e le fasi di inversione e s...

Discussione

I deficit di flessibilità cognitiva mediati dal PFC rappresentare un handicap significativo associato con una varietà di disturbi neurologici e neuropsichiatrici, e possono avere un impatto significativo sui risultati e la qualità della vita delle persone che soffrono di questi disturbi. Ottimizzazione della AST per l'uso nei topi è di vitale importanza per indagare le basi genetiche di malattie accoppiati a prefrontali disfunzione cognitiva corticale mediata. Abbiamo trovato che il metodo sopra descritto è una misu...

Materiali

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