Un sistema completamente automatizzato ed altamente versatile per test multi-funzioni cognitive e di registrare le attività neuronali in roditori

L'obiettivo generale di questa procedura è addestrare un ratto a eseguire una sequenza di compiti attraverso i quali possono essere studiate diverse funzioni cerebrali. Questo risultato si ottiene innanzitutto abituando i ratti alla camera comportamentale. Il secondo passaggio consiste nell'addestrare il ratto a premere una leva per ottenere pellet di cibo come ricompensa.

In seguito, i ratti vengono addestrati a rivelare una leva nascosta inserendo la testa nell'apposito foro per la stimolazione nasale. L'ultimo passaggio consiste nell'addestrare i ratti a riconoscere un segnale sensoriale e quindi a premere la leva corretta indicata dalla coda. Alla fine, i ratti imparano l'intera sequenza delle attività finalizzate all'ottenimento delle ricompense.

Abbiamo sviluppato un sistema completamente automatizzato per il test del comportamento e la registrazione dell'attività neuronale. Utilizzando questo sistema, è possibile indagare molteplici funzioni cerebrali. La caratteristica distintiva di questo sistema è una camera acusticamente trasparente su misura, ideale per l'addestramento a compiti uditivi.

Un'altra caratteristica di questo sistema è che diversi dispositivi operanti possono essere aggiunti facilmente, il che rende il sistema molto versatile, consentendo l'implementazione di una varietà di compiti comportamentali uditivi, visivi e audiovisivi. Il sistema è composto da tre componenti principali: una stanza insonorizzata a doppia parete, un sistema di registrazione elettrofisiologica multicanale e un sistema completamente automatizzato per test comportamentali. Una camera per l'opera su misura è collocata all'interno della stanza insonorizzata.

La camera è composta da tre pareti acusticamente trasparenti e da un pannello operativo modulare per monitorare e registrare il comportamento. Una videocamera è montata sopra la camera operativa. Un box interfaccia trasmette segnali avanti e indietro tra la camera e un computer.

I segnali uditivi sono generati da un generatore audio programmabile calibrato e vengono trasmessi attraverso tre altoparlanti situati sul pannello operativo per i segnali visivi; una luce stimolo e due display tripli per lo stimolo sono posizionati sui pannelli centrale e laterali. Un dispositivo per la stimolazione nasale dotato di tre luci LED colorate è montato nella parte inferiore del pannello centrale. Un rilevatore a infrarossi installato all'interno dell'unità per la stimolazione nasale registra l'introduzione e la permanenza del naso.

Due leve di risposta rimovibili e retrattili di periodo due sono montate su ciascun lato dell'apparecchiatura. Le ricompense in pellet sono fornite da due distributore che lasciano cadere il cibo nei contenitori per pellet. Quattro coppie di fasci infrarossi sono posizionate nella parte inferiore della camera per indicare la posizione dell'animale e per controllare i dispositivi in base alla posizione dell'animale.

Infine, i cavi di uno stadio testa vengono collegati a un commutatore per la registrazione dell'attività neuronale. Il protocollo sperimentale è completamente automatizzato tramite programmi creati all'interno della piattaforma software Med PC four. I dati comportamentali vengono salvati e convertiti in file Microsoft Excel, quindi importati ed analizzati con matlab.

Prima dell'addestramento, ridurre l'assunzione di cibo fino a quando il peso dell'animale non raggiunge il 90% del valore iniziale. Per preparare la camera all'acclimatazione, ritrarre le leve, ostruire il foro del nose poke con un tappo di gomma e posizionare circa 20 pellet di cibo in ciascun contenitore. A questo punto, inserire un animale naïve nella camera per l'acclimatazione.

Il ratto inizierà presto a esplorare i contenitori per il cibo e a mangiare i pellet. Quando entrambi i contenitori sono vuoti, utilizzare il software per erogare un singolo pellet in ogni vassoio. In questo modo, il ratto imparerà ad associare il cibo al contenitore.

Forzare il ratto a muoversi su entrambi i lati della camera erogando pellet in modo casuale in ciascuna coppa del cibo. Di solito una sessione è sufficiente per stabilire l'Associazione con la Coppa del Cibo. In una nuova sessione, estendere entrambe le leve nella camera e lasciare vuota la coppa del cibo. Successivamente, posizionare un ratto abituato nella camera.

Quando l'animale entra in prossimità di una leva, erogare un pellet. Fornire inoltre una ricompensa quando il ratto mostra interesse per la leva, ad esempio annusando, toccando o arrampicandosi. Anche una pressione accidentale della leva deve innescare una ricompensa.

Per incoraggiare la pressione della leva e favorire l'esplorazione di entrambe le leve, consentire all'animale di premere ciascuna leva consecutivamente un numero limitato di volte; quando viene raggiunto il limite, ritrarre la leva. Estendere entrambe le leve per ripetere la procedura. Ridurre gradualmente il limite fino a quando la leva si ritrae ogni volta che viene premuta.

Di solito sono sufficienti una o due sessioni per stabilire l'associazione tra la leva e la ricompensa alimentare. In una nuova sessione, ritrarre le leve.

Rimuovere il tappo di gomma dal foro del dispositivo per la sporgenza del naso e posizionare diversi pellet alimentari all'interno del dispositivo. Reintrodurre l'animale nella camera ed estendere casualmente una delle due leve.

Quando il ratto annusa il foro del nose poke per ottenere pellet di cibo, vedendo la leva estesa, si avvicinerà e spingerà la leva per ottenere un pellet. Dopo che la leva viene premuta e la ricompensa erogata, ritrarre la leva per incoraggiare il ratto a esplorare il dispositivo del nose poke. Di solito è sufficiente una sessione di 30 minuti perché il ratto impari la sequenza del compito: nose, poke, leva, spinta, ricompense.

In un'altra nuova sessione, posizionare l'animale nella camera per iniziare l'addestramento Q. Dopo che l'animale esegue un evento di poke con il naso, riprodurre un segnale uditivo distinto. Estendere entrambe le leve destra e sinistra.

Dopo ogni presentazione del segnale uditivo, premiare il ratto solo quando preme la leva indicata dal segnale uditivo; l'animale imparerà gradualmente ad associare un determinato segnale uditivo a una specifica leva. L'animale dovrebbe ora essere in grado di eseguire l'intera sequenza prevista dell'addestramento: inserimento del naso, segnale, pressione della leva, premio o assenza di premio.

Permettere al ratto di esercitarsi nel compito appena appreso fino al raggiungimento di un livello di prestazione costante. La sessione è limitata a 30 minuti. Questo sistema può essere utilizzato per eseguire il compito di discriminazione tonale a scelta alternativa, che esamina la soglia di discriminazione della frequenza in un ratto.

Dopo aver addestrato i ratti a premere rapidamente la leva corretta indicata da un segnale uditivo, si ottiene una curva di apprendimento uditivo. Ogni linea colorata rappresenta le variazioni della frequenza di discriminazione di un singolo animale. La linea scura rappresenta la curva di apprendimento media.

In media, sono state necessarie circa sette sessioni di allenamento per raggiungere la soglia del 75% di risposte corrette. Il comportamento dell'animale in questo compito può essere caratterizzato quantitativamente anche mediante diverse misurazioni, tra cui il tempo di reazione rispetto all'inizio della coda uditiva, l'intervallo inter-trial e la dinamica temporale della prestazione. Utilizzando questo sistema, è possibile indagare anche molteplici funzioni cerebrali cognitive.

I titoli superiori descrivono ogni azione in sequenza all'interno di un singolo tentativo. I titoli inferiori indicano le funzioni comportamentali cognitive che possono essere studiate combinandole con l'elettrofisiologia. Può essere inoltre studiata la registrazione della base neurale delle funzioni comportamentali cognitive.

Questo grafico mostra un neurone registrato nello spazio nucleare ssus di un ratto che esegue il compito di discriminazione del tono a scelta alternativa. Mentre questo grafico mostra un neurone registrato nell'area segmentale ventrale, quando si tenta questa procedura è importante prestare molta attenzione alle differenze tra i ratti e alle loro caratteristiche comportamentali e capacità cognitive; le procedure e i parametri di addestramento dovrebbero essere personalizzati per ottenere i migliori risultati. Sebbene abbiamo sviluppato questo sistema principalmente per lo studio del sistema uditivo, può essere facilmente adattato da altri ricercatori per studiare il sistema visivo e molteplici funzioni cognitive del cervello, come motivazione, attenzione, pazienza e ricompense.