Name: Un sistema completamente automatizzato ed altamente versatile per test multi-funzioni cognitive e di registrare le attività neuronali in roditori (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-05-03T12:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 13 s
Description: Scopri un sistema automatizzato per test cognitivi multi-funzione e registrazione dell'attività neuronale nei roditori. Questo metodo consente di studiare funzioni cerebrali come apprendimento, memoria e attenzione in vivo.

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Questo lavoro è stato supportato dal Neurosciences Research Foundation e sovvenzioni da parte Blasker-Rose-Miah Fondo di The San Diego Foundation e The Harold G. e Leila Y. Mathers Charitable Foundation.

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<li>Syka, J., Rybalko, N., Brozek, G., Jilek, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Auditory+frequency+and+intensity+discrimination+in+pigmented+rats%5BTitle%5D)+AND+%22Hear+Res%22%5BJournal%5D)">Auditory frequency and intensity discrimination in pigmented rats.</a> Hear Res. 100, 107-113 (1996).</li>
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<li>Sagvolden, T. I. mpulsiveness, overactivity, <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((poorer+sustained+attention+improve+by+chronic+treatment+with+low+doses+of+l-amphetamine+in+an+animal+model+of+Attention-Deficit%2FHyperactivity+Disorder+%28ADHD%29%5BTitle%5D)+AND+%22Behav.+Brain+Funct%22%5BJournal%5D)">poorer sustained attention improve by chronic treatment with low doses of l-amphetamine in an animal model of Attention-Deficit/Hyperactivity Disorder (ADHD).</a> Behav. Brain Funct. 7, 6(2011).</li>
<li>Sagvolden, T., Johansen, E. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rat+Models+of+ADHD%5BTitle%5D)+AND+%22Curr.+Top+Behav.+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Rat Models of ADHD.</a> Curr. Top Behav. Neurosci. , (2011).</li>
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<li>Johnson, K. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sensory+discrimination%3A+decision+process%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Neurophysiol%22%5BJournal%5D)">Sensory discrimination: decision process.</a> J. Neurophysiol. 43, 1771-1792 (1980).</li>
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<li>Hui, G. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Conditioned+tone+control+of+brain+reward+behavior+produces+highly+specific+representational+gain+in+the+primary+auditory+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Neurobiology+of+Learning+and+Memory%22%5BJournal%5D)">Conditioned tone control of brain reward behavior produces highly specific representational gain in the primary auditory cortex.</a> Neurobiology of Learning and Memory. 92, 27-34 (2009).</li>
<li>Feduccia, A. A., Duvauchelle, C. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Auditory+stimuli+enhance+MDMA-conditioned+reward+and+MDMA-induced+nucleus+accumbens+dopamine%2C+serotonin+and+locomotor+responses%5BTitle%5D)+AND+%22Brain+Res.+Bull%22%5BJournal%5D)">Auditory stimuli enhance MDMA-conditioned reward and MDMA-induced nucleus accumbens dopamine, serotonin and locomotor responses.</a> Brain Res. Bull. 77, 189-196 (2008).</li>
<li>Kudoh, M., Shibuki, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sound+sequence+discrimination+learning+motivated+by+reward+requires+dopaminergic+D2+receptor+activation+in+the+rat+auditory+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Learning+%26+Memory%22%5BJournal%5D)">Sound sequence discrimination learning motivated by reward requires dopaminergic D2 receptor activation in the rat auditory cortex.</a> Learning & Memory. 13, 698-69 (2006).</li>
<li>Shiflett, M. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cue-elicited+reward-seeking+requires+extracellular+signal-regulated+kinase+activation+in+the+nucleus+accumbens%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Cue-elicited reward-seeking requires extracellular signal-regulated kinase activation in the nucleus accumbens.</a> J. Neurosci. 28, 1434-1443 (2008).</li>
</ol>

Produzione e l&#39;accesso gratuito di questo video-articolo è sponsorizzato da Med Associates, Inc.

Un aspetto critico nella progettazione di qualsiasi compito uditivo comportamentale è l&#39;eliminazione di suoni indesiderati derivanti dalla dispersione e la deformazione in ambiente di test. Controllo del suono scadente può avere un effetto significativo sul comportamento in fase di test e produrre risultati fuorvianti o addirittura non interpretabile. La camera comportamentale utilizzato nel sistema qui descritto è progettato specificamente per essere acusticamente trasparente per evitare deflessione suono dalle pareti della camera. Infatti, quando misurata dal centro della camera, deflessione suono era effettivamente rilevabile (dati non mostrati). Sebbene questo sistema sviluppato principalmente per studiare il sistema uditivo, può essere facilmente adattato da altri ricercatori per studiare altri sistemi sensoriali. Le modifiche possono essere effettuate facilmente sia software e hardware per compiti diversi senza modificare la configurazione globale del sistema. Il pannello di controllo modulare rende il sistema particolarmente versatilitàLe consentendo per l&#39;aggiunta e / o sostituzione di dispositivi diversi per i nuovi compiti comportamentali. Per esempio, olfattivi compiti comportamentali possono essere impiantati, fornendo stimolo olfattivo nel dispositivo Poke naso. La scelta illuminata cinque parete Poke naso con stimolo olfattivo dal Associates MED (ENV-115A-OF) può essere facilmente installato sul pannello di comando per complessi compiti olfattivi. Inoltre, tutti i dispositivi operante può essere facilmente sostituito con quelli che sono progettati per topi senza modificare la configurazione del sistema. Preciso controllo temporale di ciascun dispositivo operante, nonché la registrazione ad alta risoluzione di singoli eventi in un processo determinato, consentono la manipolazione accurata dei dispositivi per la personalizzazione del disegno di compiti comportamentali per affrontare diverse funzioni cerebrali cognitive (vedi sotto). Quando combinata con la registrazione dell&#39;attività neuronale, una ricca varietà di temi nel campo delle neuroscienze può essere studiata con questo sistema. Ad esempio, in unouditory compito sopra descritto, alle seguenti domande relative a funzioni cognitive del cervello possono essere studiati in prova unica: (1). Motivazioni: Poiché ogni prova viene iniziata da animale &quot;self-motivated&quot; naso-poke azione (Figura 5A-a e Figura 3), la motivazione può quindi essere valutata quantitativamente misurando il numero totale di prove eseguite da un animale in una data sessione, o il numero di prove consecutive eseguita 6,7. (2). Attenzione: La chiave per ottenere una ricompensa in un processo è quello di riconoscere correttamente i segnali uditivi. In circa il 25% dei ratti che non potevano essere addestrati per eseguire l&#39;operazione, la mancanza di partecipazione ai segnali uditivi fu il fattore principale. Al contrario, nei topi che hanno imparato il compito, una pausa momentanea di comportamenti era evidente durante la presentazione uditiva cue (vedi Figura 5A-b e Figura 3). Utilizzando questo sistema, è quindi possibile (i) ratti schermo per la sindrome da deficit &quot;CITS &quot;e (ii) studiare i meccanismi neurali di attenzione quando combinato con le registrazioni neuronali mentre l&#39;animale sta partecipando alle 8-10 uditivi spunti. (3). Decisione: All&#39;atto della rilevazione dei segnali uditivi, l&#39;animale deve decidere quale direzione girare per avvicinarsi la leva corretta entro una finestra temporale limitata (Figura 5A-c). E &#39;quindi anche un paradigma efficace per lo studio del processo decisionale 11,12. (4). Pazienza: I tempi di estensione della leva può essere controllata in modo tale che l&#39;animale deve attendere per la leva dopo essere arrivato al punto in cui la leva si estenderà (Figura 5A-d). Variando la lunghezza di attesa, la portata di pazienza di un animale può essere testato e quantificati 13. (5). Premi: L&#39;obiettivo finale del compito è quello di ottenere la ricompensa (Figura 5A-e e Figura 3). Compiti comportamentali che utilizzano questo sistema può quindiessere facilmente progettato per studiare molti aspetti della ricompensa-decisione le questioni e la funzione dei sistemi di valore del cervello 14-17.

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

A Fully Automated and Highly Versatile System for Testing Multi-cognitive Functions and Recording Neuronal Activities in Rodents

Abbiamo sviluppato un sistema completamente automatizzato per testare il comportamento operante e la registrazione dell&#39;attività neuronale attraverso il quale più funzioni cognitive del cervello può essere valutata in una sequenza di attività singola. La caratteristica unica di questo sistema è una custom-made, camera acusticamente trasparente che elimina molti dei problemi legati al controllo di cue uditiva in camere più disponibili in commercio. La facilità con cui i dispositivi operante può essere aggiunto o sostituito rende il sistema molto versatile, consentendo la realizzazione di una varietà di uditivo, visivo, e olfattivi compiti comportamentali. Automazione del sistema consente bel temporale (10 ms) e preciso controllo time-stamping di ogni evento in una sequenza comportamentale predefinito. Quando combinato con un sistema multicanale di registrazione elettrofisiologia, più funzioni cognitive del cervello, come motivazione, attenzione, il processo decisionale, la pazienza, e le ricompense, possono essere esaminate in sequenza o in modo indipendente.

In questo rapporto, presentiamo un sistema completamente automatico ed estremamente versatile in grado di testare contemporaneamente multi-cognitive comportamenti e registrare le attività neuronali per i roditori.

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

Abbiamo sviluppato un sistema completamente automatizzato per il test del comportamento operante e la registrazione dell'attività neuronale, attraverso il quale è possibile analizzare molteplici funzioni cognitive cerebrali...

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.

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