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

L'obiettivo generale del seguente esperimento è introdurre un framework comportamentale automatizzato per la condizionamento operante di roditori, utile per testare compiti cognitivi complessi. Il compito comportamentale è un design a cinque fori per poke nasale comunemente utilizzato negli studi sulla prova del tempo di reazione seriale a cinque scelte. I soggetti devono mantenere il muso all'interno di un foro di fissazione fino alla presentazione di un segnale di avvio dopo un breve periodo di attesa.

Viene presentata una coda di istruzioni uditive durante l'episodio di fissazione per guidare il soggetto nella scelta di un obiettivo motorio futuro al fine di ricevere una ricompensa. L'uso di una coda uditiva consente transizioni ben definite tra diversi episodi della prova e permette lo studio di molteplici aspetti del comportamento, nonché dei meccanismi neuronali della memoria di lavoro, del processo decisionale e della pianificazione motoria. Il vantaggio principale di questa tecnica rispetto ai metodi esistenti, come gli esperimenti di navigazione in labirinto, è che il comportamento motorio manifesto, che potrebbe essere confuso da variazioni sistematiche nella traiettoria del soggetto, viene minimizzato durante l'epoca critica del compito.

Sebbene questo metodo possa fornire informazioni sul controllo motorio, gli studi possono essere utilizzati anche per indagare altri processi cognitivi di alto livello, come la percezione, l'attenzione e la formazione della memoria. A dimostrare la procedura sarà Dylan Miller, uno studente universitario del mio laboratorio. Lo studio seguente viene eseguito in una scatola per condizionamento operante costituita da una parete con cinque fori per poke nasali su un lato e una tramoggia per la somministrazione del cibo sul lato opposto.

Il foro centrale per la stimolazione nasale è considerato un foro di fissazione, mentre gli altri quattro fori, due per ciascun lato del foro di fissazione, sono considerati fori bersaglio motori. Ogni foro è dotato di un LED tricolore e di un sistema emettitore-rivelatore a fascio infrarosso che rileva quando l'animale entra e si ritrae dal foro di fissazione. Un generatore di toni programmabile produce un tono a singola frequenza con precisione al millisecondo e lo trasmette a un altoparlante montato all'interno della scatola operante.

Il generatore di toni e i fori per la stimolazione nasale sono controllati attraverso il sistema di monitoraggio del comportamento. Utilizzando un software specializzato durante il periodo di abituazione, manipolare gli animali quotidianamente e consentire loro di esplorare gradualmente la camera di condizionamento operante e il distributore di cibo, riducendo progressivamente l'assunzione di cibo nel corso di un periodo di tre giorni fino a raggiungere l'85-90% del loro peso corporeo iniziale. Il primo passo consiste nell'abituare l'animale ai fori per la stimolazione nasale, al portello di somministrazione del cibo e all'associazione tra i fori lampeggianti e la ricompensa.

Per fare ciò, selezionare casualmente una delle due destinazioni ed eseguire la coda di avvio, un rumore bianco, mentre il LED all'interno del foro lampeggia. Impostare il software in modo da premiare l'animale quando visita il foro. Interrompere la prova dopo 30 secondi se il foro non viene visitato e avviare una nuova prova per facilitare la selezione della destinazione.

Punire le visite nei fori errati terminando la prova seguita da cinque secondi di buio totale. Successivamente, selezionare un nuovo foro e iniziare una nuova prova fino a raggiungere il livello desiderato di prestazione. Allenare il soggetto a inserire la zampa all'interno del foro di fissazione.

Per iniziare una prova, un LED giallo si illumina all'interno del foro di fissazione. Non appena l'animale visita il foro di fissazione, riprodurre immediatamente il segnale acustico di avvio ed avviare una nuova prova. Una volta che l'animale impara a visitare il foro di fissazione, insegnargli a mantenere il naso all'interno del foro per un periodo di tempo prestabilito.

Per fare ciò, attendere che il soggetto visiti il foro di fissazione e terminare la prova. Se il soggetto si ritrae entro 500 millisecondi, penalizzare i ritiri prematuri con un periodo di oscuramento della durata di sette secondi. In caso contrario, riprodurre il segnale di avvio e premiare le visite corrette erogando un pellet alimentare.

Il passo successivo consiste nell'introdurre la coda di istruzioni uditive come un tono uditivo a singola frequenza, pulsato e in triplette, con una durata del singolo impulso di 150 millisecondi e un intervallo inter-impulso di 100 millisecondi. Inoltre, aumentare la durata del periodo di ritardo a una media di 1,5 secondi. Scegliere, in ogni prova, una durata casuale del periodo di ritardo basata su una densità uniforme compresa tra 1,3 e 1,8 secondi.

Riprodurre il segnale di istruzione immediatamente dopo che il soggetto entra nel foro di fissazione. Assegnare due segnali di istruzione a ciascuna delle destinazioni. Tuttavia, utilizzarne soltanto uno associato a ciascuna destinazione in questa fase, fino a quando i soggetti non diventano più familiari con il compito.

Fare in modo che il soggetto utilizzi sia segnali uditivi che visivi per selezionare il foro bersaglio finché non viene raggiunto il livello desiderato di prestazione. Per addestrare il soggetto a utilizzare esclusivamente segnali uditivi, spegnere i LED lampeggianti all'interno del foro bersaglio in modo che il soggetto possa basarsi solo sui segnali uditivi. Introdurre gli altri due segnali nella sequenza di segnali indicativi presentati casualmente una volta raggiunta la prestazione desiderata e ripetere i passaggi dell'addestramento.

Assicurarsi che alla fine di ogni fase, il soggetto mantenga una prestazione comportamentale superiore al 75% per almeno tre sessioni consecutive prima di passare alla fase successiva. Una volta raggiunta l'ultima fase, mantenere il soggetto nel protocollo per una settimana per garantire che la prestazione si mantenga al livello desiderato. Definire la percentuale di successo come la percentuale di visite corrette ai bersagli divisa per il numero totale di prove.

Il tasso di successo deve essere misurato a ogni fase dell'addestramento. I diversi tipi di errore includono il ritiro prematuro, la percentuale di prove interrotte a causa di ritiri anticipati dal foro di fissazione (errore di commissione), la percentuale di prove fallite quando il soggetto visita un bersaglio non costruito e un errore di missione. La percentuale di errori quando il soggetto non visita nessuno dei bersagli dopo l'avvio della prova.

Per ogni prova, misurare il tempo di reazione definito come il ritardo tra l'inizio dello stimolo "go" e il ritiro del soggetto dal foro di fissazione. Il tempo per raggiungere il bersaglio viene inoltre misurato come la durata tra il ritiro del soggetto dal foro di fissazione e l'ingresso nel foro bersaglio. Questo esempio mostra la percentuale di successo per un singolo soggetto durante 14 sessioni di registrazione.

I tipi di errore sono dominati da ritrazioni premature, mentre gli errori di commissione e gli errori di omissione si verificano meno frequentemente. Questo istogramma mostra la distribuzione del tempo di reazione in diverse prove. Qui viene mostrata la distribuzione del tempo per raggiungere l'obiettivo in diverse prove.

Dopo che il soggetto ha acquisito il compito, è stato impiantato un array microelettrodico a 32 canali. Nella zona pre-limbica, è mostrata una traccia campione allineata con un grafico a rastrello di 22 unità registrate contemporaneamente. I marcatori per gli eventi comportamentali sono riportati sopra le tracce.

Nel tentativo di eseguire questa procedura, è importante ricordare di verificare i Perus prima di ogni sessione di allenamento e monitorare le prestazioni del soggetto successivamente. Un significativo calo dei punteggi comportamentali può essere causato da malfunzionamenti dell'apparecchiatura dopo il suo sviluppo. Questa tecnica dovrebbe aprire la strada ai ricercatori nel campo delle neuroscienze cognitive per esplorare il controllo top-down del comportamento orientato agli obiettivi.