Name: げっ歯類の自動行動トレーニングのためのオープンソースの、完全にカスタマイズ可能な5択シリアル反応時間タスクツールボックス (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-01-19T14:45:00.000+00:00
Duration: 9 min 39 s
Description: 学ぶ げっ歯類の自動行動トレーニングのためのオープンソースの5択シリアル反応時間タスクツールボックス。ArduinoとMatlabを活用し、注意や衝動性を研究する柔軟な実験設計が可能です。

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<li>Fischer, B., Wegener, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Emphasizing+the+%26%2334%3Bpositive%26%2334%3B+in+positive+reinforcement%3A+using+nonbinary+rewarding+for+training+monkeys+on+cognitive+tasks%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neurophysiology%22%5BJournal%5D)">Emphasizing the &#34;positive&#34; in positive reinforcement: using nonbinary rewarding for training monkeys on cognitive tasks.</a> Journal of Neurophysiology. 120 (1), 115-128 (2018).</li>
</ol>

著者らは、競合する金銭的利益はないと宣言している。

本プロトコルは、標準的な市販の5択連続反応時間タスク装置に代わる低コストで完全にカスタマイズ可能な代替手段を開発および試験することを目的としている。通常、市販のタイプの装置は、標準的な研究5−CSRTTを実行するために必要に応じて限られた特徴のセットを提供する。このため、試行シーケンスやターゲット刺激の組み合わせの変更など、特定の試行計画における非標準的な変更は通常不可能です。さらに、利用可能なタイプの装置の多くには、時期尚早で忍耐強い回答のタイミングや絞り数など、実験のすべての行動データへのアクセスを提供しない特定の閉じたソフトウェアが付属しています。対照的に、ここで紹介するツールボックスの重要な利点は、低コストに加えて、多くの異なる試験設計と研究パラダイムを実装する可能性です。現在、ツールボックスは、調光された刺激を許可し、2つのペレット送達システムを使用し、反応時間への報酬依存性など、複数の刺激設計の定義をサポートしています。また、聴覚フィードバックのためのミニチュアスピーカーの使用もサポートしています。しかしながら、主な目的は、意思決定タスクのための薄暗い照明開口部および報酬スケジュールの導入または最先端の積極的な強化トレーニングアプローチ11の統合など、ユーザの目的に従って試行シーケンスを容易に修正できるようにすることである。さらに、セッション中に取得されたすべての生データは、さらなる分析のために利用可能になります。ツールボックスには、自動行動トレーニング用の階段機能も用意されており、これも完全にカスタマイズ可能で、ユーザーは各レベル更新の基準、トレーニングレベルの数、および更新するパラメータを変更できます。さらに、装置自体は適応性が高く、試験設計およびチャンバレイアウトの変更が容易であるため、市販のタイプの装置が提供するものとは異なる研究設計を必要とする動物種に5-CSRTTパラダイムを適用することを可能にする。
ソフトウェア構成のプロトコルの特定の部分は、スムーズなワークフローを確保するために重要です: 特に実験の初日には、ハードウェアと実験制御ソフトウェアの両方の準備 (手順 2 と 3) と手順 5.3 の構成が重要です。マイクロコントローラハードウェア、そのソフトウェア、および実験制御ソフトウェア間のシリアルポート接続が正しく機能していることを確認することは、完全に機能する5-CSRTTツールボックスを確立するために不可欠です。各実験日の初めに、上記の 3 つの手順を繰り返して、ハードウェアと実験制御スクリプトが正しく構成されていることを確認することをお勧めします。
最後に、ツールボックスの現在の制限は、1つの排他的なプログラミングプラットフォームへの実装であり、残念ながら完全なオープンソースツールボックスとしての使用を危うくしています。それにもかかわらず、原則として、ツールボックスは、1回の試行の経過が変更されていないため、Pythonなどの他のプログラミング言語に簡単に適応できるはずです。
既存の代替方法と比較して、ここで紹介した5-CSRTTツールボックスは、標準の5-CSRTTパラダイムの実装と、忍耐強い答えのための設定された時間枠の定義、またはスピーカーや点滅するライトのような気を散らす刺激または強化刺激の導入などの修正を可能にします。この装置は、使いやすく適応性が高いことに加えて、低コストで容易に複製することができ、非げっ歯類動物モデルを用いた研究を奨励する。

5-CSRTTは行動テストであり、注意におけるコリン作動系の役割および衝動行動に対するノルエピネフリン再取り込み阻害剤の影響を決定するなど、視覚注意プロセスおよび衝動性1,2,3,4,5,6を研究するためにげっ歯類においてしばしば使用される7 .標準装置は、応答精度、反応時間、衝動的および強迫的行動、運動能力、および動機1,2,3,4,5などの様々な制御手段を観察することを可能にする。これは、5つのLED装備の開口部の水平配列、開口部に対向するチャンバー壁の食品雑誌、およびハウスライト2,5で構成されています。典型的なタスクでは、家の光が照らされ、セッションの開始は無料のペレットが配達される食品雑誌の照明によってマークされます。試験コースは、動物がペレット1を取り出すために雑誌を鼻で突いたときに開始されます。その後、フードマガジンの光が消え、試行間間隔(ITI)が開始され、その間に動物は開口部に注意を向けることになっています。ITIが経過すると、刺激照明がアパーチャ1、2、5の1つで提示される。刺激は、刺激持続時間(StD)として知られる特定の長さに対して与えられる。動物は、刺激が提示されている間、またはStDが終了した後の限られた時間枠(制限付きホールド(LH)として知られている)の間に刺激に反応することができる。応答するために、動物はターゲット開口部を鼻で突く必要があり、正しく行われれば、報酬は食品雑誌1,2,5でリリースされます。さもなければ、誤った応答、ならびに刺激提示前の応答(予測的または時期尚早)または応答の失敗(省略)はタイムアウト(TO)をもたらし、その間に家の照明は一定期間消灯される1、2、5(図1)。一般に、判別的刺激精度は注意機能を測定するが、時期尚早および忍耐的応答(刺激提示後の開口部での反復応答)は衝動的行動および強迫性の尺度とみなされる1、4、5、6。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63385/63385fig01.jpg"> 図1:典型的な5-CSRTTの可能な試行シーケンス。 試行間間隔に続いて、刺激ライトは特定の期間オンになり、制限ホールド間隔の間はオフになります。ラットは、正しく答えて報酬を受け取るか、間違って答えてこの間にタイムアウトを得ることができます。ラットが時間内に応答しない場合、その省略はタイムアウトをもたらす。同様に、光刺激の提示前に応答すると、そのタイミングの早い応答はタイムアウトになります。別の試用は、報酬の収集後またはタイムアウト期間の終了後に開始されます。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63385/63385fig01large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
5-CSRTTは、その柔軟性のために広く使用されています:試験設計のパラメータを変更することによって、注意の異なるサブカテゴリを調査することができます。例えば、動物は5つの異なる開口部(視空間注意)にわたってその注意を分割することになっているが、無関係な刺激(例えば、聴覚刺激)の使用は、選択的または持続的な注意の試験を可能にする1、2、5、6。その目的のために、実験セットアップは、気を散らす、または刺激1、2、5、6を強化するものとして使用することができるスピーカーを含むことによって拡張することができる。さらに、注意負荷は、刺激提示を変更するか、またはITI持続時間10をランダム化することによって直接変調することができる。5-CSRTTはげっ歯類3,7に使用されているだけでなく、最近、非ヒト霊長類1,7,8および魚7,9の試験に適応され、その実現可能性をさらに示しています。完全にカスタマイズ可能な5-CSRTTツールボックスにより、標準的なげっ歯類パラダイムを他の動物モデルに簡単に適応させることができます。さらに、5-CSRTTツールボックスのカスタマイズの柔軟性は、非標準のタスク設計を使用した研究も奨励します。
ここで紹介する完全にカスタマイズ可能な5-CSRTTツールボックスには、統合開発環境でプログラムされたハードウェア制御用のArduinoスクリプトが含まれています。また、実験制御用の Matlab ツールボックス (バージョン R2019b 以前) で構成されています。次のプロトコルは、広く使用されている標準パラダイムを使用して 5-CSRTT ツールボックスを構成する方法を説明し、非標準パラダイムのオプション構成を示しています。

<table><tbody><tr><td>1200 Ω 抵抗</td><td></td><td></td>器 <td>すでにラボで利用可能</td></tr><tr><td>8 ビット 10 k&Omega; デジタル ポテンショメータ</td><td>Microchip</td><td>MCP42010-I/P</td><td>Conrad.de から: 1083205</td></tr><tr><td>ARD MEGA2560 KIT Arduino - Mega 2560 R3 Lernset</td><td>JOY-IT</td><td>ARD-Set01</td><td>Reichelt.de から: ARD MEGA2560 KIT</td></tr><tr><td>ARD SHD MOTOR Arduino Shield - motor</td><td>Adafruit</td><td>1438</td><td>Reichelt.de から: ARDSHD</td></tr><tr><td>モーターARDUINOスタッカブルヘッダーキット-R3</td><td>Sparkfun Electronics</td><td>PRT-11417</td><td>Antratek.de から:PRT-11417</td></tr><tr><td>Chow</td><td>Altromin</td><td>1324 N</td><td>Altromin chow製品</td></tr><tr><td>Euro-Geh&auml;ハ</td><td>モンドエレクトロニクス</td><td>1591EBK</td><td>を使用 Conrad.de から:520691</td></tr><tr><td>食品ペレット</td><td>Bio-Serv</td><td>F0021</td><td>Bio-serv.com から:ダストレス精密ペレットげっ歯類</td></tr><tr><td>Fritzing</td><td>インタラクションデザインラボポツダム</td><td></td><td>Fritzingソフトウェアのダウンロード</td></tr>統合<tr><td>開発環境</td><td>Arduino</td><td></td><td>Arduino IDEのダウンロード(無料利用可能)</td></tr><tr><td>IRブレークビームセンサー -3mm LED</td><td>Adafruit</td><td>2167</td><td>Mouser.de から: 485-2167</td></tr><tr><td>ラップトップまたはコンピュータ</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>LED 白色丸型 5mm 2000mcd 20mA</td><td>TruComponents</td><td>1573731</td><td>Conrad.de から: 1573731</td></tr><tr><td>マイクロスイッチ</td><td>Hartmann</td><td>MBB1 01 A 01 C 09 A</td><td>Conrad.com から: 707243</td></tr><tr><td>NeoPixel Stick - 8 WS2812 5050 RGB LED</td><td>Adafruit</td><td>1426</td><td>Reichelt.de から: DEBOLED NP8 2</td></tr><tr><td>受動ブザー スピーカー</td><td>Conradの部品</td><td>93038c213a</td><td>Conrad.de から: 1511468</td></tr><tr><td>ペレット解放ディスク</td><td></td><td></td><td>実験室で既に利用できる。以下に示す類似製品。これらの製品の一部は、異なる(そしてより強力な)モーターと赤外線センサーを使用していることに注意してください。マイクロスイッチ(7行目)と&nbsp;Arduinoモーターシールド(3行目)は、これらの新しい仕様に適合させる必要があります。付属の材料とソフトウェアを使用してディスクを3D印刷することをお勧めします. Carbatecユニバーサルベースプレート Open Science Framework Open Feeder Open Ephys 3Dモデル 食品ペレットディスペンサー Campden Instruments 45mgペレットディスペンサー</td></tr><tr><td>プログラミングプラットフォーム</td><td>Mathworks</td><td>R2019b以下</td><td></td></tr><tr><td>Psychtoolboxソフトウェア</td><td></td><td>V3</td><td>Psychtoolbox-3ダウンロード</td></tr><tr><td>DCブラシモーター付きスパーギアモーター</td>マイクロ<td>モーターB138F.12.208</td><td>マイクロモトシリーズB138Fテクニカルデータ</td><td></td></tr></tbody></table>

げっ歯類の自動行動トレーニングのためのオープンソースの、完全にカスタマイズ可能な5択シリアル反応時間タスクツールボックス

An Open-Source, Fully Customizable 5-Choice Serial Reaction Time Task Toolbox for Automated Behavioral Training of Rodents

5択連続反応時間タスク(5-CSRTT)は、げっ歯類の視空間的注意と衝動性を研究するためによく使用される行動テストです。このタスクでは、動物が光源を備えた5つの小さな開口部の水平配列に注意を割り当て、限られた時間枠内で、1つの照らされたターゲット開口部を鼻で突いて、部屋の反対側の壁にある食品雑誌で食べ物の報酬を得る必要があります。このタスクは、応答精度や反応時間などの行動制御手段を考慮し、選択的な注意力と衝動性を推測することを可能にします。タスクの難易度は、刺激持続時間およびタスク設計全般を変更することによって制御することができる。市販の装置は、通常、実験チャンバと、タスクパラメータを指定するための特定のソフトウェアとからなるが、固定されたハードおよびソフトウェアのために、それらは、一般的な実験計画および特定のタスク要件および関連するデータ出力の変化に多くの制限をもたらす。この記事では、使いやすいシングルボードマイクロコントローラと標準電気技術コンポーネント、オープンアクセスのArduinoスクリプト、およびハードウェア制御と動作タスク仕様用のMatlabツールボックスに基づいて、完全にカスタマイズ可能な代替手段について説明します。ツールボックスにはオプションの階段手順が含まれており、自動行動トレーニングが可能です。カスタマイズされたチャンバにインストールできる完全なハードウェアセットアップと、自由に適応可能なソフトウェアは、標準化されていないタスクとチャンバの設計を促進します。システムの設計と、ハードウェア制御と実験セットアップのためのオープンソースコードが説明されています。

現在のプロトコルは、Arduinoおよび関連ハードウェアと、自動行動トレーニング用のオプションのスクリプトを含む汎用性の高いMatlabツールボックスを使用して、げっ歯類動物モデル用のオープンソースの5選択シリアル反応時間タスクツールボックスの開発を説明しています。スクリプトはカスタマイズ可能で、さまざまな試行およびテスト設計の実装を容易にします。

The 5-choice serial reaction time task (5-CSRTT) is a behavioral test often used to study visuospatial attention and impulsiveness in rodents. The task ...

このプロトコルは、5つの選択肢のシリアル反応時間タスクをトレーニングおよび実行するためのカスタマイズ可能なオープンソースツールボックスを提供します。これは、げっ歯類の視空間的注意と衝動性を研究するための確立された行動テストです。ツールボックスの主な利点は、低コストとカスタマイズ性です。特定の刺激パラメータと報酬構成に関して高い柔軟性を提供し、非標準のテスト設計を奨励します。5択の連続反応時間タスクは、げっ歯類の注意プロセス、衝動性、強迫性に関する洞察を提供します。当社のツールボックスは、他の非げっ歯類動物モデルへの容易な適応を可能にする。また、オプションの階段手順による動物の半自動トレーニングも可能です。ビデオでは、その使用法を段階的に紹介しています。手順は、エヴァStrippelmann、私たちの研究室の生物学の学生によって実証されます。まず、自由に利用できる統合開発環境またはIDEソフトウェアを開きます。[ファイル]タブと[開く]タブに移動し、ハードウェア制御用のスクリプトをクリックします。次に、マイクロコントローラのUSBをコンピュータに接続します。画面の左上半分で、ツールに移動して、自動的に選択されたボードとプロセッサの情報が、接続されているマイクロコントローラボードに対応しているかどうかを確認します。対応するボードとプロセッサの情報を確認したら、[ポート]タブをクリックして使用可能なポートを選択します。画面の左上半分にある[確認]ボタンをクリックして、スクリプトの間違いがないことを確認します。完了したら、矢印の付いた[アップロード]タブをクリックして、スクリプトをマイクロコントローラボードにアップロードします。実験コントロールの 4 つのスクリプトと関数がすべて同じフォルダーにあることを確認したら、プログラミング プラットフォームを開き、ホーム ツール バーと [パスの設定] をクリックします。次に、[フォルダーの追加] ボタンに移動して、すべての実験制御スクリプトを含むフォルダーを選択します。完了したら、[保存]ボタンをクリックし、[パスの設定]ウィンドウを閉じます。ホームツールバータブで、開くを押してスクリプトと関数を開きます。慣れるためのツールボックスを準備するには、開いているユーザースクリプトを選択します。7行目の慣れ変数がtrueに設定されていることを確認したら、8行目に分単位で数値を書いて、慣れの時間制限を設定します。9 行目に 0.01 ~ 1 の数値を入力して、刺激光の明るさレベルを選択します。実験セッション用のツールボックスを準備するには、開いているユーザー スクリプトを選択し、7 行目の変数が false として定義されていることを確認します。12 行目に、実験データを自動的に保存するディレクトリ パスを入力します。正確な名前のディレクトリーが存在することを確認してください。次に、13 行目にサブジェクト ID を入力します。次に、14 行目と 15 行目の変数が true として定義されていることを確認します。完了したら、16 行目に数値を入力して試用を設定し、17 行目に時間制限を分単位で設定してプログラムを自動的に停止します。標準の5選択シリアル反応時間タスクまたは5CSRTTパラダイムのパラメータの構成については、照明可能なアパーチャの数に対応する数値を45行目に入力します。46 行目の変数は、擬似ランダムまたはランダムとして定義する必要があります。47 行目の刺激持続時間の長さを秒単位で設定します。48 行目の変数が single と表示され、49 行目の数値が 1 であるかどうかを確認します。50 行目で、ターゲット刺激の明るさを数値で定義します。64 行目の変数はバイナリーでなければなりませんが、65 行目の変数は非依存でなければなりません。次に、正しい鼻突きに続いて放出される食品ペレットの数に対応する数値をライン71に入力する。あるいは、自動化された行動訓練を可能にする異なる階段手順を定義することができる。26 行目の変数が true として定義されているかどうかを確認します。次に、29 行目に、1 番目または 2 番目のグループの名前を入力します。後で、開いた階段機能を選択します。4 行目に最初のグループの名前を入力し、77 行目に 2 番目のグループの名前を入力します。2番目のトレーニングレベルの第1グループの基準を変更するには、パフォーマンスチェックで計算されたパラメータの1つと、選択した数値を17行目に入力します。基準は追加または置換できます。2 番目のトレーニング レベルで更新される最初のグループのパラメーター (タイムアウトの期間など) を変更するには、パラメーターと選択した数値を 19 行目に入力します。サブジェクトの 2 番目のグループが定義されている場合は、それに応じて続行します。行動訓練セッションを開始する前に、動物は部屋に慣れる必要があります。ツールボックスは慣れプロトコルを提供します。馴化セッションを開始するには、それぞれの開口部に2つの報酬食物ペレットを配置してオペラントチャンバを準備する。マガジンフラップドアをテープで留めて、最初の慣れ段階まで開いたままにします。2 番目の慣れ段階で、マガジン フラップ ドアのテープを外します。マガジンドアに5つの食品ペレットを入れてオペラントチャンバーを準備します。実験トレーニングセッションを開始する前に、オペラントチャンバーの壁と床を清掃してください。セットアップの準備ができたら、開いているユーザー スクリプトを選択し、75 行目の COM 記述が選択した使用可能なポートと一致することを確認します。説明が一致しない場合は、実験対照スクリプトの数値を変更する。ラットをチャンバーに入れます。開いたユーザースクリプトで、エディタツールバータブをクリックしてから、緑色の再生ボタン[実行]を選択します。コマンド・ウィンドウ情報を読み取って、プログラムが正しく実行されているかどうかを確認します。ツールボックスは、ユーザーが以前に定義したとおりにタスクを開始します。実験セッションは、指定された試行または制限時間が経過すると自動的に停止します。セッションが終了する前に動物が事前に指定されたパフォーマンスレベルに達し、ユーザーが階段の手順を定義した場合、ツールボックスは次のトレーニングレベルをロードし、新しい設定でトレーニングを続行します。レベルは、次のトレーニングセッションの開始時に自動的にロードされます。実験を停止するには、コンピューターのキーボードの Esc キーを押します。コマンドウィンドウのディスプレイにメッセージが表示されたら、Yと入力し、コンピュータのキーボードのEnterキーを押して現在のセッションを停止し、集録したデータを保存します。その後、セッションの概要を含む簡単なグラフが自動的に表示されます。10匹のリスターフード付きラットを、5択の連続反応時間タスクツールボックスを用いて訓練した。各ラットによるトレーニングレベルごとに費やされたセッション数を分析し、すべての被験者の平均を決定した。被験者間の差異は、初期レベルで最も有意であり、後のレベルで減少した。レベル4では、パフォーマンス測定の閾値を含むように基準が変更されると、平均セッション数とラット間の分散が増加し、2匹のラットがレベルを結論付けるのに5日と6日かかりました。しかし、すべてのラットは14〜22セッション以内に第8レベルに達した。代表的な分析は、5CSRTT装置におけるトレーニングレベルごとおよびすべてのトレーニング日にわたる被験者の平均パフォーマンスを示す。精度パーセンテージと排出パーセンテージを計算し、各水準のすべての試行における正解の平均合計数を決定しました。すべての被験者が8回目の最終トレーニングレベルで最終的な精度を達成し、60%以上の最終精度を達成した多くの被験者が約80%の精度を達成しました。5つの選択肢のシリアル反応時間タスクツールボックスは、完全にカスタマイズ可能でオープンアクセスです。刺激構成とタスク設計を指定するための多くの追加オプションと、記録された行動データの包括的なセットを提供します。ツールボックスを使用すると、5つの選択肢のシリアル反応時間パラダイムの非標準バージョンを調査して、意思決定プロセスに関するより深い洞察を得たり、関連する行動に報酬を与えることができます。

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