감각 운동 통합 및인지 제어 실험을 위해 완전 자동화 된 설치류 컨디셔닝 프로토콜

다음 실험의 전반적인 목표는 복잡한 인지 과제를 테스트하기 위해 설치류의 조작적 조건형성을 위한 자동화된 행동 프레임워크를 도입하는 것입니다. 행동 과제는 5가지 선택 연속 반응 시간 과제 연구에 관습적으로 사용되는 5개 구멍 코 찌르기(nose poke) 설계입니다. 피험체는 짧은 지연 시간 후 'go' 신호가 제시될 때까지 고정 구멍 안에 코를 유지해야 합니다.

피험자가 보상을 받기 위해 향후 운동 표적을 선택하도록 안내하기 위해 고정 단계(fixation epoch) 동안 청각 지시 신호가 제시됩니다. 청각 신호를 사용하면 서로 다른 과제 단계 간의 전환을 명확하게 정의할 수 있으며, 작업 기억, 의사 결정 및 운동 계획의 신경 메커니즘뿐만 아니라 행동의 다양한 측면을 연구할 수 있습니다. 미로 탐색 실험과 같은 기존 방법과 비교했을 때 이 기술의 주요 장점은, 과제의 결정적인 단계 동안 피험자의 이동 경로에 따른 체계적 변동으로 인해 혼동을 줄 수 있는 외적 운동 행동이 최소화된다는 점입니다.

이 방법은 운동 제어에 대한 통찰을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 지각, 주의력, 기억 형성 등 다른 고차원적 인지 과정을 조사하는 연구에도 활용될 수 있습니다. 실험 절차 시연은 저희 연구실의 학부생인 Dylan Miller가 진행하겠습니다. 다음 연구는 한쪽 면에 5개의 구멍이 있는 노즈 포크(nose poke) 벽이 있고 반대편에 먹이 공급 트러프(trough)가 있는 조작 조건 형성 상자에서 수행됩니다.

중앙의 nose poke 구멍은 고정 구멍으로 간주되며, 고정 구멍 양옆에 각각 두 개씩 위치한 나머지 네 개의 구멍은 운동 표적 구멍으로 간주됩니다. 각 구멍에는 삼색 LED와 동물이 고정 구멍에 진입하거나 물러나는 시점을 감지하는 적외선 빔 방출기-검출기 시스템이 장착되어 있습니다. 프로그래밍 가능한 톤 발생기는 밀리초 정밀도로 단일 주파수 톤을 생성하며, 이는 오페라 박스 내부에 장착된 스피커와 연결되어 있습니다.

톤 발생기와 노즈 포크(nose poke) 홀은 행동 추적 시스템을 통해 제어됩니다. 습관화 기간 동안 전용 소프트웨어를 사용하여 매일 동물을 핸들링하고, 동물이 조작 조건 형성 챔버와 먹이 호퍼를 탐색하도록 합니다. 3일 동안 먹이 섭취량을 점진적으로 제한하여 원래 체중의 85~90%가 되도록 합니다. 첫 번째 단계는 피험자에게 노즈 포크 홀과 먹이 공급 포트를 익히게 하고, 깜빡이는 홀과 보상 사이의 연관성을 학습시키는 것입니다.

이를 위해, 무작위 일정에 따라 두 개의 표적 중 하나를 선택하고, 구멍 내부의 LED가 깜빡이는 동안 백색 소음의 go 큐를 재생합니다. 피험자가 구멍을 방문했을 때 보상을 제공하도록 소프트웨어를 설정하십시오. 30초 동안 구멍 방문이 이루어지지 않으면 시행을 종료하고, 표적 선택을 돕기 위해 새로운 시행을 시작하십시오.

잘못된 구멍을 방문한 경우에는 해당 시행을 종료하고 5초간 암흑 상태(blackout)를 유지하여 처벌합니다. 그다음, 새로운 구멍을 선택하고 원하는 수준의 수행 능력이 달성될 때까지 새로운 시행을 시작합니다. 피험자가 고정 구멍(fixation hole) 내부를 찌르도록 훈련시킵니다.

시행을 시작하려면 고정 홀 내부에 노란색 LED를 점멸합니다. 피험자가 고정 홀에 접근하는 즉시 go 큐를 재생하고 새로운 시행을 시작합니다. 피험자가 고정 홀에 접근하는 법을 익히면, 정해진 시간 동안 코를 홀 내부에 유지하도록 훈련시킵니다.

이를 위해 피험자가 고정 구멍(fixation hole)에 도달할 때까지 기다린 후 시행을 종료합니다. 피험자가 500 milliseconds 이내에 후퇴할 경우, 조기 후퇴에 대한 벌칙으로 7초 동안 블랙아웃 기간을 적용합니다. 그렇지 않으면 go 신호를 재생하고, 정확하게 도달한 경우 먹이 펠릿을 제공하여 보상합니다.

다음 단계는 청각 지시 큐를 단일 주파수 청각 톤으로 도입하는 것이며, 이는 펄스 지속 시간 150 milliseconds 및 펄스 간 간격 100 milliseconds의 펄스 및 트리플렛 형태로 제공됩니다. 또한, 지연 기간의 길이를 평균 1.5 seconds로 늘립니다. 각 시행마다 1.3 seconds에서 1.8 seconds 사이의 균등 분포를 기반으로 무작위 지연 기간 길이를 선택하십시오.

피험자가 고정 홀(fixation hole)에 진입한 직후에 지시 신호를 재생하십시오. 각 타겟에 두 개의 지시 신호를 할당하십시오. 다만, 피험자가 과제에 더 익숙해질 때까지 이 단계에서는 각 타겟에 대해 하나의 관련 신호만 사용하십시오.

피험자가 원하는 수행 수준에 도달할 때까지 청각 및 시각적 단서를 모두 사용하여 표적 구멍을 선택하게 합니다. 피험자가 청각적 단서만 사용하도록 훈련시키려면, 표적 구멍 내부의 점멸 LED를 꺼서 피험자가 청각적 지시 단서만 사용할 수 있게 합니다. 원하는 수행 수준에 도달하면 무작위로 제시되는 지시 단서 시퀀스에 다른 두 가지 단서를 도입하고, 훈련 단계를 반복합니다.

각 단계의 종료 시점에서, 피험자가 다음 단계로 넘어가기 전에 최소 3회 연속 세션 동안 75% 이상의 행동 수행 능력을 유지하는지 확인하십시오. 최종 단계에 도달하면, 수행 능력이 원하는 수준으로 유지되는지 확인하기 위해 일주일 동안 해당 프로토콜을 계속 유지하십시오. 성공률은 전체 시행 횟수 대비 타겟에 정확하게 방문한 횟수의 백분율로 정의합니다.

훈련의 각 단계에서 성공률을 측정해야 합니다. 서로 다른 오류 유형에는 조기 회수, 고정 구멍에서 조기에 회수하여 시간 초과가 발생한 시행의 비율인 고정 구멍 위반 오류, 피험자가 설정되지 않은 타겟을 방문하여 실패한 시행의 비율, 그리고 시행 시작 후 피험자가 어떤 타겟도 방문하지 않았을 때의 오류 비율인 임무 오류가 포함됩니다.

각 시행마다 go 신호의 시작과 피험자가 고정 구멍에서 물러나는 시간 사이의 지연으로 정의되는 반응 시간을 측정합니다. 타겟 도달 시간은 피험자가 고정 구멍에서 물러나 타겟 구멍에 들어갈 때까지의 지속 시간으로 측정합니다. 이 예시는 14회의 기록 세션에 걸친 단일 피험자의 성공률을 보여줍니다.

오류 유형은 조기 회수가 지배적이며, 작위 오류와 누락 오류는 덜 빈번하게 발생합니다. 이 히스토그램은 여러 시행에 걸친 반응 시간의 분포를 보여줍니다. 여기서는 여러 시행에 걸친 표적 도달 시간의 분포가 표시되어 있습니다.

피험자가 과제를 습득한 후, 32채널 미세 전극 어레이를 이식하였습니다. 전대상피질(prelimbic area)의 샘플 트레이스가 22개의 유닛을 나타내는 래스터 플롯(raster plot)과 나란히 표시되어 있습니다. 동시에 기록된 유닛들과 행동 이벤트 마커가 트레이스 위에 표시되어 있습니다.

이 절차를 수행할 때는 각 훈련 세션 전에 Perus를 확인하고, 세션 후에는 피험자의 수행 능력을 모니터링하는 것이 중요합니다. 행동 점수가 크게 감소한 경우, 개발 이후의 장비 오작동이 원인일 수 있습니다. 이 기술은 인지 신경과학 분야의 연구자들이 목표 지향적 행동의 하향식 제어를 탐구하는 길을 열어줄 것입니다.