Een volledig geautomatiseerde Knaagdieren Conditioning Protocol voor Sensomotorische Integratie en cognitieve controle-experimenten

Samenvatting

Voorgesteld wordt een volledig geautomatiseerd protocol voor knaagdieren operante conditionering. Het protocol is gebaseerd op nauwkeurige tijdelijke controle gedrags gebeurtenissen in hoeverre dit besturingselement beïnvloedt hersenactiviteit onderliggende sensorimotorische integratie en cognitieve controle-experimenten onderzocht.

Samenvatting

Knaagdieren zijn traditioneel gebruikt als een standaard diermodel laboratoriumexperimenten waarbij een groot aantal zintuiglijke, cognitieve en motorische opdrachten. Hogere cognitieve functies die nauwkeurige controle over sensomotorische reacties zoals besluitvorming en aandachtsprocessen modulatie vereisen echter worden meestal onderzocht in niet-menselijke primaten. Ondanks de rijkdom van primaten gedrag dat verschillende varianten van deze functies te bestuderen kan het knaagdier model aantrekkelijk blijft, kosteneffectief alternatief voor primaatmodellen. Bovendien is de mogelijkheid om volledig te automatiseren operante conditionering bij knaagdieren voegt unieke voordelen ten opzichte van de arbeidsintensieve opleiding van niet-humane primaten tijdens de studie een breed scala van deze complexe functies.

Hier introduceren we een protocol voor operantly conditioning ratten over het uitvoeren werkgeheugen taken. Tijdens kritieke tijdperken van de taak, het protocol zorgt ervoor dat openlijke beweging van het dier wordt geminimaliseerd door requiring het dier te 'fixeren' tot een Go cue wordt geleverd, verwant aan humane primaten experimenteel ontwerp. Een eenvoudige twee alternatieve geforceerde keuze taak wordt uitgevoerd om de prestaties te tonen. We bespreken de toepassing van dit paradigma voor andere taken.

Inleiding

Onderzoek naar de relatie tussen neurofysiologie en gedrag is het uiteindelijke doel in de systemen van de neurowetenschappen. Historisch gezien is er sprake van een afweging tussen diermodel keuze en gedragsrepertoire ^1-5 geweest. Terwijl eenvoudige organismen zoals zeeslakken ⁶ of inktvis ⁷ zijn uitgebreid gebruikt om de eigenschappen van enkele ionenkanalen, neuronen en eenvoudige neurale circuits te bestuderen, worden hogere orde soorten nodig om meer complexe functies, zoals ruimtelijke navigatie, besluitvorming ^8-11 en cognitieve studeren controle ^12-14. Ondanks dat het een standaard diermodel voor menselijke achtig gedrag, het gebruik van niet-humane primaten vraagt ​​kosten en ethische overwegingen dat het gebruik ervan in de weg staat aan de overkant van een brede waaier van experimenten in een laboratorium setting ^15-18. Eenvoudiger diermodellen zoals knaagdieren algemeen de voorkeur ^19, mits zij vergelijkbare neurale substraten grondslag liggen aan de gedragingen van belang.

"> Er is voldoende bewijs dat knaagdieren delen dezelfde corticale en subcorticale structuren zoals die gevonden in primaten ^20-22. Knaagdieren zijn ook bekend om informatie over meerdere zintuiglijke modaliteiten te integreren om hun actie te begeleiden ^23-25, bijvoorbeeld door het coördineren kloppen en snuiven tijdens verkennende gedrag ²⁶ of door het integreren van auditieve en visuele / olfactorische gebeurtenissen ^25,27.

Hier beschrijven we een kader voor operante conditionering van knaagdieren gebruikt om cognitieve taken ^28-32 testen. In dit kader zijn proefpersonen nodig te fixeren in een nosepoke gat en hun snuit te houden in het gat tot aan de presentatie van een go cue. De gedrags-taak is een vijf-gat nosepoke ontwerp dat conventioneel wordt gebruikt voor 5-keuze seriële reactietijd taak studies. Tijdens de vertragingstijd, wordt een reeks van instructie signalen gepresenteerd aan het onderwerp te begeleiden om een ​​actie uit te voeren. Dit kader kan eenvoudig worden aangepast om te passeneen breed scala aan experimenten waarbij het trainen van de onder zijn openlijke beweging over een korte tijd zoveel mogelijk te beperken is nodig. Dit maakt het bestuderen van de mate waarin stekelige activiteit van individuele neuronen met specifieke signalen tijdens dit interval. Het protocol kan de training te minimaliseren en kan leren variabiliteit over-onderwerp te verminderen. Een schematisch stroomdiagram van de taak wordt getoond in figuur 1.

Protocol

Alle procedures waarbij dieren werden goedgekeurd door de Michigan State University Institutional Animal Care en gebruik Comite (IACUC).

1. Experimentele opstelling

1. Gebruik een operante conditionering doos die bestaat uit een vijf-gat nosepoke muur aan de ene kant en een voedsel levering trog aan de andere kant.
   1. Het centrum nosepoke gat wordt beschouwd als een "fixatie" gat en de vier gaten (twee aan elke zijde van de fixatie gat) beschouwd motor doel gaten. Elk gat is uitgerust met een driekleurige LED en een infrarood straal emitter-detector die detecteert wanneer het dier binnenkomt en trekt de fixatie gat.
   2. Gebruik een programmeerbare toongenerator om dezelfde frequentie tonen op de milliseconde nauwkeurig te genereren en sluit deze aan op een luidspreker in de operante doos gemonteerd. Controle van de toongenerator en nosepokes door de gedrags-tracking systeem met behulp van de juiste software. Gebruik van een hardware en softwzijn systeem dat milliseconde tijdschaal monitoring van gedrags-evenementen en de controle van signalen en reacties geeft.
      Opmerking: De amplitude van zowel de toon en ruis signalen moet ongeveer 60 ± 3 dB SPL worden gehouden.

2. Early gewenning

1. Beperk voedselinname van de patiënt geleidelijk ~ 5 g per 100 g van normaal gewicht van de patiënt (bijvoorbeeld in de loop van 3 dagen). Het onderwerp moet blijven 85-90% van hun ad libitum gewicht.
2. Wennen het onderwerp aan de behandeling door de experimentator en vertrouwd het onderwerp met het apparaat van de eerste dag van het starten van het onthouden van voedsel protocol. Start de behandeling van de dieren en plaats deze in de operante conditionering doos terwijl het verstrekken van voedsel pellets in de pellet trog om het onderwerp aan te moedigen om de kooi te verkennen en vertrouwd te raken met de beloning van levering.

3. Onderwerp Training

1. Algemene informatie
   1. De taak hier gesuggereerd moet nauwkeurige coördinatie tussen de perceptie van een auditieve cue, het minimaliseren van bewegingen tijdens de wachttijd en de uitvoering beweging.
   2. Geleidelijk trainen het onderwerp stap-voor-stap om hen voor te bereiden op de finale gewenste gedrag.
   3. Zorg ervoor dat aan het eind van elke stap, het voorwerp behoudt> 75% gedrags prestaties voor ten minste drie opeenvolgende sessies alvorens aan de volgende stap.
   4. Zodra de laatste fase is bereikt, houden het onderwerp op het protocol voor een week te zorgen voor de prestaties wordt gehandhaafd op het gewenste niveau.
2. Start: Vertrouwd het onderwerp met de nosepoke gaten, voedsel levering haven en de associatie tussen de knipperende gaten en beloning.
   1. Selecteer een van de vier doelen op een willekeurig schema.
   2. Speel de Go cue (een witte auditieve ruis) en hou de LED in het gat te knipperen (0,3 sec pulsduur).
   3. Stel de software om het onderwerp te belonen na een bezoek aan het gat.
   4. Time-out van de proef na 30 sec als het gat niet wordt bezocht en start een nieuw proces.
   5. Gebruik geen bezoeken aan de verkeerde gaten niet belonen.
3. Target Selection: Punish foutieve bezoeken aan de nonselected gaten.
   1. Bij bezoeken aan onjuiste gaten, beëindigen het proces gevolgd door 5 seconden van black-out.
      Opmerking: Tijdens een black-out tijdperk, is de fixatie gat LED uitgeschakeld in de kooi. Dit betekent dat het onderwerp een proef niet kan initiëren en moet wachten tot de fixatie gat LED begint te knipperen.
   2. Selecteer een nieuw gat en start een nieuw proces.
4. Nosepoke: Train het onderwerp te porren in de fixatie gat om een proef te starten.
   1. Knippert een gele LED in de fixatie gat.
   2. Bij een bezoek aan de fixatie gat direct wilt afspelen Go cue en start een nieuw proces.
   3. Bestraffen onjuiste bezoeken van 5 sec, Van black-out.
5. Vertraging: Leer de onder hun neus te handhaven binnen de fixatie gat voor een bepaalde tijd (vertragingstijd) die geleidelijk wordt verhoogd als training vordert.
   1. Wacht tot het onderwerp aan de fixatie gat te bezoeken.
   2. Beëindig het proces als het onderwerp trekt binnen 500 msec. Anders, speel het Go cue.
   3. Bestraffen voortijdige intrekt door een black-out periode voor 7 sec.
   4. Beloon de juiste bezoeken door het leveren van een levensmiddel pellet.
6. Twee Cues (met licht): Verhogen en willekeurig de wachttijd lengte en de invoering van de auditieve instructie cue.
   1. De lengte van de wachttijd tot een gemiddelde van 1.5 sec.
   2. Kies een willekeurige vertraging periode lengte bij elke proef op basis van een uniforme dichtheid tussen 1.3-1.8 sec.
   3. Introduceer de instructie cue als een enkele frequentie auditieve toon gepulst in drietallen, met een pulsduur van 150 msec eninterpuls interval van 100 msec.
      1. Speel de instructie cue direct na het onderwerp komt in de fixatie gat.
      2. Wijs twee instructie signalen aan elk van de doelstellingen.
      3. Gebruik slechts een cue verbonden voor elk doel in dit stadium.
   4. Laat het onderwerp gebruiken zowel auditieve en visuele signalen naar het doel gat te selecteren.
7. Twee Cues (zonder licht): Train het onderwerp te gebruiken alleen auditieve cues.
   1. Schakel de knipperende LED's binnen een doel gaten zodat het onderwerp alleen zou gebruiken auditieve instructie cues.
8. Vier Cues: Introduceer de twee andere signalen om de volgorde van willekeurig gepresenteerd instructie signalen en herhaal secties 3.5.3-3.6.1.

4. Behavioral Data Analysis

1. Succes Rate: Definieer succes als het percentage juiste bezoeken aan de doelstellingen gedeeld door het totaal aantal pogingen.
   1. Meet het succes in elke fase van de opleiding.
2. Fout type:
   1. Voortijdige terugtrekking: meten van het percentage proeven timed-out door de vroegtijdige intrekkingen van de fixatie gat.
   2. Comission fout: Bereken het percentage van mislukte proeven wanneer het onderwerp bezoekt een geïnstrueerde doel
   3. Omissie Fout: Bereken het percentage fouten bij het onderwerp niet een van de doelen te bezoeken na proefinitiatie.
3. Gemeten variabelen:
   1. Reaction Time (RT): Voor elke proef, meet de vertraging tussen het begin van de Go cue en het onderwerp terugtrekken uit de fixatie gat.
   2. Tijd naar Target (TT): Meet de duur tussen het onderwerp terugtrekken uit de fixatie gat en het invoeren van het doel gat.

Resultaten

De voorgestelde kader maakt het trainen van het onderwerp op een reeks van cognitieve taken. Hier een opdracht vertraging taak ontworpen om de mechanismen van doelgerichte maatregelen bij knaagdieren prefrontale cortex onderzoeken uitgevoerd we. Figuur 1 toont een stroomdiagram van proefopzet.

Om het onderwerp begrijpt de vereiste taak elke stap moeten prestatienormen voortdurend worden geëvalueerd. Figuur 2 toont een voorbeelduitvoering van meerdere sessies...

Discussie

Ratten zijn op grote schaal gebruikt in neurowetenschappelijk onderzoek voor meer dan een eeuw. Sinds Thorndike's introductie van het concept van de wet van effect bij katten ^34, heeft operante conditionering de standaard benadering van de verschillende aspecten van het gedrag van dieren testen. Veel neurowetenschappelijke experimenten met besluitvorming en motorische voorbereiding omvatten een periode vertraging tussen de instructie signalen en de actie interval. Het is wenselijk om bewegingen te minimal...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
5-holed Nose Poke met 3 Stim Cue Light Rat Cage	Coulbourn	H21-06M/R
Test cage	Coulbourn	H10-11R-TC
Graphic State Software	Coulbourn
Programmable tone/noise generator	Coulbourn	A12-33
Dustless precision pellets	Bio-Serv	F0165
Speaker module	Coulbourn	H12-01R