De Aandachtsvertekening Set Shifting Taak: een maat voor cognitieve flexibiliteit in Muizen

Samenvatting

Het doel van dit protocol is om een ​​gedrags-test uit te voeren, zoals de aandachtsproblemen set verschuiven taak (AST) aan prefrontale cortex-gemedieerde cognitieve flexibiliteit bij muizen te beoordelen.

Samenvatting

Cognitieve beperkingen, met name die betrekking hebben op disfunctie van de circuits in de prefrontale cortex (PFC), vormen een kernkenmerk van veel neuropsychiatrische en neurodevelopmentele stoornissen, waaronder depressie, posttraumatische stressstoornis, schizofrenie en autismespectrumstoornis. Tekortkomingen in cognitieve functies vertegenwoordigen ook het moeilijkst te behandelen symptoomgebied, omdat serotonineheropnameremmers en tricyclische antidepressiva slechts bescheiden effecten hebben. Functionele neuroimagingstudies en postmortemanalyse van menselijk hersenweefsel wijzen erop dat de PFC een primaire regio van dysregulatie is bij patiënten met deze stoornissen. Echter, preklinische gedragstests die worden gebruikt om deze tekortkomingen te beoordelen in muismodellen die genetisch gemakkelijk kunnen worden gemanipuleerd en die de basis kunnen vormen voor studies naar nieuwe behandelingswegen, zijn onvoldoende gebruikt. Hier beschrijven we de aanpassing van een gedragstest, de attentional set shifting task (AST), om uitgevoerd te worden bij muizen om door de prefrontale cortex gemedieerde cognitieve tekortkomingen te beoordelen. De neurale circuits die ten grondslag liggen aan het gedrag tijdens de AST zijn sterk geconserveerd bij mensen, niet-menselijke primaten en knaagdieren, wat uitstekende face-, construct- en predictieve validiteit biedt.

Inleiding

De aandachtsproblemen set verschuiven taak (AST) werd ontwikkeld als een maatregel van aandacht en cognitieve flexibiliteit bij ratten meer dan tien jaar geleden ^1,2. AST is gemodelleerd naar de intradimensional / extradimensional component van de Cambridge neuropsychologische Automated Accu (Cantab) wordt gebruikt om cognitieve disfunctie bij mensen en niet-humane primaten ^3,4 identificeren. Terwijl de mogelijkheid om eenvoudige regels leren blijft intact, tekorten in het leren van een reactie wanneer de regels veranderd worden gevonden bij patiënten met diverse neuropsychiatrische stoornissen (bijvoorbeeld, schizofrenie, obsessieve compulsieve stoornis, depressie), neurodegeneratieve aandoeningen wijzigen (dwz ziekte van Parkinson) en bij patiënten met laesies aan de prefrontale cortex ^5. Meer in het algemeen zijn deze patiënten beschreven met tekorten in cognitieve flexibiliteit. Analoge tekorten aangetoond bij zowel niet-humane primaten en knaagdieren wanneer laesies to de prefrontale cortex zijn geïnduceerd ^1,6-8. Deze tekorten wijzen op een toestand van cognitieve inflexibiliteit of een verminderd vermogen om aandachtsproblemen set verschuiven.

Een aandachtsproblemen set wordt gevormd wanneer een onderwerp leert dat een set van regels kunnen worden toegepast op complexe stimuli om relevant te onderscheiden van irrelevante cues. Bijvoorbeeld, in de AST zullen dieren leren letten en reageren op de desbetreffende cue (dwz graven gemiddeld) en negeert een irrelevante cue (dwz geur), door het koppelen van een voedselbeloning met het medium. Deze vereniging wordt dan versterkt in de volgende taken waar de soort graven medium en geur verandert, maar de gepaarde associatie tussen medium en beloning blijft. Dit versterkt regel vormt een cognitieve set. Twee etappes in de AST-protocol maatregel aspecten van cognitieve flexibiliteit: omkering en de extra-dimensionale verschuiving. Bij de omkering stadium, de eerder negatieve prikkels binnen één Dimension (gemiddeld in dit voorbeeld) is nu positief dat het dier betwist de positieve prikkels uit de vorige fase negeren. Als bijvoorbeeld vilt graven medium was positief stimuli in de voorgaande fase en papier was de negatieve stimuli, nu het omgekeerde waar. Dit daagt de flexibiliteit van het dier in dat het de aandachtsprocessen set moet doen (dwz, medium is de relevante dimensie), terwijl het veranderen van de regel geleerd voor stimulans en beloning pair binnen een dimensie. De vorming van een aandachtsbias set wordt uitgedaagd op de extra-dimensionale verschuiving stadium, wanneer de irrelevante dimensie (geur in dit voorbeeld) wordt de betreffende dimensie. Een perseverative respons, zoals aangegeven door een voortdurende keuze met de eerder geleerde regel aan beide stadium weerspiegelt een tekort in cognitieve flexibiliteit.

Laesie studies in zowel niet-humane primaten en knaagdieren hebben aangetoond specifieke gebieden van de prefrontale cortex kan worden toegeschreven aan het vermogen om perfORM bepaalde stadia van de AST ^1,9. Letsels aan de orbitofrontale cortex (OFC), een subgebied van de prefrontale cortex (PFC), is aangetoond dat tekorten omkering leren op de AST ⁸ induceren. Bovendien, letsels aan de mediale prefrontale cortex (MPFC) leiden tot specifieke problemen bij het uitvoeren van de extra-dimensionale verschuiving.

Terwijl talrijke studies op de AST werden uitgevoerd bij ratten en niet-menselijke primaten, hebben betrekkelijk weinig AST gebruikt als maat voor cognitieve functie bij muizen. Gezien het gemak van genetische manipulatie bij muizen, en de kritische noodzaak om prefrontale cortex functie te meten in het bestuderen van diverse aandoeningen, aanpassen en valideren van deze gedragsproblemen maatregel bij muizen is een belangrijke aanvulling op het onderzoek naar ziekten die samenhangen met PFC disfunctie. De hier beschreven protocol is een modificatie van de procedure Birrell en Brown ¹ die is geoptimaliseerd voor toepassing in muizen en weerspiegelt veel van de muis specific aanpassingen die eerder zijn gemeld ^2,6,10-13.

Protocol

OPMERKING: dieren die in deze studie zijn mannelijke C57BL / 6J muizen van 4 tot 6 maanden voor optimale resultaten. Muizen worden gehouden op een omgekeerde lichtcyclus om ze gemakkelijk te testen tijdens de actieve (donkere) fase. Wanneer gedrag wordt uitgevoerd in een ruimte gescheiden behuizing worden muizen over ten minste 1 uur op volgende transport wennen aan de testkamer. Behavioral tests worden uitgevoerd onder rood licht minimaliseren verstoring van de normale activiteit van de muizen zo min mogelijk terwijl nog steeds de experimentator voldoende verlichting aan de testsessie visueel controleren.

OPMERKING: Alle aspecten van de hierin beschreven experimentele procedure werden uitgevoerd in overeenstemming uitgevoerd met de Gids voor de zorg en het gebruik van proefdieren, 8e editie (NRC) en goedgekeurd door de Institutional Animal Care en gebruik Comite aan de Universiteit van Texas Health Science Center in San Antonio.

1. Experimentele Setup

1. Vul keramische schaaltjes (niet-poreuze; 1,5 "diepte x 2,5 diameter"), om binnenrand met het graven medium (ongeveer 1 "van beneden); filterpapier rondes in tweeën gesneden en geplakt is aan binnenkant van de achterflap van schaaltje (figuur 1A)
2. Breken licht zoete droge ontbijtgranen (voedsel beloning) - Honey Nut of suiker gecoate rassen, in ongeveer 20 mg stukken voor acclimatisatie, training en testen fasen.
3. Maak een aandachtsbias set verschuiven taak (AST) kamer (Figuur 1B): acclimatiseren trein en testen van elke muis in individuele kamers; aanbevelen productie van ten minste 8 kamers.
   1. Bouw een 12 "x 8" x 7 "AST kamer; muren en start poort gemaakt van ondoorzichtig wit acryl, dat is eenvoudig te reinigen met 70% ethanol. De guillotine-stijl, verwijderbare starthek scheidt kamer in een wachtruimte (5 "x 8") en testen (7 "x 8").
   2. Een duidelijke 5221; x7 "verwijderbare partitie die twee kanten van testgebied gelijkmatig scheidt; drie gesneden ¼ "diameter gaten in bodemdeel van partitie snuiven toegang op afstand 1 toestaan" apart en 1 "van de voorzijde van de partitie (figuur 1C).

2. Procedure Overzicht (figuur 2)

1. Voorafgaand aan AST, huismuizen individueel en hen in staat stellen zich aan te passen aan een omgekeerde licht cyclus gedurende ten minste een week.
2. Acclimatiseren, trein en testen van elk dier in individuele testkamers. Wijs elke kamer een muis en schoon met 70% ethanol na het beëindigen van de laatste dag van het testen. Dit zal stress te minimaliseren tijdens het testen door het maken van de kamer ruiken als "thuis-kooi" of "zelf".
3. Geur proeven potten 2 dagen voorafgaand aan het testen om de geur te verdrijven; muizen zullen niet graven in potten die een zeer sterke geur hebben. Met behulp van een spuit met een 25 G naald, voeg ongeveer 0,1 mlessentiële olie naar de top van het filterpapier.

3. Behandeling (Dagen 1-8)

1. Handvat muizen vanaf 8 dagen voor de eerste dag van voedselrestrictie. Dit zal stress in verband met de behandeling tijdens het testen te verminderen.
2. Weeg en opnemen lichaamsgewicht elke dag van de behandeling. Behandel elke muis 2-3 minuten per dag.
3. Als er meerdere onderzoekers moeten worden betrokken bij het testen van een reeks van muizen, ervoor te zorgen dat elke onderzoeker participeert in het verwerkingsproces om bekendheid te verhogen met onderzoekers en het verminderen van stress en angst ervaren op training of testen dagen.
4. Doorgaan behandeling en opname gewichten gedurende de duur van de test.

4. beperking Eten (Dagen 9-12)

1. Beginnend 4 dagen voor de start van acclimatisering, plaats muizen op een dieet muizen handhaven op 80-85% van hun voedingssysteem lichaamsgewicht. Geef 1 gram voedsel per muis per dag. Als het lichaamsgewicht daalthet opgegeven bereik te geven 2 gram per dag, totdat ze terugkeren naar het juiste bereik.
2. Plaats 2 schaaltjes aan de voorzijde van elke kooi zodat muizen te acclimatiseren aan het testen potten. Dit zijn dezelfde plekken gebruikt om de muis te trainen om te graven voor een voedsel beloning.
3. Voeg 2 gram voedsel en 1 stuk voedselbeloning (half stuk graan in elk) in de schaaltjes per dag gedurende 4 dagen.
4. Als gedrag wordt uitgevoerd in een aparte ruimte dan die waar de muizen ondergebracht, vanaf dag 1 van voedselrestrictie, transport muizen de testkamer tenminste 1 uur per dag voor terugkeer naar de behuizing kamer om ze wennen aan de testkamer.
5. Op de laatste dag van voedsel beperking, voor de start van acclimatisering, veranderen hun kooi beddengoed. De kooi beddengoed zal niet meer worden gewijzigd nadat het testen is voltooid om stress of angst ervaren te verminderen tijdens de training en testen (tenzij het absoluut noodzakelijk).
6. Onderhoudenmuizen op voedsel beperking tot het einde van het testen. Op dagen 13-17, geef muizen voedsel na acclimatisering, training, of het testen op basis van een schatting van de hoeveelheid voedsel beloning verbruikt (meestal <1 g van voedsel pellet).

5. Acclimatisering (Dagen 13-14)

1. Beginnend 2 dagen voor aanvang van de opleiding, uit te voeren acclimatisatie tijdens de donkere cyclus onder rood licht.
2. Smeer een kleine hoeveelheid vuil strooisel uit de kooi in de kamer, zal dit de stress van het zijn in een nieuwe omgeving te verminderen door de invoering van een vertrouwde "home-kooi" of "zelf" ruiken aan de testkamer (dezelfde kamer zal zijn gebruikt voor een enkele muis voor de duur van de opleiding en het testen).
3. Plaats een schoon schaaltje met water in de wachtruimte van de kamer; muizen hebben de neiging om niet te eten als ze geen toegang tot water hebben.
4. Plaats de twee schaaltjes die zijn gebruikt voor voedselrestrictie in proeven met een voedselbeloning (~ 20mg stuk graan) in elk.
5. Plaats de muis in de wachtruimte; verwijder de start hek en laat de muis om de kamer te verkennen gedurende 1 uur.
6. Continu Voedselbeloningen (~ 20 mg stuk graan) om de lege schaaltjes toe te voegen om de muizen te moedigen de testruimte en potten regelmatig onderzoeken.
7. Controleer of de muis de experimentator kan zien gedurende de acclimatiseringsperiode zodat de aanwezigheid van de experimentator geen extra stressor tijdens het testen.

6. Training (Dag 15)

1. Plaats de muis in de wachtruimte.
2. Plaats de lege schaaltjes, elk met een voedsel beloning (~ 20 mg stuk graan), in de testruimte en til de start gate. Laat de muis 3 min voor zowel voedsel beloningen te halen. Herhaal deze stap meerdere malen.
3. Voeg geleidelijk zaagsel / muis kooi beddengoed om de potten in de daaropvolgende studies. Laat de muis 3 min om het voedsel beloning van elke pot te halen voor het beëindigen van de trial. Zodra de muis het voedsel beloning heeft opgehaald uit elke pot, ga dan naar de volgende proef. Als de muis niet pogingen te doen bij het ​​graven van zodra het eten beloning gedeeltelijk overdekt is, kan hints worden verstrekt (dwz, strooi ontbijtgranen stof op het gebied van het voedsel beloning, maak een inspringing in het zaagsel op gebied van voedsel beloning, bloot te leggen deel van de voedselbeloning).
4. Doorgaan zaagsel / beddengoed voegen na elke proef tot het eten beloning volledig bedekt is en de muis toont het vermogen om te graven in een volle pot aan de voedselbeloning vinden betrouwbaar.
5. Als een muis is niet betrouwbaar gebleken de mogelijkheid om een ​​levensmiddel beloning in een volle pot te vinden binnen 2 uur na de start van de opleiding, blijven een tweede dag van de opleiding. Handhaving van de muis op voedsel beperking en herhaal deze procedure de volgende dag.
6. Als de muis niet graven een voedselbeloning na twee opeenvolgende dagen, uitsluiten van de rest van het experiment en annoteren als "niet graven" in de experimental record.

7. Testen (Dagen 16-17):

1. Op dag één, testen eenvoudige discriminatie (SD), discriminatie verbinding (CD), omkering (R1), en intra-dimensionale verschuiving (IDS).
2. Op dag twee, test de intra-dimensionale verschuiving 2 (IDS2), intra-dimensionale verschuiving 3 (IDS3), omkering 2 (R2; optioneel), extra-dimensionale verschuiving (EDS).
3. Paar media en geuren zoals getoond in tabel 1.
4. Op het moment van de behandeling op het testen van de dag, geef muizen één voedsel beloning voor een gebrek aan focus te vermijden tijdens het testen als gevolg van de honger. Vanaf dit punt tot aan het einde van de testdag, geven geen voedsel behalve beloningen voor de juiste keuzes.
5. Begin tests van pincet (beperkt de verspreiding van geuren tussen potten), plaats een stuk van het levensmiddel beloning in de pot die een juiste keuze aangeeft. Het eten beloning moet volledig worden gedekt door de media (zie figuur 3). Om een ​​geur cue uit het voedsel beloning te voorkomen, strooi ontbijtgranen stof oVer van alle potten bij de start van de etappe.
6. Plaats de muis in de wachtruimte met de start poort gesloten. Plaats de potten aan weerszijden van de testkamer. Het proces begint wanneer de startplaats verwijderd en de timer wordt gestart. Laat elke muis 3 min per proef om een ​​keuze te maken. Noteer de keuze (juist of onjuist) en de tijd totdat de muis een keuze gemaakt voor elk onderzoek.
   OPMERKING: Een "keuze" wordt aangegeven door een poging te graven in beide pot. Een opgraving wordt alleen opgenomen als een keuze als de muis de media heeft verplaatst en stak zijn neus ver genoeg in de ruimte creëert om het voedsel beloning of verplaatst genoeg van de media om het voedsel te belonen ontdekken vinden. Als een muis een keuze binnen 3 minuten niet heeft gemaakt, deze wordt opgenomen als er geen keuze (verkeerd).
7. Zodra een keuze is gemaakt voor een van beide pot, verwijder de pot die niet werd gekozen uit de testkamer. Als een correcte keuze is gemaakt, kan de muis om het voedsel te belonen afmaken voordat het plaatsen van de muis terug inde wachtruimte. Als er een verkeerde keuze is gemaakt, kan de muis om de pot te verkennen om te laten zien dat er geen voedsel beloning voor die keuze alvorens terug te keren met de muis naar de wachtruimte.
8. Aan het einde van elke test, plaats de muis terug in de wachtruimte en vervang de startplaats.
9. Zorg ervoor dat de muis voldoet aan het criterium van 8 correcte proeven achtereenvolgens door te gaan naar de volgende fase van AST. Als een muis niet correct 8 keuzes achtereenvolgens binnen 50 proeven verkrijgen, mislukt dat stadium en niet kan bewegen op de proef te voltooien. 6 opeenvolgende geen keuzes (3 min zonder keuze) is een mislukking om deel te nemen en verbiedt de muis van de overgang naar de volgende fase.

Resultaten

De typische afhankelijke maatregel in deze test is het aantal proeven per podium om criterium (of 8 correcte opeenvolgende keuzes) te voldoen. Figuur 4A toont het gemiddelde aantal proeven te voldoen aan het criterium in elke fase van onbehandelde C57BL / 6J met behulp van de AST. Als muizen vormen een aandachtsbias set op de relevante cue dimensie (geur of media), zal de prestaties te verbeteren, zoals aangegeven door een vermindering van de proeven te voldoen aan het criterium in opeenvolgende intradi...

Discussie

Tekortkomingen in cognitieve flexibiliteit gemedieerd door de PFC vertegenwoordigen een significante invaliditeit geassocieerd met een verscheidenheid van neurologische en neuropsychiatrische aandoeningen, en kan een grote invloed op het resultaat en kwaliteit van leven van individuen die lijden aan deze aandoeningen. Optimalisatie van het AST voor gebruik in muizen is essentieel voor het onderzoek naar genetische risicofactoren bij ziekten verbonden met corticale gemedieerde cognitieve dysfunctie prefrontale. Wij hebbe...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Testing Chamber			Gemaakt in huis, specificaties zijn te vinden in het protocol
3 oz. Ramekins	BIA Cordon Bleu	900002S12	Gekocht op amazon.com
Essentiële Oliën:	Fronteir Natural Products Co-Op		Gekocht op http://www.frontiercoop.com/prodlist.php?ct=anpceoeo
Kruidenakker		191114
Rode tijm		191140
Citroen		190810
Kaneelblad		191111
Rozemarijn		191133
Citronella Java		191112
Vanille in jojoba-olie		191231
Anijszaad		191102
Gember		191121
Nootmuskaat		191161
Filterpapier, 9,0 cm diameter	VWR International	28310-048	Gekocht op https://us.vwr.com/
Graafmedium
Raffia	Ashland 8 oz Raffia		Gekocht op http://www.michaels.com/ Snijd in 1/2" tot 1" stroken
Groen vilt	Creatology Basic Felt Forest/Dark Green 36 in x 36 in		Gekocht op http://www.michaels.com/ Snijd in 1 cm x 1 cm vierkantjes
Bruine schuim	Creatology Fun Foam 18 x 12 in vellen (lichtbruin/bruin)		Gekocht op http://www.michaels.com/ Snijd in 1/2 cm x 2 cm rechthoeken
Crepepapier (geel)	Celebrate It Paper Crinkle 4 oz geel jumbo		Gekocht op http://www.michaels.com/ Snijd in 1/2" tot 1" stroken
Lint (turquoise)	Celebrate It Wide Ribbon 4 in x 10 yd 100% polyester		Gekocht op http://www.michaels.com/ Snijd in 1 cm x 1 cm vierkantjes
Metallisch	Celebrate It Metallic Crinkle Gold 2 oz		Gekocht op http://www.michaels.com/ Snijd in 1/2" tot 1" stroken
Googly Eyes, 4 mm		ME4144	Gekocht op http://factorydirectcraft.com/index.php
Zwarte pailletten, 3 mm		8780BK
Roze pompons, 1/4 inch		1018221
Pijpenreinigers, rood		108430
Beddelingsmateriaal/zaagsel			Verkregen van interne dierenbronnen
Timer	Control Company	5000	Gekocht op http://www.control3.com/5000p.htm
Licht gezoete droge ontbijtgranen	HEB		Honingnoten geroosterde havermout gebruikt in het beschreven protocol, elke licht zoete gecoate ontbijtgranen wordt aanbevolen