Operante protocollen voor de beoordeling van de kosten-batenanalyse tijdens versterkte besluitvorming door knaagdieren

Samenvatting

Een kosten-batenanalyse is een weging-schaal aanpak waarmee de hersenen in de loop van de besluitvorming. Hier stellen wij een protocol te trainen ratten op een operante gebaseerde besluitvorming paradigma waar ratten kiezen hogere beloningen ten koste van het wachten op 15 s om hen te ontvangen.

Samenvatting

Versterking geleide besluitvorming is de mogelijkheid om te kiezen tussen concurrerende cursussen actie op basis van de relatieve waarde van de voordelen en de gevolgen daarvan. Dit proces is onlosmakelijk verbonden met het normale menselijke gedrag en worden verstoord door neurologische en psychiatrische aandoeningen zoals schizofrenie, verslaving en depressie is aangetoond. Knaagdieren hebben lange tijd gebruikt om het ontdekken van de neurobiologie van menselijke cognitie. Te dien einde, zijn verschillende gedrags taken ontwikkeld; echter, de meeste zijn niet-geautomatiseerde en arbeidsintensief zijn. De recente ontwikkeling van de open-source-microcontroller heeft onderzoekers voor het automatiseren van operante gebaseerde taken voor de beoordeling van een verscheidenheid van cognitieve taken, standaardisering van de presentatie van de stimulus, de opname van de gegevens te verbeteren en dus, verbetering van de onderzoeksresultaten. Hier beschrijven we een geautomatiseerde vertraging gebaseerde versterking geleide besluitvorming taak, met behulp van een operante T-maze gecontroleerd door aangepaste-geschreven software programma's. Met behulp van deze besluitvorming taken, laten we zien de veranderingen in het lokale veld mogelijke activiteiten in de voorste cingularis cortex van een rat terwijl het een vertraging gebaseerde kosten-en batenanalyse besluitvorming taak wordt uitgevoerd.

Inleiding

De besluitvorming is het proces van herkennen en selecteren van keuzes op basis van de waarden en voorkeuren van de beleidsmaker en de gevolgen van de geselecteerde actie¹. Hoewel de besluitvorming is uitgebreid bestudeerd in de verschillende velden (dat wil zeggen, economie, psychologie en neurowetenschap), neurale mechanismen die ten grondslag liggen aan deze cognitieve vermogens zijn nog niet volledig begrepen. Twee subcategorieën van besluitvorming zijn perceptuele besluitvorming en versterking geleide besluitvorming. Hoewel zij grote overlappende elementen en concepten nemen, perceptuele besluitvorming is afhankelijk van de beschikbare sensorische informatie^1,2, terwijl versterking geleide besluitvorming zich met de relatieve waarde bezighoudt van acties een specifieke tijdschaal-³gewonnen. Een belangrijk aspect van de versterkte besluitvorming is de kosten-batenanalyse die intuïtief door de hersenen wordt uitgevoerd door computing de voordelen van de bepaalde keuzes en de daaraan verbonden kosten voor elke alternatieve¹af te trekken.

De T-maze (of de variant Y-doolhof) is een van de meest gebruikte doolhoven in cognitieve experimenten met knaagdieren. Dieren zijn in het begin arm (de basis van de T) geplaatst en toegestaan om te kiezen van de doel-arm (een van de takken van de zijkant). Taken zoals een gedwongen afwisseling of links-rechts discriminatie worden vooral gebruikt met knaagdieren in de T-maze voor het testen van de referentie- en werkende geheugen⁴. T-doolhoven worden ook veel gebruikt in besluitvorming experimenten^5,6,7. In het eenvoudigste ontwerp, is de beloning in slechts één doel arm geplaatst. De keuze is voorspelbaar en dieren liever de beloning in plaats van niets, ongeacht de waarde van de beloning. Een andere optie is om de plaats van beloningen in beide armen doel en vervolgens laat de dieren maken een keuze van welk pad te nemen afhankelijk van diverse parameters (dat wil zeggen, de natuurlijke voorkeur van het dier, het verschil in de waarde van de beloningen, en de kosten worden betaald). In de waarde gebaseerde ontwerp, wordt de taak meer bemoeilijkt doordat de wegen-scale-eigenschappen. Op deze manier ontvangt een dier anders gewaardeerd beloningen door te kiezen tussen de twee alternatieven, alsmede tussen de kosten van de acties [dat wil zeggen, het bedrag van het wachten (vertraging-gebaseerd) of de hoeveelheid inspanning (inspanning-gebaseerd) die nodig zijn voor het ontvangen van beloningen], elke bij te dragen tot het besluit dat is genomen^5,6.

In traditionele vertraging gebaseerde T-maze besluit-makend, dieren zijn opgeleid om te selecteren van de hoge beloning arm (HRA) en voorkomen het tegenovergestelde lage beloning arm (LRA). De zijkanten van de HRA-server en het LRA blijven onveranderd gedurende het gehele experiment. Hoewel de taak die hierboven beschreven is goed gedocumenteerd in de literatuur, lijdt hij aan verschillende procedurele nadelen. In de eerste plaats doordat de arm van een vaste doel, weet het dier die arm om uit het begin van elke proef te kiezen. In dit scenario kunnen dieren Selecteer de doel-arm gebaseerd op hun geheugen in plaats van op de besluitvorming. Vandaar, in een vertraging gebaseerde besluitvorming paradigma, als een dier de lage beloning door de interventie van de studie selecteert, zal het niet duidelijk of dit te wijten aan een verlies van geheugen of de interventie van de studie is. Een controlegroep geheugen om te scheiden van het waargenomen gedrag van het geheugenprobleem kan worden beschouwd, maar dit bezwaart onderzoekers en dieren zowel vanwege het extra werk⁷. Een tweede punt van zorg is het moment van besluitvorming door het behandelde dier: zodra dieren bereiken de besluit-zone (de kruising van alle drie armen), ze meestal kijken naar links en naar rechts, wegen de kosten en baten met betrekking tot elke arm, en vervolgens hun beslissing. Echter na enkele proeven, ze uitvoeren van een dergelijke berekening vóór aankomst op de beschikking van de zone en simpelweg stormloop rechtstreeks aan de arm van de beloning. Als een resultaat, deze twee nadelen — een pre vooroordeel op één arm en op het moment van besluitvorming — zowel zeer onderbreken de interpretatie van elektrofysiologische en neuroimaging gegevens.

In de methode uitgelegd in deze paper, de voorkeur arm (HRA) is gecued wordt met een auditieve cue en kan variëren van proces naar proces. Dieren starten de proeven door te voeren de test zone (Figuur 1) en de auditieve cue triggering door "neus-prikken" een infrarood poort die is gelegd op de kruising van de drie armen. Het audiosignaal (20 dB, tussen 500 en 1000 ms) wordt gespeeld van een luidspreker aan het einde van de doel-arm.

Protocol

Alle procedures uitgelegd hier waren goedgekeurd en uitgevoerd volgens de richtsnoeren voor de zorg en het gebruik van proefdieren en goedgekeurd door de ethische commissie voor Florey Instituut dier of het Neuroscience Research Center.

1. behuizing, behandeling en beperking van het voedsel

1. Volwassene (normaal 8 weken oud) mannelijke ratten (alle stammen) gebruiken en houd ze in de kamer met een 12-h licht/donker cyclus.
2. Beperk de toegang van hun voedsel ter bevordering van de dieren de taak uit te voeren.
   Opmerking: Singulier huisvesting van de dieren wordt voorgesteld, aangezien het voorziet een betere controle van ieders voedselinname.
3. Op dag 1-3, omgaan met de dieren gedurende ongeveer 5 minuten, 2 x per dag.
   Opmerking: Behandeling maakt de dieren met menselijk contact en verlaagt het niveau van stress en angst bij de dieren tijdens de experimenten.
4. Weeg de dieren na elke sessie van de behandeling. Gebruik van de eerste dag gewicht als het bedrag van gratis-voeding en houd de dieren op ongeveer 80-85% van hun bedrag gratis-voeding.

2. experimentele opstelling

1. Gebruik een T-maze uitgerust met 3 partities of armen, 2 stimulans luidsprekers, 5-deurs intrekbaar, en 5 infrarood bewegingsmelders of infraroodstraal (IRB) sensoren.
   Opmerking: De T-maze kan worden geconstrueerd van medium-density vezelplaat (MDF) of van PVC (polyvinylchloride).
2. Controle van de doolhof hier gebouwd door een Arduino microcontroller.
3. De Arduino-code kopiëren naar de computer.
4. De Arduino software van de software-website downloaden en installeren op een computer.
5. De microcontroller verbinden met de computer via een USB-poort.
6. Op de computer, klik op het pictogram software, ga naar Toolsen selecteer vervolgens poort.
7. Kies uit het drop-down menu, de COM-poort (de poort van de mededeling) die de software op de computer wordt aangesloten.
8. Ga naar Tools en kies Boards. Uit de drop-down menu, selecteer het soort Arduino dat controles van de T-maze.
9. Klik op uploaden op de top links van de interface. Selecteer de code van de Arduino. Wacht totdat het proces is voltooid.
10. Klik op seriële monitor aan de bovenkant van het venster van de interface. Vervolgens in een nieuw venster van de pop-out, wijzigt u de baud-rate tot 115200.

3. de gewenning aan het doolhof

1. Voorafgaand aan elke zitting van gewenning, door de dieren te brengen in de experiment kamer minstens 1 h voorafgaand aan het experiment.
2. Laat 10 suiker pellets op elk doel arm en laat alle deuren open.
   Opmerking: In dit stadium behoeft niet aan het bijhouden van de bewegingen van de dieren (Figuur 1).
3. 1-3 dagen: plaatsen van de dieren afzonderlijk in het doolhof voor periodes van 10 minuten, 1 x per dag, om te ontdekken de doolhof met geen beperkingen.
4. 4-5 dagen: plaatsen van de dieren afzonderlijk in het doolhof. Laat 2 korrels in elke arm en laten proeven van het eten van beide kanten. Verwijder het dier uit het doolhof onmiddellijk na het eten van pellets van beide zijden of na 5 min van het zijn in de doolhof.
   Opmerking: Het belangrijkste verschil tussen deze en de vorige fase is dat dieren moeten worden verwijderd uit het doolhof onmiddellijk na het eten van pellets van beide kanten. Dit zou een dier vertrouwd met wordt verwijderd uit het doolhof aan het einde van een proces.
5. Na elke sessie, reinigen van het labyrint vloeren met 70% ethanol en zorg ervoor dat de ethanol is verdampt alvorens het volgende dier te plaatsen in het doolhof.

4. discriminatie opleiding

1. Voorbereiding van de doolhof
   1. Dag 6: Brengen de dieren naar het experiment kamer minstens 1 h voorafgaand aan het experiment.
   2. Voer het programma van de Arduino en het nummer van de proef ingesteld op 14 waarvan de eerste 4 proeven zullen worden gedwongen-keuze en de rest zal zijn keuze proeven.
      Opmerking: Het programma zal willekeurig genereren een gelijk aantal proeven wordt toegekend aan de linker- en rechterkant van de T-maze.
   3. Voor elk afzonderlijk experiment begint, plaats 4 pellets in de doel-arm die worden gecued als de HRA-server en 2 pellets in de andere tak die is van het LRA.
2. Gedwongen-keuze proces opleiding (4 proeven)
   1. Pseudo-willekeurig één arm voor elk afzonderlijk experiment te blokkeren, zodat het dier wordt gedwongen om te selecteren van de andere arm.
      Opmerking: De geblokkeerde arm kan worden een hoge beloning arm of een lage beloning arm terwijl het auditief signaal wijst op de kant van de HRA-server.
   2. Plaats een dier in het vak Begindatum (Figuur 1). Na 5-7 s, gelijktijdig de start poort open en klikt u op Start in de de Arduino interface venster.
   3. Verzamelen het dier onmiddellijk na het eten van pellets of na 5 min van het zijn in de doolhof.
   4. Laat het dier in de kooi gedurende 2 minuten.
3. Keuze proces opleiding (10 proeven)
   1. Vóór elke proef, sluit deur-B in de arm die is geselecteerd door de software de HRA-server. Laat de deur-A open in de tegenovergestelde arm (het LRA).
   2. Plaats een dier in het vak Begindatum (Figuur 1). Na 5-7 s, gelijktijdig de start poort open en klikt u op Start.
   3. Laat het dier vrij kiezen een van de takken. Als het dier de HRA-server, open deur-A kiest, laat het dier Geef de kamer afsluiten deur-A en de open deur-B onmiddellijk om het dier toegang geven tot de geselecteerde voedsel goed.
   4. Als het dier het LRA, open deur-B kiest om het dier toegang geven tot het eten goed.
   5. Verwijderen van het dier nadat het al het voedsel in het geselecteerde eten goed gegeten heeft en laat het in hun kooi gedurende 2 minuten.
   6. Vul de 10 keuze proeven voor elk dier en van het dier keuze (HRA of LRA) opnemen in elk afzonderlijk experiment.
   7. Bereken het percentage van hoge beloning keuze (HRC) voor alle keuze-proeven na elke trainingssessie.
   8. Na de voltooiing van 14 routes, de individuele tijden verkregen door elke infrarood sensor worden weergegeven in de Arduino interface venster.

5. vertraging opleiding

1. Zodra elk dier 80% van de HRC in de opleiding van discriminatie (stap 4) bereikt heeft, beginnen de vertraging-opleiding door het uitvoeren van 10 proeven per dag voor elk dier. Deur-B is in deze fase, na slechts een 5 s vertraging wordt geopend als het dier de HRA-server kiest.
2. Als het dier een HRC van 80% aan het einde van een training met een vertraging van 5 s bereikt, verhogen de vertraging aan 10 s voor de volgende trainingssessie.
3. Zodra het dier een HRC van 80% met een vertraging van 10 s bereikt, verhogen de vertraging tot en met 15 s voor de volgende trainingssessie.
4. Opnemen van het dier keuze voor elk afzonderlijk experiment voor het berekenen van de HRC na elke trainingssessie.
5. Na de voltooiing van de proeven, de individuele tijden verkregen door elke infrarood sensor worden weergegeven in de Arduino interface venster.
   Opmerking 1: De timer begint wanneer u op Enter. De 'Time_decision' is de tijd na de neus-poke de IRB-1. 'Time_left_1' is de tijd waarin een dier breekt IRB - 1L en 'Time_left_2' is wanneer IRB - 2L verbroken wordt. Als de gedrags studie wordt gecombineerd met electrofysiologie of neurale beeldvorming (bijvoorbeeldcalcium imaging) methoden, film opname wordt voorgesteld voor een betere synchronisatie van de neurale signalen gedrag van het dier.

6. elektrofysiologie (elektrode fabricage)

1. Gebruik één of bipolaire elektroden wilt opnemen van het lokale veld potentieel (LFPs).
   Opmerking: Het gebruik van bipolaire elektroden wordt voorgesteld omdat hierdoor lokaal opnieuw referencement ter vermindering van de impact van de geleiding van het volume. Daarom is het opgenomen LFP de differentiële spanning tussen 2 elektroden met een ~ 200 μm afstand tussen de tips.
2. Als u wilt een bipolaire elektrode, 2 Wolfram elektroden aan elkaar worden gelijmd of wind 2 roestvrij stalen draden samen (normaal, PFA-gecoat roestvrij stalen draden met een diameter van 50 μm worden gebruikt).
3. Soldeer de aarding en opname draden aan een mini plug/aansluiting tot een verbindingslijn in de elektrofysiologie opname-systeem.

7. anesthesie

1. Anesthetize om het implantaat de elektroden, de ratten door een intraperitoneale injectie van een mengsel van ketamine (100 mg/kg) en xylazine (8 mg/kg), of door het toedienen van Isofluraan zoals beschreven in de volgende stappen.
   Opmerking: Isofluraan wordt aanbevolen vanwege de verbeterde controle van de verdoving diepte.
2. Gebruik een verdoving machine met een gecontroleerde zuurstof en de verdoving damp stroom.
3. Als u wilt anesthetize het dier door Isofluraan, plaatst u deze in de zaal van de inductie en Isofluraan met een snelheid van ongeveer 4% en zuurstof op 500-1000 mL/min op de verdoving machine.
4. Blijven de inductie totdat de restarmen reflex van het dier verdwijnt.
5. Stelt de verdoving onderhoud-tarief op 1-2,5% Isofluraan en 300-400 mL/min zuurstof op de machine.
6. Plaats een warmte-stootkussen met isolatie (katoen, wol) op een stereotaxic apparaat en vervolgens het immobiliseren van het dier in het stereotaxic apparaat.
7. Het meten van het niveau van de verdoving door te knijpen de tenen van het dier.

8. de chirurgische procedure

1. Met behulp van een elektrisch scheerapparaat of een paar van schaar, scheerhoofd van het dier waar de incisie wordt gemaakt.
2. Schrobben het operatie gebied met ethanol en vervolgens met Povidon-jodium, 4%.
3. Toepassing oog smeermiddel ter bescherming van het dier hoornvlies tijdens de operatie.
4. Met behulp van weefsel pincet, Trek voorzichtig de huid tussen de ogen en de oren van het dier. Met behulp van schaar, knip de huid die is geknepen tussen de Tang en verwijderen van het beenvlies.
5. Gebruik waterstofperoxide te reinigen en desinfecteren van de schedel.
6. Zoek de locatie van de invoegpositie elektrode met behulp van stereotaxic coördinaten en markeren op de schedel met een permanent marker.
7. Gebruik een handheld boor om één gat voor de aarding elektrode, één voor de verankering van het implantaat, en één gat per opname elektrode te maken.
8. Plaats de elektroden op een zeer trage tempo om te minimaliseren van de mogelijke schade van de corticale en subcorticale.
9. Sluit de aarding elektrode aan de schedel met behulp van een kleine schroef.
10. Beveilig de connector-plug/aansluiting in plaats met behulp van een dun laagje van tandheelkundige acryl cement.
11. Injecteren van buprenorfine (15 µg/kg, subcutaan) of meloxicam (1-3 mg/kg, subcutaan) als een pijnstiller.
12. Laat het dier in een kooi op een verwarmde mat om te herstellen. Observeer het dier ten minste elke 30 min, totdat het is hersteld van de verdoving.

9. na procedure opleiding

1. Na de operatie, toestaan ten minste een 10-daagse herstelperiode. Huis van de dieren individueel met gratis toegang tot voedsel en water ad libitum volgen hen op een dagelijkse basis (Zie Rudebeck, Walton, Smyth, Bannerman en Rushworth⁷ voor meer informatie).
2. Start na het herstel van het dier voeding beperken tot 85% van hun bedrag gratis-voeding.
3. Omscholing van de dieren in de doolhof te herinneren aan de discriminatie fase (stap 4).
4. Continue bijscholing de muizen totdat ze hebben 80% van de HRC bereikt.

Resultaten

De hier gepresenteerde gegevens is de opgenomen LFP uit de linker orbitofrontale cortex (OFC) en de cingularis anterior cortex (ACC) van zes mannelijke Wistar ratten met behulp van bipolaire elektroden (van PFA-bekleed roestvast staal). Tabel 1 toont de gedrags overname lengte voor elk stadium van de opleiding. De coördinaten voor de doellocaties werden bepaald uit een rat brain atlas⁹ en zijn als volgt: voor de AAC, 1.2 mm anterior to de bregma, 0...

Discussie

Knaagdieren hebben al lange tijd gebruikt in neurowetenschappelijke onderzoeken die zich met verschillende onderwerpen, van cognitieve vermogens zoals leren en geheugen^2,14 en versterkte gedrag^{7,15,16 bezighouden} naar de centrale controle van organen^17,18 en neurofarmacologie^19,...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
T-labyrint			Zelf gemaakt
Stofvrije precisie suikersuikers	TSE Systems Intl. Group	F0023	45 mg, sucrose
Ketaminehydrochloride Injectie, USP	Sigma-Aldrich	6740-87-0
Xylazin	Sigma-Aldrich	7361-61-7
stereotactisch apparaat	Stoelting
Isofluran	Santa Cruz Biotechnology	sc-363629Rx
PFA-gecoate roestvrijstalen draden	A-M systemen
acrylcement	Vertex, MA, USA
(gemaakt van hout of PVC (polyvinylchloride))	plaatselijke leveranciers
Mini-Fit Power Connector	Molex	15243048
ethanol 70%	Plaatselijke leveranciers
buprenorfine	diamondback drugs
Arduino UNO	Arduino		https://www.arduino.cc/
Infrarood lichtdiode	Sharp	GL480E00000F	http://www.sharp-world.com/
Chronux Toolbox			Chronux.org
Arduino codes			https://github.com/dechuans/arduino-maze