Operante procedures voor het evalueren Behavioral Flexibiliteit in Ratten
15 februari 2015
De mogelijkheid om executieve functies zoals gedragsflexibiliteit bij ratten te beoordelen, is nuttig voor het onderzoeken van de neurobiologie van cognitie bij zowel intacte dieren als bij ziektemodellen. Hier beschrijven we geautomatiseerde taken voor het beoordelen van strategieverschuiving en omgekeerde leerprocessen, die bijzonder gevoelig zijn voor verstoringen in prefrontale corticale netwerken.
Het algemene doel van het volgende experiment is om gedragsflexibiliteit te beoordelen, inclusief set shifting en reversal learning bij ratten, met behulp van een geautomatiseerde operante methode. Dit wordt bereikt door de dieren eerst voor te trainen op het drukken van de hendel om hen vertrouwd te maken met de uitbreiding en terugtrekking van de hendels en om consistente rapportage te garanderen. Vervolgens worden de dieren getest op de eerste taak van de gewenste reeks.
Bijvoorbeeld, de visuele cue discriminatie in de wachtrij tot responssequentie, die de capaciteit van het dier vaststelt om een discriminatieregel te leren. Vervolgens worden de dieren getest op de tweede taak van de gewenste reeks om de gedragsflexibiliteit van het dier te beoordelen, dat wil zeggen hun vermogen om van de ene regel naar de andere te schakelen. De resultaten tonen effecten op verschillende aspecten van gedragsflexibiliteit op basis van verschillende farmacologische of anatomische manipulaties.
Het belangrijkste voordeel van deze techniek ten opzichte van bestaande methoden zoals op labyrinten gebaseerde of gravende taken, is dat er een grotere stimuluscontrole en standaardisatie is, en de snelheid van gegevensverzameling aanzienlijk is verhoogd. De procedure zal worden gedemonstreerd door Bradley Roberts, een bachelorstudent uit mijn laboratorium voor het uitvoeren van gedragsflexibiliteitstests bij ratten. Gebruik operante kamers uitgerust met minimaal twee intrekbare hendels die aan beide zijden van een centrale versterkingsleveringsgebied zijn geplaatst, twee stimuluslichten, één boven elke hendel, een huislicht en een versterkingsdispenser.
Zorg ervoor dat het huislicht de hele kamer verlicht zonder de detectie van de stimuluslichten te verstoren. Gebruik smakelijk voedsel voor versterking, zoals 45 milligram sucrosepellets. Bedien de stimuluspresentatie, hendelbediening en gegevensverzameling via een interface met een computer.
Verwijs naar het tekstprotocol voor aanvullende details om de ratten voor te trainen. Volg de richtlijnen in het tekstprotocol en geef de ratten trainingssessies met intrekbare hendels om hen vertrouwd te maken met de uitbreiding en terugtrekking van de hendels en om ervoor te zorgen dat de ratten relatief weinig omissies maken tegen de tijd dat ze doorgaan naar de hoofdtestfasen van de taak. Bepaal tijdens elke proef welke hendel moet worden uitgebreid, wissel afwisselend de uitbreiding van de hendels in een pseudo-willekeurige volgorde, zodat er 45 proeven met de linkerhendel en 45 proeven met de rechterhendel zijn, maar niet meer dan twee opeenvolgende proeven.
Verleng dezelfde hendel, verleng de geselecteerde hendel. Beloon het dier nadat het binnen 10 seconden op de hendel heeft gedrukt, waarna de hendel wordt teruggetrokken. Als het dier niet binnen 10 seconden reageert, trek dan de hendel terug en noteer een omissie.
Ga door met 30 minuten durende trainingssessies met intrekbare hendels gedurende een vast aantal dagen of totdat dieren voldoen aan een minimumcriterium van vijf of minder omissies gedurende twee opeenvolgende dagen om dieren te testen op de wachtrij tot responssequentie, die een van de twee mogelijke testsequenties voor strategieverschuiving vertegenwoordigt. Begin met het testen van dieren op de Q-taak. Deze taak beloont dieren om te reageren op de hendel onder het verlichte stimuluslicht, en is de vaste taak in de sequentie.
Begin elke proef met beide hendels teruggetrokken, verlicht de linker- of rechterstimuluslicht gedurende drie seconden. Verleng vervolgens beide hendels in de kamer gedurende 10 seconden of tot er een reactie optreedt. Beloon alleen een correcte reactie op de aangegeven hendel na een reactie op welke hendel dan ook.
Trek de hendels terug. Begin proeven elke 20 seconden gedurende de sessie. Bepaal pseudo-willekeurig de volgorde van proeven zodat er niet meer dan twee opeenvolgende proeven plaatsvinden met hetzelfde stimulus.
Licht verlicht. Ga door met proeven totdat een dier 10 opeenvolgende correcte reacties heeft voltooid en een minimum van 30 proeven heeft voltooid of totdat 150 tot 200 proeven zijn voltooid zonder het criterium te bereiken. Op de volgende dag, na het bereiken van het criterium op de Q-taak, verschuift u dieren naar de responstaak, die de verschuift taak in de sequentie vertegenwoordigt en die dieren beloont voor reageren op de hendel tegenover hun zijdevoorkeur.
Ongeacht de cue, begin met beide hendels teruggetrokken, verlicht pseudo-willekeurig gedurende drie seconden een van de stimuluslichten, vervolgens verleng beide hendels in de kamer gedurende 10 seconden of tot er een reactie optreedt. Beloon alleen een reactie op de hendel op de juiste positie tegenover de zijde van het dier, voorkeur na een reactie op welke hendel dan ook. Trek de hendels terug, ga door met proeven totdat het dier het criterium van 10 opeenvolgende correcte reacties heeft bereikt.
Efficiënt strategieverschuiven is afhankelijk van de mediale prefrontale cortex. Op de eerste dag van de behandeling heeft prefrontale inactivatie de prestaties op de Q set-taak niet beïnvloed. Echter, prefrontale inactivatie op de tweede dag beïnvloedde de prestaties in de responsverschuivingstaak significant, omdat dieren meer proeven nodig hadden om het prestatiecriterium te bereiken.
In vergelijking vertoonde de omkering van de responsdiscriminatie geen afhankelijkheid van de mediale prefrontale cortex. Dieren die inactivatie van de prefrontale cortex kregen op de omkeringsdag, verschilden niet van met saline geïnfundeerde dieren, wat eerdere onderzoeken ondersteunt die aantonen dat de orbitale frontale cortex, en niet de mediale prefrontale cortex, het omkeren van leren reguleert bij een verscheidenheid aan taken. Om te demonstreren hoe herinneringsproeven kunnen helpen bij het interpreteren van gegevens, verwierven ratten een visuele Q-regel op dag één.
Op dag twee ontvingen ratten voertuig of hallal peritol en kregen vervolgens 20 herinneringsproeven van dag één voordat ze overschakelden naar responsdiscriminatie. De resultaten tonen aan dat hallal peritol de herinnering aan de visuele cue tijdens de herinneringsproeven beïnvloedde. Vervolgens hadden de met hallal
Overzicht
Deze studie onderzoekt de gedragsflexibiliteit bij ratten, met een focus op strategiewisseling en omkeerleerproces via geautomatiseerde taken. Deze taken zijn ontworpen om de impact van verstoringen in de prefrontale cortex op cognitieve functies te beoordelen.
Belangrijke studiecomponenten
Wetenschappelijk gebied
- Neurowetenschap
- Gedragspsychologie
- Diermodellen
Achtergrond
- Gedragsflexibiliteit is cruciaal voor het begrijpen van cognitieve processen.
- Ratten dienen als effectieve modellen voor het bestuderen van executieve functies.
- Geautomatiseerde methoden verbeteren de betrouwbaarheid van gedragsbeoordelingen.
- De betrokkenheid van de prefrontale cortex bij cognitieve taken is goed gedocumenteerd.
Doel van de studie
- Om de gedragsflexibiliteit bij ratten te beoordelen met behulp van geautomatiseerde operante taken.
- Om de effecten van farmacologische manipulaties op de cognitieve prestaties te evalueren.
- Om de standaardisatie van gedragstests methoden te verbeteren.
Gebruikte methoden
- Operante conditionering met intrekbare hendels voor gedragstaken.
- Pre-trainingssessies om de ratten met de taak vertrouwd te maken.
- Testen van visuele cue-discriminatie en response-shifting taken.
- Gegevensverzameling via een computerinterface voor nauwkeurigheid.
Belangrijkste resultaten
- Prefrontale inactivatie verslechterde de prestaties bij taken voor strategiewisseling.
- Omkeerleerproces was niet afhankelijk van de mediale prefrontale cortex.
- Herinneringstests beïnvloedden de interpretatie van de gedragsresultaten.
- Farmacologische effecten werden waargenomen op cognitieve ophaalprocessen.
Conclusies
- Geautomatiseerde taken bieden een betrouwbaar kader voor het beoordelen van cognitieve flexibiliteit.
- De mediale prefrontale cortex speelt een cruciale rol bij het wisselen van strategieën.
- Inzicht in deze mechanismen kan bijdragen aan onderzoek naar cognitieve stoornissen.
Veelgestelde vragen
Relevantie voor de Industrie
Assays voor gedragsflexibiliteit zijn essentieel voor het beperken van risico's bij de ontdekking van neuropsychiatrische geneesmiddelen, doordat ze mechanistische analyse van domeinen van executieve functies mogelijk maken. Geautomatiseerde operante methoden bieden gestandaardiseerde high-throughput read-outs die targetvalidatie en voorspellende modellering in ziekterelevante systemen ondersteunen. Deze aanpak verbetert de translationele continuïteit van basisneurobiologie naar preklinische screening in modellen van schizofrenie, depressie en cognitieve stoornissen.
Strategische Toepassingen in Biofarmaceutisch O&O
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt onderzoek mogelijk naar de bijdragen van de prefrontale cortex aan strategiewisseling en reversal learning, wat het testen van doelhypothesen ondersteunt.
- Operationele waarde: Geautomatiseerde lever-press taken standaardiseren de stimuluspresentatie en responsmeting, waardoor variabiliteit in gedragsmatige eindpunten wordt verminderd.
- Voorspellende waarde: De dissociatie van de afhankelijkheid van de mediale prefrontale cortex bij wisseling versus reversal informeert mechanisme-gebaseerde doelselectie en risicoreductie.
Screening en assay-ontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Kwantificeert de acquisitie van regels en de prestaties bij een shift via trial-to-criterion-metrieken, waardoor dosis-responsanalyse van farmacologische manipulaties mogelijk wordt.
- Operationele waarde: Computergestuurde gegevensverzameling verhoogt de doorvoer en reproduceerbaarheid tussen laboratoria en screeningscampagnes.
- Klaarheid voor assay: Reminder-trials controleren voor geheugenvariabelen, wat de specificiteit van de readouts voor cognitieve flexibiliteit bij het screenen van verbindingen verbetert.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Relevantie voor ziekten: Modelleert cognitieve inflexibiliteit bij neuropsychiatrische aandoeningen waarbij het schakelen tussen strategieën is aangetast, zoals schizofrenie en de ziekte van Alzheimer.
- Translationele biomarker: Analyse van foutentypen (bijv. perseveratieve versus regressieve fouten) is gekoppeld aan specifieke neurale substraten, wat bijdraagt aan de validatie van targets op basis van biomarkers.
- Preklinische continuïteit: Geautomatiseerde taken voor strategiewisseling en reversal bridgingen de kloof tussen discovery en preklinische evaluatie door consistente gedragsmatige resultaten over verschillende soorten en modellen te leveren.
Integratie van Pipeline & Workflow
De methode past binnen het ontdekkingscontinuüm, van het testen van target-hypothesen tot lead-optimalisatie, in het bijzonder voor cognitieve en neuropsychiatrische indicaties waarbij een beoordeling van de executieve functies vereist is.
- Discovery Biology: Ondersteunt mechanische risicoreductie door de bijdragen van de prefrontale cortex aan gedragsflexibiliteit te isoleren middels farmacologische of anatomische manipulaties.
- Screening: Levert kwantitatieve, op trials gebaseerde resultaten die high-throughput evaluatie mogelijk maken van de effecten van verbindingen op set-shifting en reversal learning.
- Analytics: Genereert data over trials-tot-criterium en foutenpatronen die statistische vergelijking tussen behandelingsgroepen en condities ondersteunen.
- Translationeel Onderzoek: Sluit aan bij preklinische validatie in neuro-ontwikkelings- en ziektemodellen waarbij prefrontale dysfunctie bijdraagt aan cognitieve symptomen.
- Enterprise Reuse: Gestandaardiseerde operante kamers en softwareprotocollen maken hergebruik tussen projecten mogelijk in pipelines voor gedragsfarmacologie en targetvalidatie.
Operationele en zakelijke impact
- Wetenschappelijke waarde: Biedt mechanistisch inzicht in scheidbare neurale substraten van strategiewisseling en omkering, waardoor ambiguïteit bij target-engagement wordt verminderd.
- Operationele waarde: Automatisering standaardiseert training, testen en gegevensverzameling, wat de reproduceerbaarheid tussen laboratoria verbetert en operator-bias vermindert.
- Strategische waarde: Maakt vroegere go/no-go-beslissingen mogelijk door cognitieve bijwerkingen of target-gemedieerde effectiviteit in neuropsychiatrische geneesmiddelkandidaten te voorspellen.
- Impact op portfolio: Ondersteunt risico-gecorrigeerde voortgang door verbindingen te identificeren die gedragsflexibiliteit behouden of herstellen in ziekte-relevante modellen.
Overwegingen voor implementatie
- Vereist expertise in operante conditionering, gedragsneurowetenschappen en geautomatiseerde gegevensverzamelingssystemen.
- Afhankelijk van operante kamers met intrekbare hefbomen, stimuluslampen, huisverlichting, een beloningsdispenser en een computerinterface voor taakbeheersing.
- Necessiteert gestandaardiseerde pre-trainingsprotocollen om consistent hefboomdrukgedrag en lage omissiepercentages voor aanvang van de testfasen te garanderen.
- Omvat aanpassingen bij vertaling naar verschillende knaagdierstammen, ziektemodellen of cognitieve eindpunten buiten strategiewisseling en omkering.
- Beperkt tot discrete trial-designs; niet geschikt voor free-operant of continue gedragsmonitoring zonder protocolmodificatie.
