W pełni zautomatyzowany protokół kondycjonowania gryzoni do eksperymentów z integracją sensomotoryczną i kontrolą poznawczą

Podsumowanie

Zaproponowano w pełni zautomatyzowany protokół warunkowania działania gryzoni. Protokół opiera się na precyzyjnej kontroli czasowej zdarzeń behawioralnych w celu zbadania zakresu, w jakim ta kontrola wpływa na aktywność neuronalną leżącą u podstaw integracji sensomotorycznej i eksperymentów kontroli poznawczej.

Streszczenie

Gryzonie były tradycyjnie używane jako standardowy model zwierzęcy w eksperymentach laboratoryjnych obejmujących niezliczone zadania sensoryczne, poznawcze i motoryczne. Wyższe funkcje poznawcze, które wymagają precyzyjnej kontroli nad reakcjami sensomotorycznymi, takimi jak podejmowanie decyzji i modulacja uwagi, są jednak zwykle oceniane u naczelnych innych niż ludzie. Pomimo bogactwa zachowań naczelnych, które pozwala na badanie wielu wariantów tych funkcji, model gryzoni pozostaje atrakcyjną, opłacalną alternatywą dla modeli naczelnych. Co więcej, możliwość pełnej automatyzacji warunkowania instrumentalnego u gryzoni daje unikalne korzyści w porównaniu z pracochłonnym szkoleniem naczelnych innych niż ludzie przy jednoczesnym badaniu szerokiego zakresu tych złożonych funkcji.

Tutaj wprowadzamy protokół do instrumentalnego warunkowania szczurów do wykonywania zadań związanych z pamięcią roboczą. W krytycznych momentach zadania protokół zapewnia, że jawny ruch zwierzęcia jest zminimalizowany, wymagając od zwierzęcia "fiksacji" do momentu dostarczenia sygnału Go, podobnie jak w przypadku eksperymentalnego projektu na naczelnych. W celu zademonstrowania wydajności zaimplementowane jest proste zadanie wymuszonego wyboru, składające się z dwóch alternatywnych zadań. Omawiamy zastosowanie tego paradygmatu do innych zadań.

Wprowadzenie

Badanie związku między neurofizjologią a zachowaniem jest ostatecznym celem w neuronauce systemowej. Historycznie rzecz biorąc, istniał kompromis między wyborem modelu zwierzęcego a repertuarem behawioralnym^1-5. Podczas gdy proste organizmy, takie jak ślimaki morskie6^lub kałamarnice7, były szeroko wykorzystywane do badania właściwości pojedynczych kanałów jonowych, neuronów i prostych obwodów neuronowych, gatunki wyższego rzędu są potrzebne do badania bardziej złożonych funkcji, takich jak nawigacja przestrzenna, podejmowanie decyzji^8-11 i kontrola poznawcza^12-14. Pomimo tego, że jest to standardowy model zwierzęcy dla zachowania podobnego do ludzkiego, wykorzystanie naczelnych innych niż ludzie skłania do rozważań kosztowych i etycznych, które wykluczają ich wykorzystanie w szerokim zakresie eksperymentów w^{jednym środowisku} laboratoryjnym. Prostsze modele zwierzęce, takie jak gryzonie, są generalnie preferowane¹⁹, pod warunkiem, że mają podobne podłoża neuronalne leżące u podstaw interesujących zachowań.

Istnieje wiele dowodów sugerujących, że gryzonie mają podobne struktury korowe i podkorowe, jak te występujące u naczelnych^{w wieku 20-22} lat. Gryzonie są również znane z tego, że integrują informacje z wielu modalności sensorycznych, aby kierować swoim działaniem^23-25, na przykład poprzez koordynację trzepania i wąchania podczas zachowań eksploracyjnych²⁶ lub poprzez integrację zdarzeń słuchowych i wzrokowo-węchowych^25,27.

Tutaj opisujemy ramy warunkowania instrumentalnego gryzoni, używane do testowania zadań poznawczych^28-32. W tym kontekście, badani są zobowiązani do zafiksowania się w otworze nozosów i utrzymania pyska w otworze do momentu prezentacji kija go. Zadanie behawioralne to pięciootworowy projekt nozeru, który jest konwencjonalnie używany do badań nad zadaniami czasu reakcji szeregowej do wyboru 5. W okresie opóźnienia prezentowany jest szereg wskazówek instruktażowych, które mają poprowadzić podmiot do wykonania działania. Ramy te można łatwo modyfikować, aby pasowały do szerokiego zakresu eksperymentów, w których konieczne jest wytrenowanie obiektu w celu zminimalizowania jego jawnego ruchu w krótkim odstępie czasu. Pozwala to na zbadanie, w jakim stopniu na aktywność impulsową poszczególnych neuronów wpływają określone sygnały w tym przedziale. Protokół może zminimalizować czas szkolenia i zmniejszyć zmienność uczenia się między przedmiotami. Schematyczny schemat blokowy zadania pokazano na rysunku 1.

Protokół

Wszystkie procedury dotyczące zwierząt zostały zatwierdzone przez Komitet ds. Opieki i Użytkowania Zwierząt Uniwersytetu Stanowego Michigan (IACUC).

1. Konfiguracja eksperymentalna

1. Użyj skrzynki do kondycjonowania instrumentu, która składa się z pięciootworowej ściany nozurowej po jednej stronie i koryta doprowadzającego żywność po drugiej stronie.
   1. Środkowy otwór nośny jest uważany za otwór "mocujący", a cztery pozostałe otwory (po dwa z każdej strony otworu mocującego) są uważane za otwory docelowe silnika. Każdy otwór jest wyposażony w trójkolorową diodę LED i system detektora emitera wiązki podczerwieni, który wykrywa, kiedy zwierzę wchodzi i chowa się z otworu mocującego.
   2. Użyj programowalnego generatora tonów, aby wygenerować tony o pojedynczej częstotliwości z dokładnością do milisekundy i podłącz go do głośnika zamontowanego w skrzynce operacyjnej. Kontroluj generator tonów i nomostki za pomocą systemu śledzenia zachowań za pomocą odpowiedniego oprogramowania. Korzystaj z systemu sprzętowego i programowego, który zapewnia monitorowanie zdarzeń behawioralnych w skali milisekund oraz kontrolę wskazówek i odpowiedzi.
      Uwaga: Amplituda zarówno sygnałów tonowych, jak i szumów powinna wynosić około 60 ± 3 dB SPL.

2. Wczesne przyzwyczajenie

1. Stopniowo ograniczaj spożycie pokarmu przez badanego do ~5 g na 100 g normalnej wagi pacjenta (np. w ciągu 3 dni). Pacjent powinien zachować 85-90% swojej masy ad libitum.
2. Przyzwyczaj badanego do obchodzenia się z nim przez eksperymentatora i zapoznaj go z aparaturą od pierwszego dnia rozpoczęcia protokołu deprywacji żywności. Zacznij obchodzić się ze zwierzęciem i umieść je w pudełku do kondycjonowania instrumentalnego, jednocześnie podając granulki jedzenia w korycie na granulki, aby zachęcić podmiot do eksploracji klatki i zapoznania się z miejscem dostarczania nagrody.

3. Szkolenie przedmiotowe

1. Uwagi ogólne
   1. Sugerowane tutaj zadanie wymaga precyzyjnej koordynacji między percepcją sygnału słuchowego, minimalizacją ruchów w okresie opóźnienia a wykonywaniem ruchu.
   2. Stopniowo trenuj osobę badaną krok po kroku, aby przygotować ją do ostatecznego pożądanego zachowania.
   3. Upewnij się, że na końcu każdego kroku badany utrzymuje >75% sprawności behawioralnej przez co najmniej trzy kolejne sesje, zanim przejdzie do następnego etapu.
   4. Po osiągnięciu ostatniego etapu utrzymuj podmiot w protokole przez tydzień, aby upewnić się, że wydajność jest utrzymywana na pożądanym poziomie.
2. Rozpocznij: Zapoznaj się z otworami w nośce, portem dostarczania jedzenia i powiązaniem między otworami a nagrodą.
   1. Wybierz jeden z czterech celów według losowego harmonogramu.
   2. Odtwórz cue Go (biały dźwięk dźwiękowy) i utrzymuj diodę LED wewnątrz otworu (czas trwania impulsu 0,3 sekundy).
   3. Ustaw oprogramowanie tak, aby nagradzało badanego po wizycie w dołku.
   4. Wyłącz czas próby po 30 sekundach, jeśli dołek nie zostanie odwiedzony i rozpocznij nową próbę.
   5. Nie nagradzaj wizyt na niewłaściwych dołkach.
3. Wybór celu: Karze błędne wizyty na niewybranych otworach.
   1. Po wizycie w niewłaściwych otworach zakończ próbę, a następnie po 5 sekundach przerwy w dostawie prądu.
      Uwaga: W okresie zaciemnienia dioda LED otworu mocującego jest wyłączona w klatce. Oznacza to, że pacjent nie może zainicjować próby i musi poczekać, aż dioda LED otworu mocującego zacznie migać.
   2. Wybierz nowy otwór i rozpocznij nową próbę.
4. Nosepoke: Wytrenuj testera, aby wbił się w otwór mocujący, aby rozpocząć próbę.
   1. żółtą diodą LED wewnątrz otworu mocującego.
   2. Po odwiedzeniu dołka fiksacyjnego natychmiast zagraj kij Go i rozpocznij nową próbę.
   3. Karz nieprawidłowe wizyty przez 5 sekund przerwy w dostawie prądu.
5. Opóźnienie: Naucz badanego, aby trzymał nos w otworze mocującym przez określony czas (okres opóźnienia), który jest stopniowo zwiększany wraz z postępem treningu.
   1. Poczekaj, aż obiekt odwiedzi otwór mocujący.
   2. Zakończ próbę, jeśli tester wycofa się w ciągu 500 ms. W przeciwnym razie zagraj cue Go.
   3. Kara za przedwczesne wycofanie przez okres zaciemnienia na 7 sekund.
   4. Nagradzaj prawidłowe wizyty, dostarczając granulkę jedzenia.
6. Dwie wskazówki (ze światłem): Zwiększ i zrandomizuj długość okresu opóźnienia oraz wprowadź wskazówkę dźwiękową.
   1. Zwiększ długość okresu opóźnienia do średnio 1,5 sekundy.
   2. Wybierz losową długość okresu opóźnienia w każdej próbie w oparciu o jednolitą gęstość w zakresie 1,3-1,8 sek.
   3. Wprowadź wskazówkę instruktażową jako jednoczęstotliwościowy ton słuchowy pulsujący w triolach, o czasie trwania impulsu 150 ms i interwale międzyimpulsowym 100 ms.
      1. Odtwórz wskazówkę instruktażową natychmiast po tym, jak obiekt wejdzie do otworu fiksacyjnego.
      2. Przypisz dwie wskazówki instruktażowe do każdego z celów.
      3. Na tym etapie używaj tylko jednej wskazówki powiązanej z każdym celem.
   4. Pozwól obiektowi użyć zarówno wskazówek dźwiękowych, jak i wizualnych, aby wybrać otwór docelowy.
7. Dwie wskazówki (bez światła): Naucz badanego, aby używał tylko wskazówek słuchowych.
   1. Wyłącz diody LED wewnątrz otworów docelowych, aby obiekt używał tylko wskazówek dźwiękowych.
8. Cztery wskazówki: Wprowadź dwie pozostałe wskazówki do sekwencji losowo prezentowanych wskazówek instrukcji i powtórz sekcje 3.5.3-3.6.1.

4. Analiza danych behawioralnych

1. Wskaźnik sukcesu: Zdefiniuj wskaźnik sukcesu jako odsetek prawidłowych wizyt u miejsc docelowych podzielony przez łączną liczbę prób.
   1. Mierz wskaźnik sukcesu na każdym etapie szkolenia.
2. Typy błędów:
   1. Przedwczesne wycofanie: zmierz procent prób, które nie zostały przerwane z powodu wczesnego wycofania z otworu mocującego.
   2. Błąd prowizji: Oblicz procent nieudanych prób, gdy badany odwiedza niepoinstruowany cel
   3. Błąd pominięcia: Oblicz procent błędów, gdy badany nie odwiedza żadnego z celów po rozpoczęciu próby.
3. Mierzone zmienne:
   1. Czas reakcji (RT): Dla każdej próby zmierz opóźnienie między pojawieniem się sygnału Go a wycofaniem się badanego z otworu fiksacyjnego.
   2. Czas do osiągnięcia celu (TT): Zmierz czas między wycofaniem się obiektu z otworu mocującego a wejściem do otworu docelowego.

Wyniki

Sugerowany framework umożliwia szkolenie podmiotu w zakresie szeregu zadań poznawczych. W tym przypadku zaimplementowaliśmy instruowane zadanie opóźniające, mające na celu zbadanie mechanizmów działań ukierunkowanych na cel w korze przedczołowej gryzoni. Rysunek 1 przedstawia schemat blokowy projektu eksperymentalnego.

Aby upewnić się, że podmiot rozumie wymagania zadania na każdym kroku, miary wydajności powinny być stale oceniane. Rysunek 2 przedstawia przyk...

Dyskusja

Szczury są szeroko stosowane w badaniach neurobiologicznych od ponad wieku. Od czasu wprowadzenia przez Thorndike'a koncepcji prawa efektu u kotów³⁴, warunkowanie instrumentalne jest standardowym podejściem do testowania różnych aspektów zachowania zwierząt. Wiele eksperymentów neurobiologicznych obejmujących podejmowanie decyzji i przygotowanie motoryczne obejmuje okres opóźnienia między wskazówkami instruktażowymi a interwałem działania. Pożądane jest zminimalizowanie ruchów w tych okresach opóźnienia, aby z...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
5-otworowy nos z 3 Stim Cue Light Rat Cage	Coulbourn	H21-06M/R Klatka
testowa	Coulbourn	H10-11R-TC
Oprogramowanie do stanu graficznego	Coulbourn
Programowalny generator tonów/szumów	Coulbourn	A12-33
Bezpyłowy granulat precyzyjny	Bio-Serv	F0165
Moduł głośnikowy	Coulbourn	H12-01R