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

Ogólnym celem następnego eksperymentu jest wprowadzenie zautomatyzowanego schematu behawioralnego dla warunkowania instrumentalnego gryzoni w celu testowania złożonych zadań poznawczych. Zadaniem behawioralnym jest projekt z pięcioma otworami do wkładania nosa, który jest konwencjonalnie stosowany w badaniach nad zadaniem seryjnej reakcji czasu wyboru z pięcioma opcjami. Od obiektów badawczych wymaga się utrzymywania pyska w otworze fiksacyjnym aż do pojawienia się sygnału startowego po krótkim okresie opóźnienia.

Podczas epoki fiksacji prezentowana jest kolejka instrukcji słuchowych, która kieruje badanego do wyboru przyszłego celu motorycznego w celu otrzymania nagrody. Zastosowanie sygnału słuchowego umożliwia precyzyjne przejścia między różnymi epokami zadania i pozwala na badanie wielu aspektów zachowania, a także neuronalnych mechanizmów pamięci roboczej, podejmowania decyzji i planowania motorycznego. Główną zaletą tej techniki w porównaniu z istniejącymi metodami, takimi jak eksperymenty z nawigacją w labiryncie, jest zminimalizowanie jawnego zachowania motorycznego w krytycznej epoce zadania, które mogłoby zostać zaburzone przez systematyczne wariacje w trajektorii badanego.

Choć metoda ta może dostarczyć wiedzy na temat kontroli motorycznej, badania te mogą być również wykorzystane do analizy innych procesów poznawczych wysokiego poziomu, takich jak percepcja, uwaga i tworzenie pamięci. Procedurę zademonstruje Dylan Miller, student studiów licencjackich z mojego laboratorium. Poniższe badanie jest przeprowadzane w komorze warunkowania instrumentalnego, składającej się ze ściany z pięcioma otworami do wkładania nosa (nose poke) po jednej stronie i korytka do podawania pokarmu po stronie przeciwnej.

Środkowy otwór do wkładania nosa jest uznawany za otwór fiksacyjny, natomiast cztery pozostałe otwory, po dwa z każdej strony otworu fiksacyjnego, stanowią otwory celu ruchowego. Każdy otwór jest wyposażony w trójkolorową diodę LED oraz system emiterów i detektorów wiązki podczerwonej, który wykrywa moment wejścia i wycofania się zwierzęcia z otworu fiksacyjnego. Programowalny generator tonów wytwarza sygnał o pojedynczej częstotliwości z precyzją milisekundową, połączony z głośnikiem zamontowanym wewnątrz boksu operacyjnej kondycjonowania.

Generator sygnałów dźwiękowych oraz otwory do wkładania nosa są sterowane za pomocą systemu monitorowania behawioralnego. Podczas okresu habituacji, korzystając ze specjalistycznego oprogramowania, należy codziennie obchodzić się z zwierzętami i pozwalać im na eksplorację komory warunkowania instrumentalnego oraz podajnika karmy; w ciągu trzech dni należy stopniowo ograniczać ich pobór pokarmu, aby osiągnęły 85 do 90% swojej pierwotnej masy ciała. Pierwszym krokiem jest zapoznanie obiektu z otworami do wkładania nosa, portem dostarczania pokarmu oraz związkiem między migającymi otworami a nagrodą.

Aby to osiągnąć, należy wybierać jeden z dwóch celów zgodnie z harmonogramem losowym i odtwarzać sygnał z kolejki „go” – biały szum akustyczny – podczas gdy dioda LED wewnątrz otworu miga. Skonfiguruj oprogramowanie tak, aby nagradzało obiekt po wejściu do otworu. Przerwij próbę po 30 sekundach, jeśli otwór nie zostanie odwiedzony, i rozpocznij nową próbę, aby wspomóc wybór celu.

Kary za wejścia do błędnych otworów polegają na przerwaniu próby, po której następuje pięciosekundowy okres zaciemnienia. Następnie należy wybrać nowy otwór i rozpocząć nową próbę, aż do osiągnięcia pożądanego poziomu wyników. W celu przeszkolenia obiektu w wkładaniu pyska do otworu fiksacyjnego.

Aby rozpocząć próbę, w otworze fiksacyjnym zostaje błysknięta żółta dioda LED. W momencie gdy obiekt znajdzie się w otworze fiksacyjnym, należy niezwłocznie odtworzyć sygnał startowy i rozpocząć nową próbę. Gdy obiekt nauczy się kierować się do otworu fiksacyjnego, należy go nauczyć utrzymywania nosa wewnątrz otworu przez określony czas.

Aby to osiągnąć, należy poczekać, aż obiekt odwiedzi otwór fiksacyjny, i zakończyć próbę. Jeśli obiekt wycofanie się w ciągu 500 milisekund, należy ukarać przedwczesne wycofanie poprzez wprowadzenie siedmiosekundowego okresu blokady (blackout). W przeciwnym razie należy odtworzyć sygnał startowy i nagrodzić poprawne odwiedziny poprzez podanie granulatu pokarmowego.

Kolejnym krokiem jest wprowadzenie kolejki instrukcji słuchowych w postaci pojedynczego tonu o stałej częstotliwości, emitowanego w impulsach i tripletach, z czasem trwania impulsu wynoszącym 150 milliseconds oraz odstępem międzyimpulsowym wynoszącym 100 milliseconds. Dodatkowo należy zwiększyć długość okresu opóźnienia do średnio 1,5 seconds. Dla każdej próby należy wybrać losową długość okresu opóźnienia na podstawie rozkładu jednostajnego w przedziale od 1,3 do 1,8 seconds.

Odtwórz sygnał instrukcyjny natychmiast po tym, jak badany spojrzy w otwór fiksacyjny. Przypisz dwa sygnały instrukcyjne do każdego z celów. Jednak na tym etapie używaj tylko jednego sygnału przypisanego do każdego celu, dopóki badani nie zapoznają się lepiej z zadaniem.

Pozwól badanemu korzystać zarówno z sygnałów słuchowych, jak i wzrokowych w celu wybrania docelowego otworu, aż do osiągnięcia pożądanego poziomu wyników. Aby przeszkolić badanego w korzystaniu wyłącznie z sygnałów słuchowych, wyłącz migające diody LED wewnątrz docelowego otworu, tak aby badany mógł kierować się tylko słuchowymi sygnałami instruktażowymi. Po osiągnięciu pożądanych wyników wprowadź dwa pozostałe sygnały do sekwencji losowo prezentowanych sygnałów instruktażowych i powtórz etapy szkolenia.

Należy upewnić się, że pod koniec każdego kroku badany utrzymuje wyniki behawioralne powyżej 75% przez co najmniej trzy kolejne sesje przed przejściem do następnego etapu. Po osiągnięciu ostatniego etapu należy utrzymać badanego w protokole przez tydzień, aby upewnić się, że wyniki pozostają na pożądanym poziomie. Wskaźnik sukcesu definiuje się jako procent prawidłowych wizyt w celach podzielony przez całkowitą liczbę prób.

Wskaźnik sukcesu powinien być mierzony na każdym etapie szkolenia. Różne rodzaje błędów obejmują przedwczesne wycofanie, procent prób zakończonych przekroczeniem czasu z powodu przedwczesnego wycofania się z otworu fiksacyjnego (błąd popełnienia), procent nieudanych prób, w których obiekt odwiedza niezakonstruowany cel, oraz błąd misji. Procent błędów, w których obiekt nie odwiedza żadnego z celów po rozpoczęciu próby.

Dla każdej próby należy zmierzyć czas reakcji, zdefiniowany jako opóźnienie między sygnałem startowym a wycofaniem się badanego z otworu fiksacyjnego. Mierzy się również czas dotarcia do celu, jako czas pomiędzy wycofaniem się badanego z otworu fiksacyjnego a wejściem do otworu docelowego. Niniejszy przykład przedstawia wskaźnik sukcesu dla jednego badanego w ciągu 14 sesji pomiarowych.

W typach błędów dominują przedwczesne wycofania, natomiast błędy przeoczenia i błędy pominięcia występują rzadziej. Ten histogram przedstawia rozkład czasu reakcji w różnych próbach. Tutaj pokazano rozkład czasu dotarcia do celu w różnych próbach.

Po opanowaniu zadania przez obiekt, zaimplantowano mu 32-kanałową macierz mikroelektrod. W obszarze przedlimbicznym przedstawiono przykładowy zapis zsynchronizowany z wykresem rastrowym 22 jednocześnie zarejestrowanych jednostek; na zapisach naniesiono znaczniki zdarzeń behawioralnych.

Podczas wykonywania tej procedury należy pamiętać o sprawdzaniu urządzenia Perus przed każdą sesją treningową oraz monitorowaniu wyników badanego po jej zakończeniu. Znaczny spadek wyników behawioralnych może być spowodowany awarią sprzętu po jego uruchomieniu. Technika ta powinna utorować drogę badaczom z dziedziny neuronauki poznawczej do eksploracji odgórnej kontroli zachowań celowych.