Procedury instrumentalne do oceny elastyczności behawioralnej u szczurów
15 lutego 2015
Zdolność do oceny funkcji wykonawczych, takich jak elastyczność behawioralna u szczurów, jest przydatna do badania neurobiologii funkcji poznawczych zarówno u nienaruszonych zwierząt, jak i w modelach chorób. W tym miejscu opisujemy zautomatyzowane zadania do oceny zmiany strategii i odwróconego uczenia się, które są szczególnie wrażliwe na zakłócenia w sieciach kory przedczołowej.
Ogólnym celem poniższego eksperymentu jest ocena elastyczności behawioralnej, w tym zmiany ustawień i uczenia się odwróconego u szczurów przy użyciu zautomatyzowanej metody opartej na instrumentach. Osiąga się to poprzez wstępne przeszkolenie zwierząt w zakresie zachowania naciskania dźwigni, aby zapoznać je z wysuwaniem i chowaniem dźwigni oraz zapewnić spójne raportowanie. Następnie zwierzęta są testowane pod kątem pierwszego zadania w pożądanej sekwencji.
Na przykład dyskryminacja wskazówek wizualnych w sekwencji kolejki do odpowiedzi, która określa zdolność zwierzęcia do nauczenia się reguły dyskryminacji. Następnie zwierzęta są testowane pod kątem drugiego zadania w pożądanej sekwencji, aby ocenić elastyczność behawioralną zwierzęcia, czyli jego zdolność do przechodzenia z jednej reguły do drugiej. Wyniki pokazują wpływ na różne aspekty elastyczności behawioralnej w oparciu o różne manipulacje farmakologiczne lub anatomiczne.
Główną przewagą tej techniki nad istniejącymi metodami, takimi jak zadania oparte na labiryncie lub kopanie, jest to, że istnieje większa kontrola i standaryzacja bodźców, a szybkość gromadzenia danych jest znacznie zwiększona. Procedurę zademonstruje Bradley Roberts, student studiów licencjackich z mojego laboratorium, zajmujący się przeprowadzaniem testów elastyczności behawioralnej u szczurów. Używaj komór operacyjnych wyposażonych w co najmniej dwie wysuwane dźwignie umieszczone po obu stronach centralnego obszaru dostarczania wzmocnienia, dwie lampki stymulacyjne, po jednej umieszczonej nad każdą dźwignią, oświetlenie domowe i dozownik wzmocnienia.
Upewnij się, że światło w domu oświetla całą komorę, nie zakłócając jednocześnie wykrywania świateł stymulacyjnych. Do wzmocnienia używaj smacznego pokarmu, takiego jak 45 miligramów granulek sacharozy. Kontroluj prezentację bodźca, działanie dźwigni i gromadzenie danych za pomocą interfejsu z komputerem.
Zapoznaj się z protokołem tekstowym, aby uzyskać dodatkowe informacje na temat wstępnego szkolenia szczurów. Postępując zgodnie ze wskazówkami zawartymi w protokole tekstowym, daj szczurom sesje treningowe z wysuwaną dźwignią, aby zapoznać je z wysuwaniem i chowaniem dźwigni oraz upewnić się, że szczury popełniają stosunkowo niewiele zaniedbań do czasu, gdy przejdą do głównych faz testowych zadania. Podczas każdej próby określ, którą dźwignię wysunąć naprzemiennie w kolejności pseudolosowej, tak aby było 45 prób lewej dźwigni i 45 prób prawej dźwigni, ale nie więcej niż dwie kolejne próby.
Wysuń tę samą dźwignię, wysuń wybraną dźwignię. Wzmocnij zwierzę po naciśnięciu dźwigni w ciągu 10 sekund, po czym dźwignia zostanie cofnięta. Jeśli zwierzę nie zareaguje w ciągu 10 sekund, cofnij dźwignię i zapisz pominięcie.
Kontynuuj 30-minutowe sesje treningowe z wysuwaną dźwignią przez ustaloną liczbę dni lub do momentu, gdy zwierzęta spełnią kryterium co najmniej pięciu lub mniej pominięć przez dwa kolejne dni, aby przetestować zwierzęta w sekwencji kolejki do odpowiedzi, która stanowi jedną z dwóch możliwych sekwencji testowych dla zmiany strategii. Rozpocznij testowanie zwierząt w zadaniu Q. To zadanie wzmacnia zwierzęta do reagowania na dźwignię pod oświetlonym światłem bodźca i jest ustawionym zadaniem w sekwencji.
Rozpocznij każdą próbę z wsuniętymi obiema dźwigniami, zapal lewe lub prawe światło bodźca przez trzy sekundy. Następnie wysuń obie dźwignie do komory na 10 sekund lub do momentu wystąpienia odpowiedzi. Wzmocnij tylko poprawną reakcję na sygnalizowanej dźwigni po odpowiedzi na którąkolwiek dźwignię.
Schować dźwignie. Rozpocznij próby co 20 sekund przez całą sesję. Pseudolosowo określ kolejność prób tak, aby nie więcej niż dwie kolejne próby wystąpiły z tym samym bodźcem.
Światło oświetlone. Kontynuować badania do momentu, gdy zwierzę utworzy 10 kolejnych prawidłowych odpowiedzi i ukończy co najmniej 30 prób lub do momentu, gdy zostanie ukończonych od 150 do 200 prób bez spełnienia kryterium. Następnego dnia, po osiągnięciu kryterium w zadaniu Q, przesuń zwierzęta do zadania odpowiedzi, które reprezentuje zadanie zmiany w sekwencji i które wzmacnia zwierzęta do reagowania na dźwigni przeciwnej do ich preferencji bocznych.
Niezależnie od sygnału rozpoczynającego się z cofniętymi obiema dźwigniami, pseudo losowo oświetl światło bodźca na trzy sekundy, a następnie wysuń obie dźwignie do komory na 10 sekund lub do momentu wystąpienia odpowiedzi. Wzmacniaj tylko reakcję na dźwigni we właściwej pozycji po przeciwnej stronie zwierzęcia, preferuj reakcję na dowolnej dźwigni. Cofnąć dźwignie, kontynuować próby, aż zwierzę osiągnie kryterium 10 kolejnych prawidłowych odpowiedzi.
Skuteczna zmiana strategii zależy od przyśrodkowej kory przedczołowej. W pierwszym dniu leczenia inaktywacja przedczołowa nie pogorszyła wydajności w zadaniu z zestawu Q. Jednak inaktywacja przedczołowa w drugim dniu znacząco pogorszyła wydajność w zadaniu zmiany odpowiedzi, ponieważ zwierzęta wymagały więcej prób, aby osiągnąć wydajność kryterialną.
Dla porównania, odwrócenie odpowiedzi, dyskryminacja nie wykazała zależności od przyśrodkowej kory przedczołowej. Zwierzęta, u których inaktywowano korę przedczołową w dniu odwrócenia, nie różniły się od zwierząt podawanych solą fizjologiczną, co potwierdza wcześniejsze badania pokazujące, że to oczodołowa, a nie przyśrodkowa kora przedczołowa, reguluje odwracanie uczenia się w różnych zadaniach. Aby zademonstrować, w jaki sposób próby przypominające mogą pomóc w interpretacji danych, szczury nabyły regułę Visual Q już pierwszego dnia.
Drugiego dnia szczury otrzymały nośnik lub peritol hallal, a następnie poddano je 20 próbom przypominającym od pierwszego dnia, zanim przeszły na dyskryminację reakcji. Wyniki pokazują, że peritol hallalny upośledzał odbieranie wskazówek wizualnych podczas prób przypominających. Następnie, szczury leczone peritolem Hallal wymagały mniejszej liczby prób, aby osiągnąć kryterium, wynik, który mógł być interpretowany jako poprawa w zmianie zestawu, gdyby nie były dostępne próby przypominające, które wskazywałyby, że pamięć była faktycznie upośledzona w poprzedniej regule.
Inne metody, takie jak manipulacje anatomiczne, środowiskowe lub genetyczne, a także techniki zapisu fizjologicznego lub chemicznego mogą być dodane do tej procedury w celu zbadania neurobiologicznych podstaw elastyczności behawioralnej i funkcji wykonawczych.
Przegląd
Niniejsze badanie analizuje elastyczność behawioralną u szczurów, koncentrując się na zmianie strategii oraz uczeniu odwróceniu za pomocą zautomatyzowanych zadań. Zadania te zostały zaprojektowane w celu oceny wpływu zaburzeń w korze przedczołowej na funkcje poznawcze.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Psychologia behawioralna
- Modele zwierzęce
Wstęp
- Elastyczność behawioralna ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia procesów poznawczych.
- Szczury stanowią efektywne modele do badania funkcji wykonawczych.
- Metody zautomatyzowane zwiększają wiarygodność ocen behawioralnych.
- Udział kory przedczołowej w zadaniach poznawczych jest dobrze udokumentowany.
Cel badania
- Ocena elastyczności behawioralnej u szczurów z wykorzystaniem zautomatyzowanych zadań operantowych.
- Ocena wpływu manipulacji farmakologicznych na wydajność poznawczą.
- Poprawa standaryzacji metod testowania behawioralnego.
Zastosowane metody
- Warunkowanie instrumentalne z wykorzystaniem chowanych dźwigni do zadań behawioralnych.
- Sesje wstępne w celu zapoznania szczurów z zadaniem.
- Testowanie dyskryminacji sygnałów wizualnych oraz zadań polegających na zmianie reakcji.
- Gromadzenie danych za pomocą interfejsu komputerowego w celu zapewnienia dokładności.
Główne wyniki
- Inaktywacja przedczołowa upośledziła wyniki w zadaniach polegających na zmianie strategii.
- Uczenie odwracania nie było zależne od przyśrodkowej kory przedczołowej.
- Próby przypominające wpłynęły na interpretację wyników behawioralnych.
- Zaobserwowano efekty farmakologiczne w procesach kognitywnego przywoływania informacji.
Wnioski
- Zautomatyzowane zadania stanowią niezawodny zestaw narzędzi do oceny elastyczności poznawczej.
- Przyśrodkowa kora przedczołowa odgrywa kluczową rolę w zmianie strategii.
- Zrozumienie tych mechanizmów może dostarczyć cennych informacji dla badań nad zaburzeniami poznawczymi.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Testy elastyczności behawioralnej mają kluczowe znaczenie dla minimalizacji ryzyka w procesie odkrywania leków neuropsychiatrycznych, umożliwiając mechaniczną analizę domen funkcji wykonawczych. Zautomatyzowane metody operantowe zapewniają standaryzowane, wysokoprzepustowe odczyty, które wspierają walidację celu oraz modelowanie predykcyjne w systemach istotnych dla danej jednostki chorobowej. Podejście to zwiększa ciągłość translacyjną od podstawowej neurobiologii do przesiewu przedklinicznego w modelach schizofrenii, depresji i zaburzeń poznawczych.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie udziału kory przedczołowej w zmianie strategii oraz uczeniu się odwracania (reversal learning), co wspiera testowanie hipotez dotyczących konkretnych celów.
- Wartość operacyjna: Zautomatyzowane zadania z naciskaniem dźwigni standaryzują prezentację bodźców i pomiar reakcji, ograniczając zmienność punktów końcowych zachowania.
- Wartość prognostyczna: Wykazanie dysocjacji zależności od przyśrodkowej kory przedczołowej w procesach zmiany strategii w porównaniu do uczenia się odwracania pozwala na dobór celów w oparciu o mechanizmy oraz ograniczanie ryzyka.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Ilościowe określenie procesu przyswajania reguł oraz wydajności zmiany zachowania za pomocą wskaźników prób do osiągnięcia kryterium, co umożliwia analizę zależności dawka-odpowiedź w przypadku manipulacji farmakologicznych.
- Wartość operacyjna: Sterowany komputerowo zbiór danych zwiększa przepustowość i powtarzalność wyników pomiędzy laboratoriami i kampaniami przesiewowymi.
- Gotowość testu: Próby przypominające kontrolują zakłócenia związane z pamięcią, poprawiając specyficzność odczytów elastyczności poznawczej w badaniach przesiewowych związków.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Znaczenie dla choroby: Modeluje nieelastyczność poznawczą w stanach neuropsychiatrycznych z zaburzeniem zmiany strategii, takich jak schizofrenia i choroba Alzheimera.
- Biomarker translacyjny: Analiza typów błędów (np. błędy perseveracyjne vs. regresywne) odpowiada odrębnym podłożom neuronalnym, co wspiera walidację celów powiązanych z biomarkerami.
- Ciągłość przedkliniczna: Zautomatyzowane zadania zmiany strategii i odwrócenia (reversal tasks) stanowią pomost między etapem odkryć a oceną przedkliniczną, zapewniając spójne odczyty behawioralne u różnych gatunków i modeli.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta wpisuje się w kontinuum procesu odkrywania leków – od testowania hipotez dotyczących punktów uchwytu po optymalizację wiodących związków, szczególnie w przypadku wskazań poznawczych i neuropsychiatrycznych wymagających oceny funkcji wykonawczych.
- Biologia odkrywcza: Wspiera ograniczanie ryzyka mechanistycznego poprzez izolowanie wkładu kory przedczołowej w elastyczność behawioralną za pomocą manipulacji farmakologicznych lub anatomicznych.
- Przesiewanie: Dostarcza ilościowych wyników opartych na próbach, które umożliwiają wysokoprzepustową ocenę wpływu związków na zmianę strategii (set shifting) oraz uczenie odwracania (reversal learning).
- Analityka: Generuje dane dotyczące liczby prób do osiągnięcia kryterium oraz wzorców błędów, co pozwala na statystyczne porównanie grup badawczych i warunków doświadczalnych.
- Badania translacyjne: Jest zgodne z walidacją przedkliniczną w modelach chorób i rozwoju neurologicznego, w których dysfunkcja kory przedczołowej przyczynia się do występowania objawów poznawczych.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Standaryzowane komory operantowe i protokoły programowe umożliwiają ponowne wykorzystanie w różnych projektach w ramach farmakologii behawioralnej i procesów walidacji celów terapeutycznych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Dostarcza wglądu mechanistycznego w rozdzielne podłoża neuronalne zmiany strategii i odwracania reakcji, co zmniejsza niejednoznaczność w ocenie oddziaływania na cel molekularny.
- Wartość operacyjna: Automatyzacja standaryzuje szkolenie, testowanie i gromadzenie danych, co poprawia odtwarzalność między laboratoriami i ogranicza błąd operatora.
- Wartość strategiczna: Umożliwia wcześniejsze podejmowanie decyzji go/no-go poprzez przewidywanie skutków ubocznych w zakresie funkcji poznawczych lub skuteczności zależnej od celu w przypadku kandydackich leków neuropsychiatrycznych.
- Wpływ na portfolio: Wspiera dostosowany do ryzyka postęp prac poprzez identyfikację związków, które zachowują lub przywracają elastyczność behawioralną w modelach istotnych dla danej jednostki chorobowej.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymaga wiedzy specjalistycznej z zakresu warunkowania instrumentalnego, neuronauki behawioralnej oraz systemów zautomatyzowanego gromadzenia danych.
- Zależne od komór operantowych wyposażonych w chowane dźwignie, lampki stymulacyjne, oświetlenie pomieszczenia, dozownik wzmocnień oraz interfejs komputerowy do sterowania zadaniem.
- Wymaga znormalizowanych protokołów wstępnego treningu w celu zapewnienia spójnego naciskania dźwigni i niskiego poziomu pominięć przed fazami testowymi.
- Wymaga uwzględnienia kwestii adaptacyjnych przy przenoszeniu metody na różne szczepy gryzoni, modele chorób lub punkty końcowe poznawcze wykraczające poza zmianę strategii i odwracanie uczenia.
- Ograniczone do projektów z próbami dyskretnymi; nieodpowiednie dla wolnego operowania lub ciągłego monitorowania behawioralnego bez modyfikacji protokołu.
