Um totalmente automatizada Roedor Condicionado Protocolo para Sensorimotor Integração e Experimentos controle cognitivo

O objetivo geral do seguinte experimento é introduzir uma estrutura comportamental automatizada para condicionamento operante de roedores, a fim de testar tarefas cognitivas complexas. A tarefa comportamental é um delineamento com cinco orifícios para projeção do focinho, convencionalmente utilizado em estudos de tarefa de tempo de reação serial com cinco escolhas. Os sujeitos devem manter o focinho dentro de um orifício de fixação até a apresentação de um sinal de início, após um breve período de atraso.

Uma fila de instruções auditivas é apresentada durante o período de fixação para orientar o sujeito a escolher um alvo motor futuro para receber uma recompensa. O uso de uma fila auditiva permite transições bem definidas entre diferentes fases da tarefa e possibilita o estudo de múltiplos aspectos do comportamento, bem como dos mecanismos neurais da memória de trabalho, tomada de decisão e planejamento motor. A principal vantagem desta técnica em relação aos métodos existentes, como experimentos de navegação em labirintos, é que o comportamento motor explícito, que pode ser confundido por variações sistemáticas na trajetória do sujeito, é minimizado durante a época crítica da tarefa.

Embora este método possa fornecer informações sobre o controle motor, os estudos também podem ser utilizados para investigar outros processos cognitivos de alto nível, como percepção, atenção e formação de memória. A demonstração do procedimento será feita por Dylan Miller, um aluno de graduação do meu laboratório. O seguinte estudo é realizado em uma caixa de condicionamento operante composta por uma parede com cinco orifícios para projeção nasal em um lado e uma bandeja de entrega de alimento no lado oposto.

O orifício central para pico é considerado um orifício de fixação, e os quatro outros orifícios, dois em cada lado do orifício de fixação, são considerados orifícios-alvo motores. Cada orifício possui um LED tricolor e um sistema detector de feixe infravermelho que detecta quando o animal entra e sai do orifício de fixação. Um gerador de tom programável produz um tom de frequência única com precisão de milissegundo e conectado a um alto-falante montado dentro da caixa de opera.

O gerador de tons e os orifícios para o "nose poke" são controlados por meio do sistema de rastreamento comportamental. Utilizando um software especializado durante o período de habituação, manipule os animais diariamente e permita que explorem gradualmente a câmara de condicionamento operante e o comedouro, restringindo progressivamente a ingestão alimentar ao longo de um período de três dias para atingir de 85 a 90% do peso corporal original. O primeiro passo é familiarizar o animal com os orifícios para o "nose poke", com a abertura de entrega de alimento e com a associação entre os orifícios piscantes e a recompensa.

Para fazer isso, selecione aleatoriamente um dos dois alvos e reproduza a fila de início, um ruído branco auditivo, enquanto o LED dentro do orifício está piscando. Configure o software para recompensar o sujeito ao visitar o orifício. Interrompa o ensaio após 30 segundos se o orifício não for visitado e inicie um novo ensaio para auxiliar na seleção do alvo.

Punir as visitas a buracos incorretos encerrando o ensaio seguido por cinco segundos de escuridão. Em seguida, selecione um novo buraco e inicie um novo ensaio até que o nível desejado de desempenho seja alcançado. Treinar o sujeito para empurrar dentro do buraco de fixação.

Para iniciar um ensaio, um LED amarelo é acionado dentro do orifício de fixação. Assim que o animal visitar o orifício de fixação, reproduza imediatamente o sinal sonoro de início e comece um novo ensaio. Depois que o animal aprender a visitar o orifício de fixação, ensine-o a manter o nariz dentro do orifício por um período determinado de tempo.

Para fazer isso, aguarde o sujeito visitar o orifício de fixação e encerre a tentativa. Se o sujeito recuar dentro de 500 milissegundos, penalize recuos prematuros com um período de bloqueio de sete segundos. Caso contrário, emita o sinal de início e recompense as visitas corretas com a entrega de um pellet de alimento.

O próximo passo é introduzir a fila de instruções auditivas como um tom auditivo de frequência única, pulsado em trios com duração de pulso de 150 milissegundos e intervalo inter-pulso de 100 milissegundos. Além disso, aumente o comprimento do período de atraso para uma média de 1,5 segundo. Escolha um comprimento aleatório para o período de atraso em cada ensaio com base em uma densidade uniforme entre 1,3 e 1,8 segundos.

Reproduza o sinal de instrução imediatamente após o sujeito entrar no orifício de fixação. Atribua dois sinais de instrução a cada um dos alvos. No entanto, utilize apenas um sinal associado a cada alvo nesta fase, até que os sujeitos se familiarizem mais com a tarefa.

Permita que o sujeito utilize pistas auditivas e visuais para selecionar o orifício-alvo até que o nível de desempenho desejado seja alcançado. Para treinar o sujeito a utilizar apenas pistas auditivas, desligue os LEDs piscantes dentro do orifício-alvo, de modo que o sujeito possa usar apenas pistas auditivas de instrução. Introduza as outras duas pistas na sequência de pistas de instrução apresentadas aleatoriamente quando o desempenho desejado for alcançado, e repita os passos de treinamento.

Certifique-se de que, ao final de cada etapa, o sujeito mantenha um desempenho comportamental superior a 75% por pelo menos três sessões consecutivas antes de avançar para a próxima fase. Uma vez alcançada a fase final, mantenha o sujeito no protocolo por uma semana para garantir que o desempenho seja mantido no nível desejado. Defina a taxa de sucesso como a porcentagem de visitas corretas aos alvos dividida pelo número total de tentativas.

A taxa de sucesso deve ser medida em cada estágio do treinamento. Os diferentes tipos de erro incluem retração prematura, a porcentagem de ensaios interrompidos devido a retratações precoces do orifício de fixação (erro de comissão), a porcentagem de ensaios fracassados quando o sujeito visita um alvo não construído e um erro de missão. A porcentagem de erros quando o sujeito não visita nenhum dos alvos após o início do ensaio.

Para cada tentativa, meça o tempo de reação, definido como o atraso entre o início da indicação de início e o momento em que o sujeito se retira do orifício de fixação. O tempo até o alvo também é medido como a duração entre o momento em que o sujeito se retira do orifício de fixação e entra no orifício-alvo. Este exemplo mostra a taxa de sucesso de um único sujeito ao longo de 14 sessões de registro.

Os tipos de erro são dominados por retratações prematuras, com erros de comissão e erros de omissão ocorrendo com menor frequência. Este histograma mostra a distribuição do tempo de reação ao longo de diferentes ensaios. Aqui, é mostrada a distribuição do tempo até o alvo ao longo de diferentes ensaios.

Uma vez que o sujeito aprendeu a tarefa, foi implantado com um arranjo de microeletrodos de 32 canais. Na área pré-límbica, é mostrado um traçado amostral alinhado com um gráfico de raster de 22 unidades gravadas simultaneamente. Marcadores para eventos comportamentais são plotados sobre os traçados.

Ao realizar este procedimento, é importante lembrar de verificar os Perus antes de cada sessão de treinamento e monitorar o desempenho do sujeito posteriormente. Uma diminuição significativa nos escores comportamentais pode ser causada por mau funcionamento do equipamento após seu desenvolvimento. Esta técnica deverá abrir caminho para pesquisadores na área de neurociência cognitiva explorarem o controle top-down do comportamento orientado a metas.