Procedimentos operantes para avaliar a flexibilidade comportamental em ratos
15 de fevereiro de 2015
A capacidade de avaliar funções executivas, como flexibilidade comportamental em ratos, é útil para investigar a neurobiologia da cognição em animais intactos e modelos de doenças. Aqui descrevemos tarefas automatizadas para avaliar a mudança de estratégia e o aprendizado reverso, que são particularmente sensíveis a interrupções nas redes corticais pré-frontais.
O objetivo geral do experimento a seguir é avaliar a flexibilidade comportamental, incluindo mudança de conjunto e aprendizado reverso em ratos usando um método automatizado baseado em operantes. Isso é conseguido primeiro pré-treinando os animais no comportamento de pressionar a alavanca para familiarizá-los com a extensão e a retração das alavancas e garantir relatórios consistentes. Em seguida, os animais são testados na primeira tarefa da sequência desejada.
Por exemplo, a discriminação de sugestão visual na sequência de fila para resposta, que estabelece a capacidade do animal de aprender uma regra de discriminação. Em seguida, os animais são testados na segunda tarefa da sequência desejada para avaliar a flexibilidade comportamental do animal, que é sua capacidade de mudar de uma regra para outra. Os resultados mostram efeitos em diferentes aspectos da flexibilidade comportamental com base em várias manipulações farmacológicas ou anatômicas.
A principal vantagem dessa técnica sobre os métodos existentes, como tarefas baseadas em labirintos ou escavação, é que há maior controle e padronização de estímulos, e a taxa de coleta de dados é bastante aumentada. Demonstrando o procedimento estará Bradley Roberts, um estudante de graduação do meu laboratório Para a realização de testes de flexibilidade comportamental em ratos. Use câmaras operante equipadas com um mínimo de duas alavancas retráteis colocadas em ambos os lados de uma área central de entrega de reforço, duas luzes de estímulo, uma localizada acima de cada alavanca, uma luz doméstica e um dispensador de reforço.
Certifique-se de que a luz da casa ilumine toda a câmara, sem interferir na detecção das luzes de estímulo. Use alimentos palatáveis para reforço, como pellets de sacarose de 45 miligramas. Controle a apresentação do estímulo, a operação da alavanca e a coleta de dados por meio de uma interface com um computador.
Consulte o protocolo de texto para obter detalhes adicionais para pré-treinar os ratos. Seguindo as orientações do protocolo de texto, dê aos ratos sessões de treinamento de alavanca retrátil para familiarizá-los com a extensão e retração das alavancas e para garantir que os ratos estejam fazendo relativamente poucas omissões no momento em que prosseguem para as principais fases de teste da tarefa. Durante cada tentativa, determine qual alavanca estender as extensões de alavanca alternadas em uma ordem pseudoaleatória, de modo que haja 45 tentativas de alavanca esquerda e 45 tentativas de alavanca direita, mas não mais do que duas tentativas consecutivas.
Estenda a mesma alavanca, estenda a alavanca selecionada. Reforce o animal depois que ele pressionar a alavanca dentro de 10 segundos, após o que a alavanca é retraída. Se o animal não responder em 10 segundos, retraia a alavanca e registre uma omissão.
Continuar sessões de treinamento de alavanca retrátil de 30 minutos por um número fixo de dias ou até que os animais atendam a um critério mínimo de cinco ou menos omissões por dois dias consecutivos para testar animais na fila para a sequência de resposta, o que representa uma das duas sequências de teste possíveis para mudança de estratégia. Comece a testar animais na tarefa Q. Esta tarefa reforça os animais para responder à alavanca abaixo da luz de estímulo iluminada e é a tarefa definida na sequência.
Comece cada tentativa com as duas alavancas retraídas, acenda a luz de estímulo esquerda ou direita por três segundos. Em seguida, estenda ambas as alavancas para dentro da câmara por 10 segundos ou até que ocorra uma resposta. Reforce apenas uma resposta correta na alavanca sinalizada após uma resposta em qualquer uma das alavancas.
Retraia as alavancas. Comece os testes a cada 20 segundos durante a sessão. Pseudo determina aleatoriamente a ordem das tentativas de modo que não mais do que duas tentativas consecutivas ocorram com o mesmo estímulo.
Luz iluminada. Continue os testes até que um animal tenha completado 10 respostas corretas consecutivas e tenha completado um mínimo de 30 tentativas ou até que 150 a 200 tentativas sejam concluídas sem atingir o critério. No dia seguinte, depois de atingir o critério na tarefa Q, mude os animais para a tarefa de resposta, que representa a tarefa de turno na sequência e que reforça os animais para responder na alavanca oposta à sua preferência lateral.
Independentemente da sugestão que começa com ambas as alavancas retraídas, ilumine aleatoriamente qualquer luz de estímulo por três segundos e, em seguida, estenda ambas as alavancas para dentro da câmara por 10 segundos ou até que ocorra uma resposta. Reforce apenas uma resposta na alavanca de posição correta oposta ao lado do animal, de preferência em uma resposta em qualquer uma das alavancas. Retraia as alavancas, continue as tentativas até que o animal atinja o critério de 10 respostas corretas consecutivas.
A mudança eficiente de estratégia depende do córtex pré-frontal medial. No primeiro dia de tratamento, a inativação pré-frontal não prejudicou o desempenho na tarefa Q set. No entanto, a inativação pré-frontal no segundo dia prejudicou significativamente o desempenho na tarefa de mudança de resposta, pois os animais exigiram mais tentativas para atingir o desempenho do critério.
Em comparação, a reversão da resposta, a discriminação não mostrou dependência do córtex pré-frontal medial. Os animais que receberam inativação do córtex pré-frontal no dia da reversão não diferiram dos animais com infusão salina, o que apóia pesquisas anteriores mostrando que o córtex frontal orbital, e não o córtex pré-frontal medial, regula o aprendizado reverso em uma variedade de tarefas. Para demonstrar como os testes de lembrete podem ajudar na interpretação dos dados, os ratos adquiriram uma regra Visual Q no primeiro dia.
No segundo dia, os ratos receberam peritol veicular ou hallal e, em seguida, receberam 20 tentativas de lembrete desde o primeiro dia antes de mudar para a discriminação de resposta. Os resultados mostram que o peritol hallal prejudicou a recuperação da pista visual durante os testes de lembrete. Posteriormente, os ratos tratados com peritol hallal exigiram menos tentativas para atingir o critério, um resultado que pode ter sido interpretado como uma melhoria na mudança de conjunto se as tentativas de lembrete não estivessem disponíveis para indicar que a memória estava realmente prejudicada para a regra anterior.
Outros métodos como manipulações anatômicas, ambientais ou genéticas, bem como técnicas de registro fisiológico ou químico podem ser adicionados a este procedimento para explorar a base neurobiológica da flexibilidade comportamental e da função executiva.
Visão Geral
Este estudo investiga a flexibilidade comportamental em ratos, concentrando-se na mudança de estratégias e na aprendizagem por inversão por meio de tarefas automatizadas. Essas tarefas são projetadas para avaliar o impacto de interrupções no córtex pré-frontal sobre funções cognitivas.
Componentes Principais do Estudo
Área de Ciência
- Neurociência
- Psicologia Comportamental
- Modelos Animais
Contexto
- A flexibilidade comportamental é fundamental para compreender os processos cognitivos.
- Os ratos servem como modelos eficazes para estudar funções executivas.
- Métodos automatizados aumentam a confiabilidade das avaliações comportamentais.
- O envolvimento do córtex pré-frontal em tarefas cognitivas é bem documentado.
Objetivo do Estudo
- Avaliar a flexibilidade comportamental em ratos utilizando tarefas operantes automatizadas.
- Avaliar os efeitos de manipulações farmacológicas no desempenho cognitivo.
- Melhorar a padronização dos métodos de testes comportamentais.
Métodos Utilizados
- Condicionamento operante com alavancas retráteis para tarefas comportamentais.
- Sessões de pré-treinamento para familiarizar os ratos com a tarefa.
- Testes de discriminação de estímulos visuais e tarefas de mudança de resposta.
- Coleta de dados por meio de interface computadorizada para garantir precisão.
Resultados Principais
- A inativação pré-frontal prejudicou o desempenho em tarefas de mudança de estratégia.
- A aprendizagem por inversão não dependia do córtex pré-frontal medial.
- Ensaios de lembrança influenciaram a interpretação dos resultados comportamentais.
- Efeitos farmacológicos foram observados nos processos de recuperação cognitiva.
Conclusões
- Tarefas automatizadas fornecem uma estrutura confiável para avaliar a flexibilidade cognitiva.
- O córtex pré-frontal medial desempenha um papel fundamental na mudança de estratégia.
- Compreender esses mecanismos pode orientar pesquisas sobre transtornos cognitivos.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
Ensaios de flexibilidade comportamental são essenciais para reduzir os riscos na descoberta de fármacos neuropsiquiátricos, permitindo a investigação mecanicista de domínios da função executiva. Métodos operantes automatizados fornecem leituras padronizadas e de alto rendimento que apoiam a validação de alvos e a modelagem preditiva em sistemas relevantes para doenças. Esta abordagem melhora a continuidade translacional da neurobiologia básica até a triagem pré-clínica em modelos de esquizofrenia, depressão e transtornos cognitivos.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia Farmacêutica
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Valor Científico: Permite investigar as contribuições do córtex pré-frontal no deslocamento de estratégias e na aprendizagem por inversão, apoiando testes de hipóteses direcionados.
- Valor Operacional: Tarefas automatizadas de pressão de alavanca padronizam a apresentação de estímulos e a medição de respostas, reduzindo a variabilidade nos desfechos comportamentais.
- Valor Preditivo: A dissociação da dependência do córtex pré-frontal medial no deslocamento em comparação com a inversão orienta a seleção e redução de riscos de alvos baseados em mecanismos.
Desenvolvimento de Triagem e Ensaios
- Valor Científico: Quantifica a aquisição de regras e o desempenho na mudança de regras por meio de métricas de tentativas até o critério, permitindo análise dose-resposta de manipulações farmacológicas.
- Valor Operacional: A coleta de dados controlada por computador aumenta a produtividade e a reprodutibilidade entre laboratórios e campanhas de triagem.
- Prontidão do Ensaio: Ensaios de lembrança controlam interferências de memória, melhorando a especificidade das leituras de flexibilidade cognitiva na triagem de compostos.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Relevância para Doenças: Modela a inflexibilidade cognitiva em condições neuropsiquiátricas nas quais a mudança de estratégia está prejudicada, como esquizofrenia e doença de Alzheimer.
- Biomarcador Traduzível: A análise de tipos de erro (por exemplo, erros perseverativos versus regressivos) corresponde a substratos neurais distintos, apoiando a validação de alvos vinculados a biomarcadores.
- Continuidade Pré-clínica: Tarefas automatizadas de mudança e inversão de estratégia conectam a descoberta e a avaliação pré-clínica, fornecendo leituras comportamentais consistentes entre espécies e modelos.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
O método se insere no continuum de descoberta, desde a verificação da hipótese do alvo até a otimização do composto líder, especialmente para indicações cognitivas e neuropsiquiátricas que exigem avaliação da função executiva.
- Biologia da Descoberta: Apoia a redução de riscos mecanicistas ao isolar as contribuições do córtex pré-frontal para a flexibilidade comportamental por meio de manipulações farmacológicas ou anatômicas.
- Triagem: Fornece saídas quantitativas baseadas em ensaios que permitem a avaliação em alto rendimento dos efeitos de compostos na mudança de conjunto e na aprendizagem por inversão.
- Análise: Gera dados de ensaios até o critério e de padrões de erros que apoiam comparações estatísticas entre grupos tratados e condições experimentais.
- Pesquisa Translacional: Alinha-se à validação pré-clínica em modelos de doenças e de desenvolvimento neurológico nos quais a disfunção pré-frontal contribui para sintomas cognitivos.
- Reutilização Corporativa: Câmaras operantes padronizadas e protocolos de software permitem reutilização entre projetos em pipelines de farmacologia comportamental e validação de alvos.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Fornece uma compreensão mecanicista dos substratos neurais dissociáveis da mudança de estratégia e inversão, reduzindo a ambiguidade no engajamento do alvo.
- Valor Operacional: A automação padroniza treinamento, testes e coleta de dados, melhorando a reprodutibilidade entre laboratórios e reduzindo o viés do operador.
- Valor Estratégico: Permite decisões mais precoces de prosseguir/interromper ao prever efeitos colaterais cognitivos ou eficácia mediada pelo alvo em candidatos a fármacos neuropsiquiátricos.
- Impacto no Portfólio: Apoia o avanço ajustado ao risco ao identificar compostos que preservam ou restauram a flexibilidade comportamental em modelos relevantes para a doença.
Considerações sobre a Implementação
- Requer experiência em condicionamento operante, neurociência comportamental e sistemas automatizados de coleta de dados.
- Depende de câmaras operantes com alavancas retráteis, luzes estímulo, luz ambiente, dispensador de reforço e interface de computador para controle da tarefa.
- Necessita de protocolos padronizados de pré-treinamento para garantir taxas consistentes de pressão da alavanca e baixas taxas de omissão antes das fases experimentais.
- Envolve considerações de adaptação ao ser traduzido entre linhagens de roedores, modelos de doenças ou desfechos cognitivos além da mudança de estratégia e reversão.
- Limitado a desenhos de ensaios discretos; não é adequado para monitoramento comportamental livre ou contínuo sem modificação do protocolo.
