Методическая статья

Полностью автоматизированная грызунов принадлежности Протокол сенсомоторной интеграции и когнитивных Контрольные эксперименты

DOI:

10.3791/51128

⸱

15 апреля 2014 г.

 , 
1Electrical and Computer Engineering, Michigan State University, 2Neuroscience Program, Michigan State University, 3Cognitive Science Program, Michigan State University

В этой статье

Краткое содержание

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Полностью автоматизированный протокол для грызунов оперантного обусловливания предлагается. Протокол основан на точном временного контроля поведенческих событий для расследования, в какой степени влияет это контроль нейронной активности, лежащая в основе интеграции сенсорно-познавательный контрольные эксперименты.

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Грызуны были традиционно используется в качестве стандартной модели животных в лабораторных экспериментах с участием множество сенсорных, когнитивных и двигательных задач. Высшие когнитивные функции, которые требуют точного контроля над ответов сенсомоторных таких как принятия решений для повышенного внимания модуляции, однако, как правило, оценивается в приматов. Несмотря на богатство приматов поведения, что позволяет множество вариантов этих функций, которые будут изучены, модель грызуна остается привлекательным, экономически эффективной альтернативой приматов моделей. Кроме того, способность полностью автоматизировать оперантного обусловливания у грызунов добавляет уникальные преимущества по сравнению с трудоемкой подготовки приматов во время учебы широкий спектр этих сложных функций.

Здесь мы представляем протокол для operantly крыс кондиционирования по выполнению рабочих задач памяти. Во время критических эпох задачи, протокол гарантирует, что открытое движение животного минимизируется Requiring животное 'Fixate' до Перейти кий не поставляется, сродни приматов экспериментального проектирования. Простой два альтернативных вынужденный выбор задача реализована, чтобы продемонстрировать производительность. Обсуждается применение этой парадигмы к другим задачам.

Введение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Изучая связь между нейрофизиологии и поведения является конечной целью в системах нейронауки. Исторически сложилось так, что имело место компромисс между моделью животное выбора и поведенческому репертуару 1-5. В то время как простые организмы, как морские слизняки 6 или кальмаров 7 широко используются для изучения свойств одиночных ионных каналов, нейронов и простых нейронных цепей, виды высших порядков необходимы для изучения более сложных функций, таких как пространственной навигации, принятия решений 8-11 и когнитивных контролировать 12-14. Несмотря на то, стандартная модель животного для человека, как поведение, использование приматов побуждает затрат и этические соображения, что препятствует их использованию в широком диапазоне экспериментов в настройки 15-18 одной лаборатории. Более простые модели на животных, таких как грызуны, как правило, предпочитали 19, при условии, что у них есть подобные нервные субстраты, лежащие в основе поведения, представляющие интерес.

"> Там в достаточно свидетельств того, что грызуны имеют сходные корковых и подкорковых структур как те, что у приматов 20-22. Грызуны, как известно, интегрировать информацию по нескольким сенсорных модальностей, чтобы направлять их действия 23-25, например, путем координации взбивая и нюхают во время исследовательского поведения 26 или за счет интеграции слуховые и зрительные / обонятельные события 25,27.

Здесь мы опишем основы для оперантного обусловливания грызунов, используемых для тестирования познавательных задач 28-32. В этой связи, субъекты обязаны зафиксировать внутри nosepoke отверстие и не поддерживают их морду в отверстие до презентации ходу кия. Поведенческая задача дизайн nosepoke пять отверстий, который обычно используется для 5-выбор исследований время задач последовательного реакция. В период задержки, ряд команд киев представлена ​​для руководства субъекта для выполнения действия. Эта структура может быть легко изменены в соответствии сширокий спектр экспериментов, в которых обучение тему, чтобы минимизировать его явного движения в течение короткого интервала не требуется. Это позволяет изучение степени, в которой пики активность отдельных нейронов зависит от конкретных сигналов в течение этого интервала. Протокол может минимизировать время обучения и может уменьшить по-предмет изменчивость обучения. Схема последовательности операций задачи показан на рисунке 1.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Все процедуры с участием животных были утверждены уходу и использованию животных комитета Университет штата Мичиган институционального (IACUC) на.

1. Экспериментальная установка

  1. Используйте оперантного окно кондиционирования, которая состоит из пяти-луночное nosepoke стены на одной стороне и доставка еды корыто на противоположной стороне.
    1. Центр nosepoke дыра рассматривается как "фиксации" дыры и четырех других отверстий (два на каждой стороне отверстия для крепления) считаются целевые двигатель отверстия. Каждое отверстие оснащен трехцветным светодиодом и инфракрасным луча системы эмиттер-детектора, который обнаруживает, когда животное попадает и убирается из отверстия для крепления.
    2. Используйте программируемый генератор тона для создания одиночных тональности с точностью до миллисекунды и подключите его к динамику установленной внутри оперантного окне. Управление генератор тона и nosepokes через поведенческой системы слежения с помощью соответствующего программного обеспечения. Используйте оборудование и обновлявляются системой, которая обеспечивает миллисекунд мониторинг временной шкалы поведенческих событий и контроля сигналов и ответов.
      Примечание: Амплитуда как тон и уровень шумов сигналы должны храниться около 60 ± 3 дБ УЗД.

2. Раннее Привыкание

  1. Ограничить потребление пищи субъекта постепенно ~ 5 г на 100 г нормального веса субъекта (например, на протяжении 3-х дней). Объект должен поддерживать 85-90% их вволю веса.
  2. Приучить тему к обработке экспериментатором и ознакомиться тему с аппаратом с первого дня запуска протокол лишение пищи. Начните обработку животное и поместить его в поле оперантного кондиционирования, обеспечивая при этом продовольственные гранул в гранул корыта поощрять предмет для изучения клетку и ознакомиться с наградой места доставки.

3. Тема обучения

  1. Общие указания
    1. Задача предложил здесь необходим четкой координации между восприятием слуховой команде, минимизации движений во время задержки и исполнения движения.
    2. Постепенно обучить шаг за шагом при условии, чтобы подготовить их для окончательного желаемого поведения.
    3. Убедитесь, что в конце каждого шага, предметом поддерживает> 75% поведенческий производительность не менее трех сессий подряд перед переходом к следующему этапу.
    4. После того, как заключительный этап достигается, объект должен оставаться на протоколе в течение недели, чтобы обеспечить производительность поддерживается на желаемом уровне.
  2. Старт: Ознакомиться тему с nosepoke отверстия, доставка еды порта и связи между мигающих отверстий и награды.
    1. Выберите один из четырех целей на случайной графику.
    2. Играть Перейти кий (белый слуховые шум) и держать светодиод внутри отверстия мигает (длительность импульса 0,3 сек).
    3. Установите секoftware наградить тему на визитов в отверстие.
    4. Тайм-аут суд через 30 сек, если отверстие не посетил и начать новое судебное разбирательство.
    5. Не вознаградить любые визиты в неправильных отверстий.
  3. Целевая Выбор: Наказать ошибочные визиты в невыбранных отверстий.
    1. По посещений неправильных отверстий, прекратить судебное разбирательство с последующим 5 сек черного отъезда.
      Примечание: Во время затемнения эпохи, светодиод фиксация отверстие выключен в клетке. Это означает, что субъект не может начать пробу и нуждается не ждать до отверстия для крепления светодиод начинает мигать.
    2. Выберите новое отверстие и начать новое судебное разбирательство.
  4. Nosepoke: Поезд тему, чтобы ткнуть внутри отверстия для крепления, чтобы начать судебное разбирательство.
    1. Вспышка желтым светодиодом внутри отверстия для крепления.
    2. После посещения фиксация отверстие сразу играть Go кий и начать новое судебное разбирательство.
    3. Наказывать неправильные посещена на 5 сек, Из затемнения.
  5. Задержка: преподавать этот предмет, чтобы поддерживать свой ​​нос внутри отверстия для крепления в течение установленного периода времени (период задержки), что постепенно увеличивается по мере прогрессирования обучение.
    1. Подождите, пока объект не посетить отверстия для крепления.
    2. Завершить испытание, если объект втягивается в пределах 500 мс. В противном случае, играть Go реплику.
    3. Наказывать преждевременных опровержения черной-аута для 7 сек.
    4. Награда правильные посещена путем предоставления шарик пищи.
  6. Два Кии (со светом): Увеличение и RANDOMIZE длину периода задержки и введем слуховой инструкции реплику.
    1. Увеличить длину периода задержки в среднем 1,5 сек.
    2. Выбрать случайное задержки длину периода в каждом испытании на основе однородной плотности между 1,3-1,8 сек.
    3. Представьте инструкцию реплику как слуховой тоном одночастотной импульсного в тройни, с длительностью импульса 150 мс имежимпульсный интервал 100 мс.
      1. Сразу Играть инструкцию реплику после предметом входит в отверстия для крепления.
      2. Связать два сигналы команд к каждой из целей.
      3. Используйте только один кий, связанный для каждой цели на данном этапе.
    4. Пусть предметом использовать оба слуховые и визуальные подсказки, чтобы выбрать целевую отверстие.
  7. Два Кии (без света): Поезд тему использовать только слуховые сигналы.
    1. Выключите мигающие светодиоды внутри целевых отверстия так, чтобы объект будет использовать только слуховые сигналы команд.
  8. Четыре подсказки: Введем еще два сигналы к последовательности случайным представленных киев команд и повторить разделы 3.5.3-3.6.1.

4. Поведенческий анализ данных

  1. Шанс: Определить уровень успеха как процент правильных посещений целей, деленное на общее число испытаний.
    1. Измерьте уровень успеха на каждом этапе обучения.
  2. Типы ошибок:
    1. Преждевременная отвод: измерить процент испытаний по тайм-ауту из-за раннего отводов от отверстия для крепления.
    2. Ошибка комиссия: Рассчитать процент неудачных испытаний, когда объект посещает необразованный цель
    3. Упущение Ошибка: Рассчитать процент ошибок, когда субъект не посетить любой из целей после пробного посвящения.
  3. Измеряемые параметры:
    1. Время реакции (RT): Для каждого испытания, измерения задержки между наступлением Go кия и предмет выходе из отверстия для крепления.
    2. Время на цель (ТТ): Измерьте продолжительность между объектом вывода из отверстия для крепления и ввода целевой отверстие.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Предложенная структура позволяет обучение тему по ряду познавательных задач. Здесь мы реализовали поручил задачу задержки с целью выявления механизмов целенаправленной действий в грызун префронтальной коры. На рисунке 1 показана блок-схема экспериментальной конструкции.

Чтобы убедиться, что предметом понимает требование задач на каждом шагу, показатели эффективности должны постоянно оценивать. На рисунке 2 показан пример производительность одного субъекта ме...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Крысы широко используются в исследовании нейронауки на протяжении более века. С введением Торндайка концепции закона эффекта у кошек 34, оперантного кондиционирования был стандартный подход для тестирования различных аспектов поведения животных. Многие эксперименты неврологии участием принятия решений и подготовки двигателя включают период задержки между сигналами команд и интервала действий. Желательно, чтобы минимизировать движения в эти периоды задержки, чтобы сократить смешивает в нервных данных, приобрет...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторы заявляют каких конкурирующих финансовых интересов.

Благодарности

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Эта работа была поддержана NINDS грант № NS054148.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Тычок в нос с 5 отверстиями и 3 Stim Cue Легкая крысиная клеткаCoulbournH21-06M/R
Тестовая клеткаCoulbournH10-11R-TC 
Программное обеспечение для графических состоянийCoulbourn 
Программируемый генератор тон/шумCoulbournA12-33 
Беспыльные прецизионные гранулыBio-ServF0165
Модуль динамикаCoulbournH12-01R 

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Goldstein, E. B. Cognitive psychology: Connecting mind, research, and everyday experience. , Wadsworth Publishing Company. (2008).
  2. Kandel, E. R., Schwartz, J. H., Jessell, T. M., et al. 4th edition. Principles of neural science. , McGraw-Hill. New York. (2000).
  3. Cisek, P., Kalaska, J. F. Neural mechanisms for interacting with a world full of action choices. Ann. Rev. Neurosci. 33, 269-298 (2010).
  4. Kalat, J. W. Biological psychology. , Wadsworth Publishing Company. (2012).
  5. Banich, M. T., Compton, R. J. Cognitive neuroscience. , Wadsworth Publishing Company. (2010).
  6. Carew, T. J., Pinsker, H. M., Kandel, E. R. Long-term habituation of a defensive withdrawal reflex in aplysia. Science. 175, 451-454 (1972).
  7. Hodgkin, A. L., Huxley, A. F. A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve. J. Physiol. 117, 500(1952).
  8. Romo, R., Salinas, E. Flutter discrimination: neural codes, perception, memory and decision making. Nat. Rev. Neurosci. 4, 203-218 (2003).
  9. Romo, R., de Lafuente, V. Conversion of sensory signals into perceptual decisions. Prog. Neurobiol. 10, (2012).
  10. Shadlen, M. N., Britten, K. H., Newsome, W. T., Movshon, J. A. A computational analysis of the relationship between neuronal and behavioral responses to visual motion. J. Neurosci. 16, 1486-1510 (1996).
  11. Beck, J. M., et al. Probabilistic Population Codes for Bayesian Decision Making. Neuron. 60, 1142-1152 (2008).
  12. Goldman-Rakic, P. S. Circuitry of primate prefrontal cortex and regulation of behavior by representational memory. Compr. Physiol. , (1987).
  13. Miller, E. K., Erickson, C. A., Desimone, R. Neural mechanisms of visual working memory in prefrontal cortex of the macaque. J. Neurosci. 16, 5154-5167 (1996).
  14. Fuster, J. M., Alexander, G. E., et al. Neuron activity related to short-term memory. Science. 173, 652-654 (1971).
  15. Fetz, E. E., Baker, M. A. Operantly Conditioned Patterns of Activity and Correlated Responses Cells and Contralateral Muscles. , (1973).
  16. Carmena, J. M., et al. Learning to control a brain--machine interface for reaching and grasping by primates. PLoS Biol. 1, e42(2003).
  17. Georgopoulos, A. P., Schwartz, A. B., Kettner, R. E. Neuronal population coding of movement direction. Science. 233, 1416-1419 (1986).
  18. Donoghue, J. P., Sanes, J. N., Hatsopoulos, N. G., Gaál, G. Neural discharge and local field potential oscillations in primate motor cortex during voluntary movements. J. Neurophysiol. 79, 159-173 (1998).
  19. Abbott, A. Laboratory animals: the Renaissance rat. Nature. 428, 464-466 (2004).
  20. Fuster, J. The prefrontal cortex. , Academic Press. (2008).
  21. Britten, K. H., Shadlen, M. N., Newsome, W. T., Movshon, J. A. The analysis of visual motion: a comparison of neuronal and psychophysical performance. J. Neurosci. 12, 4745-4765 (1992).
  22. Abbott, A. Neuroscience: The rat pack. Nature. 465, 282-283 (2010).
  23. Uchida, N., Mainen, Z. F. Speed and accuracy of olfactory discrimination in the rat. Nat. Neurosci. 6, 1224-1229 (2003).
  24. Jaramillo, S., Zador, A. M. The auditory cortex mediates the perceptual effects of acoustic temporal expectation. Nat. Neurosci. 14, 246-251 (2010).
  25. Cohen, L., Rothschild, G., Mizrahi, A. Multisensory integration of natural odors and sounds in the auditory cortex. Neuron. 72, 357-369 (2011).
  26. Deschênes, M., Moore, J., Kleinfeld, D. Sniffing and whisking in rodents. Curr. Opin. Neurobiol. 22, 243-250 (2012).
  27. Raposo, D., Sheppard, J. P., Schrater, P. R., Churchland, A. K. Multisensory decision-making in rats and humans. J. Neurosci. 32, 3726-3735 (2012).
  28. Bari, A., Dalley, J. W., Robbins, T. W. The application of the 5-choice serial reaction time task for the assessment of visual attentional processes and impulse control in rats. Nat. Protoc. 3, 759-767 (2008).
  29. Brasted, P. J., Dunnett, S. B., Robbins, T. W. Unilateral lesions of the medial agranular cortex impair responding on a lateralised reaction time task. Behav. Brain Res. 111, 139-151 (2000).
  30. Gage, G. J., Stoetzner, C. R., Wiltschko, A. B., Berke, J. D. Selective activation of striatal fast-spiking interneurons during choice execution. Neuron. 67, 466-479 (2010).
  31. Erlich, J. C., Bialek, M., Brody, C. D. A cortical substrate for memory-guided orienting in the rat. Neuron. 72, 330-343 (2011).
  32. Mohebi, A., Oweiss, K. G. Neural ensemble correlates of working memory in the rat medial prefrontal cortex. 41 st Ann. Meet. Soc. Neurosci. , (2011).
  33. Oweiss, K. G. Statistical signal processing for neuroscience and neurotechnology. , Academic Press. (2010).
  34. Thorndike, E. L. Animal intelligence: An experimental study of the associative processes in animals. Psychol. Monographs: Gen. Appl. 2, 1-109 (1898).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи