RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
ru_RU
Menu
Menu
Menu
Menu
Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Когнитивные аномалии, приводящие к изменению набора внимания, являются основной особенностью многих психических заболеваний. В данной работе мы представляем разработку новой автоматической системы для эффективного изучения способностей к переключению множества внимания, исполнительных функций и других когнитивных способностей у мышей с высокой трансляционной валидностью для исследований на людях.
Изменения в исполнительном контроле и когнитивной гибкости, такие как способность к переключению внимания, являются основными особенностями нескольких нейропсихиатрических заболеваний. Наиболее широко используемыми нейропсихологическими тестами для оценки смещения набора внимания у людей являются Висконсинский тест сортировки карт (WCST) и задание CANTAB на внутри-/экстрамерный сдвиг набора (ID/ED). Эти задачи доказали свою клиническую актуальность и были модифицированы и успешно адаптированы для исследований на животных моделях. Тем не менее, доступные в настоящее время задачи для грызунов имеют ряд ограничений, в основном из-за их ручных процедур тестирования, которые препятствуют трансляционному прогрессу в психиатрической медицине. Чтобы преодолеть эти ограничения и лучше имитировать оригинальную версию у приматов, мы представляем разработку новой оперантной двухкамерной задачи ID/ED «Оперон» для грызунов. Мы продемонстрировали эффективность этой новой задачи по измерению различных аспектов когнитивной гибкости у мышей, включая формирование и переключение набора внимания, а также обратное обучение. Более того, мы демонстрируем высокую гибкость этой задачи, в которой можно манипулировать тремя различными измерениями восприятия с большим количеством стимулов для каждого измерения. Эта новая задача ID/ED Operon может быть эффективным доклиническим инструментом для тестирования наркотиков и/или большого генетического скрининга, имеющего отношение к изучению исполнительной дисфункции и когнитивных симптомов, обнаруженных при психических расстройствах.
К вниманию набор-смещение является мерой когнитивной гибкости и исполнительных функций 1. Это относится к способности переключения между произвольными внутренними правилами ("когнитивно-к вниманию наборы"). Наиболее широко используемые нейропсихологические задачи для измерения к вниманию установку переключение передач и познавательную гибкость в человека являются Висконсин тест сортировки карточек (WCST) 2 и более поздние и более изысканный вариант: внутри- и экстра-мерном к вниманию набор смены (ID / ЭД) из Кембриджского нейропсихологических тестов автоматизированной батарея (Кембриджский) 3,4. Эти задачи были использованы для идентификации конкретных когнитивных нарушений у широкого круга психических расстройств, включая аутизм, шизофрения 5 6, болезнь Паркинсона 7, обсессивно-компульсивные расстройства 8 и дефицита внимания / гиперактивности расстройства 9. Клиническая значимость и твердые методологический подход WCST и ID / ED тесты имеют ATTracted интерес к реализации подобных тестов в доклинических исследований 10,11. Эти задачи позволяют для селективного измерения в той же теме различных когнитивных способностей, таких как дискриминационный обучения, разворота обучения, формирования к вниманию набор, смещение внимания в той же размерности (т. Е, внутри сдвиг измерений: IDS) и между различными восприятия размеры (т.е. экстра-мерном сдвиг:. EDS). Это важно, потому что различные участки мозга, а также невропатологии может изменить эти различные когнитивные функции по-разному. Например, двойной диссоциации или функциональный эффект специализации была продемонстрирована между боковыми (у обезьян и человека) / медиальной (у грызунов) и орбитальных областей ПФУ в заданных к вниманию сдвига задач. В то время как орбитофронтальную кора более активное участие в повороте фаз этих задач, боковая / медиальная область ПФК регулирует этапы экстра-размерные сдвига12-14.
Грызунов версии этих сосредоточения внимания набор смены тестов для приматов были успешно создана 13-16. Тем не менее, некоторые аспекты этих версий грызунов были ограничения их применения и использования. Например, эти задачи вручную запустить и, следовательно, весьма трудоемкий и трудно стандартизировать. Кроме того, наличие пищевых подкреплений внутри стимулов может привести к неоднозначной интерпретации ответов на животных и потенциального смещения в выборе решений 10. Эти характеристики ограничивают пропускную способность тестирования и, что более важно, их применение в крупномасштабных генетических и / или наркотиков скрининг-исследований.
Чтобы преодолеть эти ограничения и повысить потенциальные применения ID / ED смены парадигм в грызунов, мы представляем здесь новый двухпалатный оперантного основе задачу для проверки когнитивной гибкости у мышей. Эта задача роман точно имитирует задачу ID / ED используется в человеческой и не-приматов и обходит проблемы ранних версий. грызунов
Все процедуры были одобрены Министерством здравоохранения Италии и комитета местного использования животных и были проведены в соответствии с Руководством по уходу и использованию лабораторных животных директив Совета Европейского Сообщества.
Примечание: На рисунке 6 показан график всей процедуры протокола проверки ID / задачи ED.
1. Устройство

Рисунок 1. двухкамерный аппарат "Оперон". (А) Вид сверху всего устройства и (б) вид спереди одного камере, имитирующей мыши точки зрения в ходе испытания. 1: визуальные стимулы (LED); 2: журнал пищи; 3: нос совать отверстия-; 4: тактильные стимулы (текстуры); 5: обонятельные стимулы; 6: автоматические раздвижные двери; 7: Дом -легкий; 8: инфракрасный photobeam для контроля двери. Камеры (16 х 16 х 16 см 3) отделены друг от друга прозрачной пластиковой двери (6). Инфракрасные photobeams (8) отслеживали перемещения животных и контролировать открытие / закрытие автоматической дверью, чтобы позволить мышь для изменения камеры. Каждая камера представляет два носа совать отверстия (3) с инфракрасными photobeams, и между ними, питание журнал (2) с photobeams где осадок диспенсер доставил пищевое подкрепление. Дом света (7) расположена над каждой из двух журналов питания. Каждый нос совать отверстия-оснащен сменными серии стимулов, которые могли бы меняться в трех различных размеров (восприятия запаха, вид, такт). Первоначально опубликовано в "The конечной внутри- и внепространственной к вниманию набор-Shifting задача для мышей» 19. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Содержание "> Примечание: Устройство Оперон (Рисунок 1) состоит из двух идентичных камер с плексигласа стенами и алюминиевой этаже (16 х 16 х 16 см 3 для каждой камеры) Камеры разделены прозрачной оргстекла разделительной дверью, которая может быть автоматически. контролируется, чтобы мышь, чтобы получить доступ к любой камере. Каждая камера имеет два носа совать отверстия с инфракрасными photobeams, и между ними, питание журнал с photobeams где осадок диспенсер доставил пищевое подкрепление. Вентилятор и дом света находятся Над каждым из двух журналов питания.| Запахов | ТЕКСТУРЫ | ОГНИ |
| персик против мудрец | липучке против фильма | огни на V погаснет. |
| ванильного против лаванды | грубая наждачная бумага против мелкой наждачной бумагой | красный против зеленого |
| клубника против корицы | гладкой картон против коньковый картон | синий v. желтый |
| грейпфрут против орегано | Губка v. гладкого пластика | оранжевый против белый |
| лимон против абрикос | honeycАБУ бумага против алюминиевой фольги | исправить огни ст. мигалками |
Таблица 1. экземпляров, используемые в ID / ED Operon задачи. Составные дискриминация на основе фиксированных комбинаций пар экземпляров (рисунок 2 для примера последовательности дискриминации). Для образца пары из разных размеров представлены в случайных сочетаниях. Нейтральные стимулы для различных размерностей: поток воздуха с запахом не; белая бумага; нет света раздражители. Таблица первоначально опубликован в "The Ultimate внутри- и внепространственной к вниманию набор-Shifting задача для мышей» 19.
2. Подготовка животных
Примечание: представитель результаты, представленные здесь, были получены от мужчин C57BL / 6J, от 3 до 7 месяцев, в течение световой фазы.
3. Привыкание

Рисунок 2. Пример задачи ID / Под ред. Пример ID / ED "застрял-в-установите 'и' два 'парадигмы измерения показан. Взято из «Окончательное внутри- и внепространственной к вниманию набор-Shifting задача для мышей» 19. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
4. «Застрял в-установите" ID / ED Процедура парадигма
Примечание: Для этой процедуры, которые ранее использовались в обоих приматов и грызунов 7,15,16, необходимо, чтобы манипулировать три различных восприятия размеров длякаждый отдельный мыши испытания. Что касается этапов привыкания, все тестирования ежедневных сеансов начать путем размещения мыши в одном из двух камер, где все стимулы нейтральным. Перед началом пробы, стимул сигналы включены в противоположном камере. Затем делением дверь опускается, чтобы дать доступ мыши в другую камеру, где стимула реплики на.
Примечание: Еще одно условие для измерения к вниманию набор смены способность, используются как в приматов и грызунов 12,17 13, является "двумерный" парадигма. В этом случае, только два восприятия размеры используются во время испытания.
Анализ 6. Данные
Рисунок 2 показывает пример задачи ID / Под ред. Пары стимулов (или "Дискриминация 1 'или' 2 различения») случайно представлены на каждом этапе, и мышь должны выбрать правильный стимул в каждой паре. В этом примере таблицы, правильный образец Сообщается, жирным шрифтом. На первом этапе (SD или просто дискриминация), стимулы, представленные в два отверстия носа мешке отличались в одном из трех измерений (например, О1: Ваниль против O2: Лаванда) и мышь вознаграждены за выбор правильного образцом (например, О1). После того, как объект достигнет критерий в этой стадии, на следующий этап (CD или соединение дискриминация) начинается, где одни и те же образцами соответствующей размерности подарил обложил наугад экземпляров секунды, но ненужную измерение, введенный в сбивающий фактор ( например, L1:. синий свет vs.L2: желтый свет). Два разных дискриминация возможны в этой стадии (eitheR 'дискриминация 1 "или" 2 различения'). На следующем этапе (CDRe или соединение дискриминация разворота), награда непредвиденные вспять, но экземпляры и соответствующая размерность остаются неизменными: мышь имеет, чтобы узнать, что ранее правильно стимулом теперь неверен (например, лаванды запах теперь вознаграждены). На следующем этапе (IDS или внутри мерного сдвига), новые экземпляры (оба запахи и огни) вводятся, но соответствующая размерности (запах в данном примере) остается тем же (например, клубника является правильный выбор). На следующем этапе (РДЭ или внутри мерного разворот), награда непредвиденные вспять. После второго внутри сдвига измерений (IDS2 и его разворота), новые экземпляры введены, чтобы проверить экстра-сдвиг измерений (EDS), в котором изменяется соответствующая измерение. В «застрял-в-набора" EDS, мышь должна сосредоточиться на новом измерении (например, текстуры, T1: грубой шкуркой против T2: прекрасный SAndpaper), в то время как ранее отношение размера (в данном случае, запах) в настоящее время является значения измерения. В 'двухмерной "EDS, ранее значения измерения (в данном случае свет) теперь соответствующее измерение. На заключительном этапе (EDSRe или экстра-мерном разворота), награда непредвиденные вспять.
Для того чтобы получить достоверные результаты, размеры стимулирующих используемые в задаче должны быть одинаково хорошо научились. Как показано на рисунке 3, визуальная, тактильная и запах дискриминация в этом нового устройства требуется одинаковое время (F (2,64) = 0,36; р = 0,69) и аналогичное число испытаний (F (2,64) = 0,059; р = 0.94), чтобы достичь критерий, предполагая, что животные способны выполнять простые дискриминацию вне зависимости от размера подарил.
Если надежным к вниманию набор был разработан в течение тестирования этапов задачи, рнаилучших показателей нормального мыши дикого типа должны быть беднее на стадии EDS по сравнению с предыдущими и следующими этапами, как сообщалось в предыдущих исследованиях грызунов и приматов 12,13. В частности, надежная увеличение времени и испытаний, необходимых для достижения критериев должно быть найдено в СЭД по сравнению с стадиях IDS. Как показано на рисунке 4, в нашем эксперименте с протоколом "застрял-в-установите", анализ выполнения мышей показало, эффект дискриминации по количеству испытаний (F (8,168) = 9.23, P <0,0001) и время ( F (8168) = 8,62, р <0,0001), необходимое для достижения критериев. В самом деле, мышей, необходимые больше испытаний и больше времени, чтобы решить этап EDS по сравнению с стадиях CD, IDS, IDS2 и EDSRe (р <0,05; рис 4A-B). Аналогично, анализ производительности тестируемого с "двумерный" протокола (рисунок 5) показал значительное влияние дискриминации по количеству испытаний (F (8,72) = 3.66; р <0,005) и время (F (8,72) = 4,65; р <0,0005), которые необходимы для достижения критериев. В самом деле, мы показываем, что необходимые мышей больше испытаний (р <0,05) и более раз (р <0,05), чтобы решить EDS по сравнению с компакт-диска, IDS, IDS2 и EDSRe (5А-Б). Никаких различий в меняющихся возможностей не должно наблюдаться между мышами протестированы с различными размерами.
В нормальном мыши дикого типа, обучение первой разворот (т.е.., CDRe) сложнее, чем начальная дискриминации (т.е., CD). В соответствии, как видно из рис 4 и 5, мыши требуется больше испытаний (р <0,05; рис 4-5a) и больше времени (р <0,05; рис 4-5B), чтобы завершить эту стадию. Кроме того, производительность разворот должны улучшить от CDRe в IDSRe в IDS2Re, как мы покажем в нашем эксперименте с обеих «застрял-в-набора» и протоколов "двумерных". Эти ResulTS дальнейшего укрепления доказательства формирования к вниманию набор через задачи.
На протяжении задачи, мыши должны улучшить свою скорость, чтобы ответить в течение нескольких последовательных этапов. Соответственно, анализ задержки реагирования показали существенное влияние дискриминации (F (8200) = 42,59, р <0,0001). В частности, как показали результаты репрезентативных на рисунке 4C задержка тыкать в стадии IDS2 уменьшается по сравнению с, что в стадии IDS, CD и SD (р <0,0005). Кроме того, задержка реагировать в увеличилась на стадии EDS по сравнению с предыдущим IDS2 и IDS2Re и последовательных этапов EDSRe (р <0,05). В соответствии с этими результатами, анализ задержки отвечать во время «двумерной» задачи также показали значительное влияние дискриминации (F (7,63) = 9,98, р <0,0005). Как показано на рисунке 5С, задержка сделать выбор ша увеличилась за EDS по сравнению с предыдущим IDS2 и IDS2Re и последовательного EDSRe (р <0,05). Поскольку задержка в ответ был рассмотрен индекс принятия решения обработки 18, эти результаты позволяют предположить, что мыши возникли некоторые проблемы обработки новой отличительной правило в течение ЭЦП. На основании поведенческой производительности мышей дикого типа (Рисунок 4-5), мы определили, что минимальное количество размера выборки (по анализу мощности R) для каждой экспериментальной группы должен быть 8.

Рисунок 3. Простые дискриминация света, запаха и текстуры эквивалентны. (А) Количество испытаний и (Б) время, необходимое для достижения критерия на простых дискриминации с только света, запах или текстуры раздражители. Значения представляют среднее ± SEM по всему рисунках 2-4. Ори данныхзавод е опубликованы в «The конечной внутри- и внепространственной к вниманию набор-Shifting задача для мышей» 19.

Рисунок 4. дикого типа C57BL6J производительность самцов мышей в «застрял-в-установите" ID / ED OPERON задача. (А) испытаний, (Б) время (в минутах) и дни, необходимые для достижения критерия в различных стадиях идентификатор / ED Оперон задача, используя 'застрял-в-установите "ID / ED парадигму. (С) Время (в секундах), прошедшее между открытием делителя двери и ответ нос совать (Задержка ответить) во время различных этапов задачи. В общей сложности 26 мышей были протестированы; 4 мыши были исключены, потому что они не были надежно тыкать, чтобы получить пищевое подкрепление во время обучения или не смогли закончить еntire процедура. A: * р <0,05 по сравнению с CD, IDS, IDS2, IDS2Re и EDSRe; B: * р <0,05 по сравнению с CD, IDS2, IDS2Re и EDSRe. А и Б: #p <0,05, ## р <0,005 по сравнению с CD, IDSRe и IDS2Re. С: * р <0,05 по сравнению с IDS2, IDS2Re и EDSRe. Обратите внимание, что мыши смогли завершить всю задачу в 5-9 дней во всех экспериментах на рисунках 3-4. Данные впервые опубликована в "The конечной внутри- и внепространственной к вниманию набор-Shifting задача для мышей» 19. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 5. Дикого типа C57BL6J производительность самцов мышей в «двумерных» ID / EDОперон задача. (A) испытания, (Б) время (в минутах) и дни, необходимые для достижения критерия в разных стадиях ID / ED Operon задачи с использованием двумерную парадигму. (С) Время (в секундах), прошедшее между открытием делителя двери и ответ нос совать (Задержка ответить) во время различных этапов задачи. В общей сложности 13 мышей были испытаны; 3 мыши были исключены, потому что они не были надежно тыкать, чтобы получить пищевое подкрепление во время обучения или не смогли закончить всю процедуру. А и Б: #p <0,05 в сравнении с CD и IDS2Re * р <0,05 по сравнению с компакт-диска, IDS, IDS2, EDSRe. С: * р <0,05 по сравнению с IDS2, IDS2Re и EDSRe. Данные впервые опубликована в "The конечной внутри- и внепространственной к вниманию набор-Shifting задача для мышей» 19. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобыпросмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 6. Хронология всей процедуры протокола, чтобы проверить ID / ED задачу.
| стадия | Описание | Дополнительные замечания | Рекомендации |
| Простой Дискриминация (SD) | |||
| Соединение Дискриминация (CD) | Стимулы различаются в двух измерениях восприятия, такие как цвет и форма для зрительных стимулов в человеческом задачи, или между текстурными и запах стимулов для грызунов | ||
| Восстановление обучения (CDRe - IDSRe - IDS2Re - EDSRe) | Два образцомс в пределах восприятия размера у их армирование условные повернут так, что то, что было ранее правильно, то неправильно это, и наоборот) | В серийное обучения разворота, повышает производительность с последовательными в пределах съемочной разворотов. Таким образом, этапы разворота (т.е.., CDRe, IDSRe, IDS2Re) не только оценить функцию различных областей коры, но и служить 1) с образованием когнитивно к вниманию набор оспорены стадии EDS, и 2) для предотвращения суеверный кондиционирования для непреднамеренное аспекты стимула | - Поражения орбитофронтальную коры у мышей (Bissonette др., 2008) и monkyes обесценения Восстановление обучения (Диас и др., 1996) - МРТ во время выступления на обучение разворота показали активацию орбитофронтальную коры (Хэмпшир и Оуэн, 2006) |
| Intradimensional сдвига (IDS - IDS2) | Новые экземпляры введены, но то же самое измерение усиливается | IDS этапы сЭрве в качестве важнейшего внутреннего контроля (т.е.., EDS должен быть сложнее, чем IDS), а также внести свой вклад, чтобы сформировать когнитивно-к вниманию набор | Допамин истощение в ПФУ обесценения образование к вниманию набор (Роббинс и Робертс, 2007). 6-OHDA повреждениями обезьяны не показать классическую сокращение сокращение ошибок с первого (idS1) до последнего (IDS5) дискриминации, которые должны отражать приобретение в наборе к вниманию |
| Внепространственной сдвиг (EDS) | "застрял-в-установите" Протокол: ранее размер не имеет значения стимула заменен новое измерение стимулов, которые сразу же становится актуальным | Неспособность перейти к новой соответствующей размерности, не могут быть отнесены к какой-либо предварительной Узнав об этом измерении, так как он ранее не испытывал. Отказ, следовательно, отражает персеверации к ранее соответствующей размерности | - Поражения от гепатита mPFCе было показать ухудшить EDS у мышей (Bissonette и др., 2008), и mokeys (Диас и др., 1996) - Фронтальные пациентов лепестков обесценились в застрял-в-набора "персеверации" состоянии, но не в «два измерения» состоянии (. Оуэн и др, 1993) - Допамин в mPFC модулируется EDS производительность у мышей (Papaleo др., 2008;. Scheggia др 2014) и крыс (Танбридж др., 2004) |
| Протокол 'двух измерениях »: ранее значения измерение усиливается | очевидный провал переложить к вниманию набор может возникнуть, когда субъект способен отвлечь внимание от ранее соответствующей размерности (когда она становится не имеет значения), но, тем не менее, не в состоянии переориентировать внимание на недавно соответствующего размера | - Поражение в mPFC у крыс (Birrell и Браун, 2000) нарушена EDS сдвиг - МРТ во время выступления на EDS было показано активации вентро-боковая PFC (Гемпшире и Оуэн, 2006 г.)60; |
Таблица 2: Этапы ID / ED О Перон задача Описание этапов задачи, в том числе ссылок на поражения и фармакологических исследований, рассматривающих роль областях мозга, участвующих в различных конструкций проверенных в ходе задачи..
Авторы заявляют, что у них нет финансовых конфликтов интересов.
Когнитивные аномалии, приводящие к изменению набора внимания, являются основной особенностью многих психических заболеваний. В данной работе мы представляем разработку новой автоматической системы для эффективного изучения способностей к переключению множества внимания, исполнительных функций и других когнитивных способностей у мышей с высокой трансляционной валидностью для исследований на людях.
Мы благодарим Г. Пруццо за его прекрасную техническую помощь и механическую мастерскую ИИТ за помощь в создании нашего нового оборудования. Это исследование было поддержано Итальянским институтом технологии, грантом Марии Кюри FP7-Reintegration-Grant N°268247 и грантами Министерства здравоохранения Италии для молодых исследователей (GR-2010-2315883).
| Стены из плексигласа и алюминиевый пол | на заказ | (16 x 16 x 16 см для каждой камеры) | |
| Дверь из плексигласа | Индивидуальный | ||
| ПК | Dell Inc. | ||
| Программное обеспечение MED-PC IV&NBSP; | (Med Associates, Сент-Олбанс, Вермонт, США) | изготовлен | на заказ Используйте оперантный код для автоматического управления предъявлением стимулов и последовательностью этапов |
| Nose-poke hole | Med Associates, Сент-Олбанс, Вермонт, США) | ENV-314M | |
| Пищевой журнал | Med Associates, Сент-Олбанс, Вермонт, США) | ENV-303M | |
| Дозатор пеллет для армирования пищевых продуктов | Med Associates, Сент-Олбанс, Вермонт, США) | ENV-203-14P | |
| Бытовый фонарь | Med Associates, Сент-Олбанс, Вермонт, США) | Ольфактометр разбавленияЭНВ-315М | |
| (Med Associates, Сент-Олбанс, Вермонт, США) | Жидкие одорантыPHM-275 | ||
| (Sigma Aldrich, Дорсет, Великобритания) | (см. Таблицу 1) | ||
| Минеральное масло | (Sigma Aldrich, Дорсет, Великобритания) | M5904 | |
| Воздушный насос и пылесос | (Med Associates, Сент-Олбанс, Вермонт, США) | Вакуум PHM-280 | рекомендуется для удаления запахов в конце каждого испытания |
| Светоизлучающие диоды (LED) | Высокоинтенсивный, прозрачный драгоценный камень, 3 мм | ||
| Текстуры | пола | 3x3 см | |
| Армирующие гранулы | TestDiet | 5TUL 14мг | Для мышей |