Методическая статья

Оперантной протоколы для оценки анализа затрат выгод во время усиленного решений грызуны

DOI:

10.3791/57907

⸱

10 сентября 2018 г.

 ,  ,  ,  , 
1Department of Optometry and Vision Science, The University of Melbourne, 2Neuroscience Research Center, Shahid Beheshti University of Medical Science, 3Department of Medicine, The University of Melbourne, 4Royal Melbourne Hospital

* These authors contributed equally

В этой статье

Краткое содержание

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

Анализ затрат выгод является весы подход, который мозг выполняет в ходе принятия решений. Здесь, мы предлагаем протокол обучить крыс на оперантного решений парадигмы где крыс выбрать высшие награды за счет ждет 15 s, чтобы получить их.

Аннотация

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

Армирование руководствуясь решений является возможность выбора между конкурирующими курсы действий, основанных на значении относительного преимущества и их последствий. Этот процесс является неотъемлемой частью нормального человеческого поведения и было показано, чтобы быть нарушена неврологических и психиатрических расстройств, таких как наркомания, шизофрения и депрессия. Грызуны давно используется для раскрыть нейробиологии человеческого познания. С этой целью были разработаны несколько поведенческих задач; Однако большинство не автоматизирован и трудоемкий. Недавнее развитие открытым исходным кодом микроконтроллера позволило исследователей для автоматизации задач на основе оперантного для оценки различных когнитивных задач, стандартизации стимул презентации, улучшение записи данных и следовательно, улучшение Результаты этих исследований. Здесь мы описываем автоматизированной задержки задачи на основе подкрепления руководствуясь принятия решений, используя оперантного t-лабиринту контролируется пользовательской программы. С помощью этих решений задач, мы показывают изменения в местах потенциальной деятельности в передней поясной коры крыса, пока он выполняет задачу на основе задержки принятия затрат и выгод.

Введение

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

Принятия решений — это процесс признания и выбор вариантов, основанных на ценностях и предпочтениями принимающего решения и последствия выбранного действия1. Хотя принятие решений широко изучены в различных областях (например, экономика, психология и нейронауки), нейронные механизмы, лежащие в основе таких когнитивных способностей являются полностью не поняли. Две подкатегории принятия решений являются восприятия решений и усиления руководствуясь принятия решений. Хотя они включают значительным пересекающихся элементов и концепций, восприятия решений опирается на имеющиеся сенсорной информации1,2, тогда как подкрепление руководствуясь принятия решений занимается относительное значение накопленный за конкретные сроки3действий. Одним из важных аспектов усиленного решений является анализ затрат выгод, который выполняется интуитивно мозга путем вычисления преимущества данного выбора и вычитая расходы каждого альтернативного варианта1.

T-лабиринту (или вариант Y-лабиринт) является одним из наиболее часто используемых лабиринты в научные эксперименты, используя грызунов. Животные помещены в начало руку (база T) и разрешено выбрать цели руку (один из стороны оружия). Такие задачи, как принудительное чередование или влево вправо дискриминации главным образом используются с грызунами в t-лабиринту для проверки ссылок и рабочей памяти4. T-лабиринты также широко используются в принятии решений эксперименты5,6,7. В простой дизайн вознаграждение помещается в руке только одна цель. Выбор является предсказуемым, и животных безусловно предпочли бы вознаграждение, а не ничего, независимо от значения награду. Другой вариант заключается в том, чтобы место награды в обе цели оружия и затем пусть животных сделать выбор какой путь принять в зависимости от нескольких параметров (т.е., природные предпочтение животного, разница в стоимости награды и расходы оплачиваются). В разработке на основе значений задача более сложная, задав свойства весы. Таким образом животное получает по-разному ценные награды, выбирая между двумя альтернативами, а также между расходами действий [то есть, количество ожидания (задержка основе) или количество усилий (на основе усилий) необходимо получать награды], Каждый вклад в решение, которое производится5,6.

В традиционной основе задержки t-лабиринту решений, животные проходят подготовку для выберите высокую награду руку (HRA) и избежать обратное низкое вознаграждение руку (ЛРА). По бокам HRA и ЛРА остаются неизменными на протяжении всего эксперимента. Хотя описанные выше задачи хорошо задокументировано в литературе, она страдает от нескольких процедурных недостатков. Во-первых имея фиксированной цели руку, животное знает, который руку на выбор с самого начала каждого судебного разбирательства. В этом случае животные могут выбрать цели руку, основанный на их памяти, а не на процесс принятия решений. Таким образом в основе задержки принятия парадигмы, если животное выбирает низкое вознаграждение за исследование вмешательство, он не будет ясно ли это из-за потери памяти или для изучения интервенции. Памяти контрольной группы для разделения наблюдаемое поведение от памяти проблемы могли бы быть рассмотрены, но это бремя исследователей и животных из-за дополнительной работы7. Второй проблемой является на момент принятия решений по животное: как только животные достигают решение зоны (соединение всех трех оружия), они обычно выглядят влево и вправо, взвесить затраты и выгоды относительно каждой руки и затем сделать их решение. Однако после нескольких испытаний, они выполняют такие вычисления до прибытия в зону в решение и просто запустить непосредственно на руки вознаграждения. Как результат, эти два недостатка — предварительно уклоном одной рукой и нахождение на момент принятия решений — как высоко прервать интерпретации электрофизиологических и данных нейровизуализации.

В методе, описано в этом документе предпочтительным руку (HRA) cued, слуховой сигнал и может варьироваться от судебного разбирательства в суде. Животных инициировать судебные процессы, введя тестовый зоны (рис. 1) и вызывая слуховой сигнал, «нос тыкая» инфракрасный ворота, который был размещен на стыке трех оружия. Звуковой сигнал (20 дБ, между 500 и 1000 мс) играют от диктора в конце цели руку.

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

Протокол

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

Все процедуры объяснил здесь были утверждены и осуществляются в соответствии с руководство по уходу и использованию лабораторных животных и были одобрены Флори Комитет по этике в области Институт животного или исследовательский центр неврологии.

1. жилья, обработка и ограничение питания

  1. Использование самцов крысы взрослого (обычно 8 недель) (любого штаммов) и держать их в комнате с циклом свет/темно 12-h.
  2. Ограничение их доступа к продовольствию для поощрения животных для выполнения задачи.
    Примечание: Жилье животных сингулярно предлагается, как это обеспечивает лучший контроль каждого приема пищи.
  3. На 1-3 обработки животных примерно 5 минут, 2 раза в день.
    Примечание: Обработка знакомит животных с контакта человека и снижает уровень стресса и тревоги в животных на протяжении экспериментов.
  4. Вес животных после каждого сеанса обработки. Использовать в первый день вес как сумма свободных кормления и продолжайте около 80-85% суммы их бесплатно кормление животных.

2. экспериментальные установки

  1. Используйте t-лабиринту оснащены 3 разделов или оружия, 2 колонки стимул, 5 раздвижной двери и 5 инфракрасные датчики или датчики инфракрасного луча (IRB).
    Примечание: T-лабиринту могут быть построены из древесноволокнистых плит средней плотности (MDF) и поливинилхлорид (ПВХ).
  2. Управление лабиринт, здесь построен на Arduino микроконтроллер.
  3. Скопируйте код Arduino в компьютер.
  4. Скачать программное обеспечение Arduino от программного обеспечения веб-сайта и установить его на компьютере.
  5. Подключите к компьютеру с помощью USB-порт микроконтроллер.
  6. На компьютере щелкните значок программного обеспечения, перейдите в меню Сервиси затем выберите порт.
  7. Из раскрывающегося меню выберите COM-порт (последовательный порт), который соединяет программное обеспечение на компьютер.
  8. Перейдите в меню Сервис и выберите пункт доски. Из раскрывающегося меню выберите тип Arduino, который управляет t-лабиринту.
  9. Нажмите кнопку загрузить в верхнем левом углу окна интерфейса. Выберите код Arduino. Дождитесь завершения процесса.
  10. Выберите последовательный монитор в верхней правой части окна интерфейса. Затем в новом окне всплывающее, измените скорость передачи данных до 115200.

3. привыкания в лабиринте

  1. Перед каждой сессией привыкания принести животных в комнату эксперимент по крайней мере 1 h до эксперимента.
  2. Оставьте 10 гранул сахара на каждой цели руку и открыть все двери.
    Примечание: На данном этапе существует не нужно отслеживать перемещения животных (рис. 1).
  3. Дни 1-3: место животные индивидуально в лабиринт для периодов 10 мин, 1 x в день, чтобы изучить лабиринт без ограничений.
  4. 4-5 дней: место животные индивидуально в лабиринте. Оставьте 2 гранулы в каждой руке и дать им возможность отведать пищу от обеих сторон. Удалите животное из лабиринта, сразу после еды окатышей с обеих сторон или после 5 минут в лабиринте.
    Примечание: Основное различие между этой стадии и предыдущем этапе является, что животные должны быть удалены из лабиринта сразу после еды окатышей с обеих сторон. Это будет ознакомиться животное с удаляется из лабиринта в конце судебного разбирательства.
  5. После каждой сессии чистые полы лабиринт с 70% этанола и убедитесь, что этанол испарилась до размещения следующее животное в лабиринте.

4. дискриминация обучение

  1. Подготовка лабиринт
    1. День 6: Принести животных в комнату эксперимент по крайней мере 1 h до эксперимента.
    2. Запустите программу Arduino и установить пробную номер 14, из которых первые 4 испытания будет принудительно выбором и остальные будет выбор испытания.
      Примечание: Программа случайным образом будет генерировать равное количество попыток быть назначен с левой и правой стороне t-лабиринту.
    3. Перед началом каждого судебного разбирательства, место 4 гранулы в руки цель, которая должна быть cued как HRA и 2 гранулы в другую руку, которая является ЛРА.
  2. Принудительный выбор пробной подготовки (4 исследования)
    1. Псевдослучайным образом блокировать одной рукой перед каждого судебного разбирательства, так что животное вынужден выбрать другой рукой.
      Примечание: Заблокированных рука может быть высокую награду руку или более низкое вознаграждение руку пока слуховой сигнал освещаются на стороне HRA.
    2. Место животного в поле Начало (рис. 1). После 5-7 сек одновременно открыть ворота Пуск и нажмите кнопку Пуск в окне интерфейса Arduino.
    3. Соберите животных сразу после еды гранулы или после 5 минут в лабиринте.
    4. Оставьте животное в клетке дома на 2 мин.
  3. Выбор суда обучение (10 исследований)
    1. До начала каждого судебного разбирательства закройте дверь B в руку, которая выбрана программное обеспечение быть HRA. Оставьте открытой дверь А в противоположной рукой (ЛРА).
    2. Место животного в поле Начало (рис. 1). После 5-7 сек одновременно открыть ворота Пуск и нажмите кнопку начать.
    3. Пусть свободно выбирать либо руку животных. Если животное выбирает HRA, открытых дверей A, пусть животное войти в палату, закрыть дверь A и открытых дверей B незамедлительно дать животных доступ к выбранной еда хорошо.
    4. Если животное выбирает ЛРА, открытых дверей B для того чтобы дать животных доступ к еда хорошо.
    5. Удаление животных после того, как он съел всю еду в отдельных продуктах питания хорошо и оставить его в дома клетке за 2 мин.
    6. Выполните 10 выбор испытаний для каждого животного и записывать выбор животного (HRA или ЛРА) в каждом испытании.
    7. Вычислить процент высокую награду Выбор (КПЧ) для всех выбор испытаний после каждой тренировки.
    8. После завершения 14 тропы индивидуальные раз, полученные каждым инфракрасного датчика отображаются в окне интерфейса Arduino.

5. задержки обучение

  1. После того, как каждое животное достигла 80% КПЧ в обучении дискриминации (шаг 4), Начните обучение задержки, запустив 10 испытаний в день для каждого животного. В этой стадии дверь B – будет открыт только с задержкой 5 s, когда животное выбирает HRA.
  2. Если животное достигает HRC 80% в конце тренировки с задержкой 5 s, увеличить задержку до 10 s для следующей сессии обучения.
  3. Как только животное достиг HRC 80% с задержкой 10 s, увеличить задержку до 15 s для следующей сессии обучения.
  4. Запись животного выбор для каждого судебного разбирательства для вычисления КПЧ после каждой тренировки.
  5. После завершения судебных процессов отдельных раз, полученные каждым инфракрасный датчик отображаются в окне интерфейса Arduino.
    Примечание 1: Таймер запускается при нажатии кнопки Ввод. «Time_decision» это время после совать нос IRB-1. «Time_left_1» является время, когда животное ломает IRB - 1 Л и «Time_left_2», когда нарушается IRB - 2 Л. Если поведенческие исследования в сочетании с электрофизиологии или нейронной изображений (например, кальция изображений) методы, фильм записи предлагается для лучшей синхронизации поведения животного в нервные сигналы.

6. электрофизиологии (изготовление электродов)

  1. Используйте один или биполярных электродов для записи местных потенциалов поля (LFPs).
    Примечание: Использование биполярных электродов предлагается потому, что он позволяет местных повторно ссылки для снижения воздействия объем проводимости. Таким образом записанные LFP является дифференциального напряжения между 2 электродами с ~ 200 мкм расстоянием между советы.
  2. Чтобы сделать биполярного электрода, склеить 2 электроды вольфрама или ветер 2 провода из нержавеющей стали вместе (как правило, используются PFA-покрытием из нержавеющей стали провода с диаметром 50 мкм).
  3. Припой заземления и записи провода к мини-розетка стать соединитель для электрофизиологии, система записи.

7. анестезия

  1. Чтобы имплантировать электроды, анестезировать крысы внутрибрюшинного введения смеси кетамин (100 мг/кг) и ксилазина (8 мг/кг), или управляющими изофлюрановая как описано в следующих шагах.
    Примечание: Изофлюрановая рекомендуется за счет улучшения управления его глубины анестезии.
  2. Использование анестезии машина с контролируемой кислорода и потока паров анестетика.
  3. Чтобы анестезировать животное, изофлюрановая, поместите его в камере индукции и установить изофлюрановая в размере около 4% и кислорода в 500-1000 мл/мин на цистит машины.
  4. Продолжайте индукции, пока восстанавливающих рефлекс животного исчезает.
  5. Установите уровень анестезии обслуживания на 1-2,5% кислорода изофлюрановая и 300-400 мл/мин на машине.
  6. Тепло площадку с изоляцией (вата) на стереотаксического устройство и затем обездвижить животное в стереотаксического устройства.
  7. Измерьте уровень анестезии путем сжимать пальцы животного.

8. хирургическая процедура

  1. С помощью электробритвы или ножницами, бритья голова животного где разрез должен быть сделаны.
  2. Скраб области хирургии с этанолом и затем повидон йод, 4%.
  3. Смазать глаза для защиты роговицы животного во время операции.
  4. Использование ткани щипцы, осторожно потяните кожу между глазами и ушами животного. Ножницами, вырезать кожу, который зажат между щипцами и удалить надкостницы.
  5. Используйте перекись водорода для очистки и дезинфекции черепа.
  6. Найти местоположение точки вставки электрод с помощью стереотаксического координат и пометить его на череп с постоянным маркером.
  7. Используйте ручной дрелью сделать одно отверстие для электродов заземления, один для закрепления имплантата и одно отверстие в записи электрода.
  8. Вставьте электродов для сведения к минимуму возможного ущерба корковых и подкорковых очень медленными темпами.
  9. Подключите Электрод заземления к черепу, используя небольшой винт.
  10. Закрепите штекерный разъем на месте с помощью тонкого слоя стоматологического цемента акриловые.
  11. Придать бупренорфин (15 мкг/кг подкожно) или мелоксикам (1-3 мг/кг, подкожно) как болеутоляющее средство.
  12. Оставьте животное в клетке на подогреваемый Коврик для восстановления. Наблюдать животных по крайней мере каждые 30 минут, до тех пор, пока он оправился от анестезии.

9. После процедуры подготовки

  1. После операции позволяют по крайней мере 10-дневный восстановительный период. Дом животные индивидуально с свободный доступ к продовольствию и воде ad libitum и контролировать их на ежедневной основе (см. Rudebeck, Уолтон, Смит, Баннерман и Rushworth7 для получения дополнительной информации).
  2. После восстановления запустите ограничения диеты животного до 85% суммы их бесплатно кормления.
  3. Переквалифицироваться животных в лабиринт, чтобы напомнить этапа дискриминации (шаг 4).
  4. Далее, переподготовки мышей до тех пор, пока они достигли 80% HRC.

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

Результаты

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

Здесь представлены данные записанные LFP от левой орбитофронтальной коры (OFC) и передней поясной коры (АКК) шести самцов крыс Wistar с помощью биполярного электрода (из PFA-покрытием из нержавеющей стали). Таблица 1 показывает длину поведенческих приобретение для каждого этапа обучения. Координаты для целевого места были определены от крыс мозг Атлас9 и заключаются в следующем: для AAC, 1,2 мм впереди bregma, 0,8 мм боковые средней линии, и 2 мм в...

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

Обсуждение

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

Грызуны давно используется в neuroscientific исследований, которые занимаются различные темы, от когнитивных способностей, таких как обучения и памяти2,14 и армированных поведение7,,1516 для централизованного контроля органов17,18 и neuropharmacology19,20...

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

Раскрытие информации

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

Авторы не имеют ничего сообщать.

Благодарности

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

Это исследование было поддержано RMH нейронауки Foundation, Австралия; в Австралии мозга фонд; РПИК Тйн Рид стипендий, Австралия; и проект грант от когнитивных наук и технологии Совета, Иран Аббас Haghparast.

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

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
T-mazeСамодельные
беспыльные прецизионные сахарные гранулыTSE Systems Intl. GroupF002345 мг, сахароза
кетамина гидрохлорид для инъекций, USPSigma-Aldrich6740-87-0
КсилазинSigma-Aldrich7361-61-7
стереотаксическое устройствоStoelting
IsofluranSanta Cruz Biotechnologysc-363629Rx
Провода из нержавеющей стали с покрытием PFAA-M системы
акриловый цементVertex, MA, США
производство из дерева или ПВХ (поливинилхлорида))местные поставщики
Mini-Fit Power ConnectorMolex 15243048
этанол 70%Местные поставщики
бупренорфиналмазная спина препараты
Arduino UNOArduinohttps://www.arduino.cc/
Инфракрасный излучающий диодSharpGL480E00000Fhttp://www.sharp-world.com/
Chronux ToolboxChronux.org
кодыhttps://github.com/dechuans/arduino-maze
Arduino

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Gold, J. I., Shadlen, M. N. The neural basis of decision making. Annual Review of Neuroscience. 30, 535-574 (2007).
  2. Shi, Z., Müller, H. J. Multisensory perception and action: development, decision-making, and neural mechanisms. Frontiers in Integrative Neuroscience. 7, 81(2013).
  3. Sutton, R. S., Barto, A. G. Reinforcement Learning: An Introduction. 1, MIT Press. Cambridge, MA. (1998).
  4. Khani, A., Rainer, G. Neural and neurochemical basis of reinforcement-guided decision making. Journal of Neurophysiology. 116, 724-741 (2016).
  5. Fatahi, Z., Haghparast, A., Khani, A., Kermani, M. Functional connectivity between anterior cingulate cortex and orbitofrontal cortex during value-based decision making. Neurobiology of Learning and Memory. 147, 74-78 (2018).
  6. Khani, A., et al. Activation of cannabinoid system in anterior cingulate cortex and orbitofrontal cortex modulates cost-benefit decision making. Psychopharmacology. 232, 2097-2112 (2015).
  7. Rudebeck, P. H., Walton, M. E., Smyth, A. N., Bannerman, D. M., Rushworth, M. F. Separate neural pathways process different decision costs. Nature Neuroscience. 9, 1161-1168 (2006).
  8. Gage, G. J., et al. Surgical implantation of chronic neural electrodes for recording single unit activity and electrocorticographic signals. Journal of Visualized Experiments. (60), e3565(2012).
  9. Paxinos, G., Watson, C. The Rat Brain in Stereotaxic Coordinates. , Academic Press. San Diego, CA. (1998).
  10. Bokil, H., Andrews, P., Kulkarni, J. E., Mehta, S., Mitra, P. P. Chronux: a platform for analyzing neural signals. Journal of Neuroscience Methods. 192, 146-151 (2010).
  11. Cohen, M. X. Analyzing Neural Time Series Data: Theory and Practice. , MIT Press. Cambridge, MA. (2014).
  12. Luk, C. -H., Wallis, J. D. Choice coding in frontal cortex during stimulus-guided or action-guided decision-making. Journal of Neuroscience. 33, 1864-1871 (2013).
  13. Rudebeck, P. H., et al. Frontal cortex subregions play distinct roles in choices between actions and stimuli. Journal of Neuroscience. 28, 13775-13785 (2008).
  14. Goshadrou, F., Kermani, M., Ronaghi, A., Sajjadi, S. The effect of ghrelin on MK-801 induced memory impairment in rats. Peptides. 44, 60-65 (2013).
  15. Haghparast, A., et al. Intrahippocampal administration of D2 but not D1 dopamine receptor antagonist suppresses the expression of conditioned place preference induced by morphine in the ventral tegmental area. Neuroscience Letters. 541, 138-143 (2013).
  16. Esmaeili, M. -H., Kermani, M., Parvishan, A., Haghparast, A. Role of D1/D2 dopamine receptors in the CA1 region of the rat hippocampus in the rewarding effects of morphine administered into the ventral tegmental area. Behavioural Brain Research. 231, 111-115 (2012).
  17. Chaleek, N., Kermani, M., Eliassi, A., Haghparast, A. Effects of orexin and glucose microinjected into the hypothalamic paraventricular nucleus on gastric acid secretion in conscious rats. Neurogastroenterology & Motility. 24, e94-e102 (2012).
  18. Kermani, M., Eliassi, A. Gastric acid secretion induced by paraventricular nucleus microinjection of orexin A is mediated through activation of neuropeptide Yergic system. Neuroscience. 226, 81-88 (2012).
  19. Kermani, M., Azizi, P., Haghparast, A. The role of nitric oxide in the effects of cumin (Cuminum Cyminum L.) fruit essential oil on the acquisition of morphine-induced conditioned place preference in adult male mice. Chinese Journal of Integrative Medicine. , 1-6 (2012).
  20. Ahmadi, A., et al. Synthesis and antinociceptive behaviors of new methyl and hydroxyl derivatives of phencyclidine. Current Medicinal Chemistry. 19, 763-769 (2012).

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

Operant T mazeDelay based Decision MakingReinforcement guided BehaviorRodent Cognitive TaskAutomated Behavioral AssayLocal Field PotentialAnterior Cingulate CortexInfrared Motion SensorsCustom Software ProgramSugar Pellet Reward

Похожие статьи