Summary
在这份报告中，我们提出了一个完全自动化和高度灵活的系统，能够同时测试多认知行为和记录老鼠的神经元活动。
Abstract
我们已经开发出一种完全自动化的系统操作行为测试和神经元的活动记录由多个认知脑功能，可以在一个单一的任务序列研究。该系统的独特功能，是一个特制的声学透明的腔，消除了许多相关的问题与听觉线索在大部分市售室控制。与操作性的设备可以添加或更换的方便，使这个系统相当多才多艺，允许各种听觉，视觉和嗅觉行为任务的执行情况。自动化系统允许罚款的时间（10毫秒）控制和精确的时间标记，每个事件在预先设计的行为序列。当一个多通道电生理记录系统，多认知脑功能，如动机，注意力，决策，耐心，和奖励相结合，可以顺序或独立审查。
Protocol
系统概述
该系统包括三个主要部分组成：（1）双层隔声室（工业声学公司，布朗克斯，纽约）;（2）多通道电生理记录系统（Neuralynx，博兹曼，吨）;（3）完全自动化，从地中海Associates公司（VT），圣奥尔本斯，定制行为测试系统。
图1A所示，操作性室位于里面的隔音室。一个用于连接电缆从探头的电生理记录系统（Figure1A）换向器（型号SL-36，蜻蜓的研究与发展公司，Ridgeley，西弗吉尼亚州），并监测和记录动物行为摄像机安装以上操作性室（Figure1A-B）。
定制设计的操作性商会
自定义设计，声学透明operanţ室（Figure1A-D）由三个声学透明的墙壁和一个模块化操作面板（ 图1B）。三个扬声器（笼高音，ENV_224BM，MED公司）安装在中间的顶部和两个侧面板用于发光听觉线索。听觉信号产生一个校准，可编程音频信号发生器（ANL-926）。刺激光（ENV_221M）和两个三重刺激LED显示屏（ENV_222M），分别位于中间和侧面板。这些刺激灯，可用于多感官的听觉，视觉行为测试。与三色LED灯（ENV_114M）的鼻子戳设备被安装在中间面板的底部。鼻子戳单元内安装一个红外探测器，用于信号的鼻子戳和持有期。可用于训练洞内的鼻子保持鼻子戳单元内的LED灯。操作性面板两侧安装在一个可移动的响应杆（ENV_112CM）。在mobilitŸ这些杠杆，可以灵活控制的杠杆，它可以有效地用于为初始任务，培训和研究的几个重要的认知功能的大脑（见下文）的存在。四对红外线光束源和1 4通道红外控制器（ENV_253）控制探测器（EVN_253SD）被置于腔的底部，以既表明动物的位置和控制其他设备基于动物的位置（ 图1A- E）。两个球掌柜的每一个内置在的红外哨兵（ENV_203M-45IR）分配到颗粒插座（ 图1A-C）的奖励。红外哨兵用于监测颗粒机的故障，并提供预警信号。
系统配置
如图2所示的系统连接和硬件组件的概述。在功能上，有两个平行的，互动个子系统：一个行为训练和电生理记录等。同步通过的MED-PC IV软件平台（SOF - 735）两个子系统。计算机发送命令行为的设备和TTL脉冲神经录音系统（信号流图2中的红色箭头表示），并接收由动物的反应和神经活动（信号流量显示绿色和蓝色的箭头，分别产生的信号，在图2）。这些并行，交互式系统启用同步行为/神经元的数据记录，并允许操纵动物的行为基于神经活动，或反之亦然 。
行为训练子系统一个SmartCtrl连接面板（SG-716B）作为一种双向沟通面板：即发送控制信号（ 图2中的红色箭头）从计算机的行为装置（红色方框中列出），TRansmit动物的响应信号（ 图2中的绿色箭头）回电脑。四通道IR控制器（ENV_253）的输出也路由到连接面板。通信接口卡（SmartCtrl接口卡，DIG-716B）和解码卡（辛-700F）在电脑中安装的PCI卡的连接面板（辛-704PCI）的信号。听觉线索所产生的刺激发生器（ANL-926），这也是控制的MED-PC IV通过解码卡软件（辛-700F）。正如图2所示，所有的接口卡在桌面接口柜（SG-6080D）托管。这个内阁还提供所有的行为设备的权力。
瞬间电生理记录子系统动物的反应，由计算机接收到的信号发送到神经录音系统通过的SuperPort的TTL卡（辛-726）和猎豹数字接口盒（不适用euralynx，博兹曼，吨）（ 图2）。这些行为的事件时间标记，并同时记录神经活动。神经尖峰检测线上从Neuralynx录音系统，可以作为输入信号行为控制子系统，操纵或干扰动物的行为。相反，操纵或干扰神经元活动与电动或optogenetic刺激技术相结合时，触发器可以被用来作为动物的响应信号。这些方法将是有价值的阐明神经活动和行为之间的因果关系。
编程和数据处理行为的控制程序被写入与跨IV软件（托马斯·A·TATHAM和MED的联营公司），并用Pascal编译器编译。每个训练步骤实现自动化，MED-PC IV软件装入跨四程序。也可以在线调整，通过培训瓦特训练参数类型改为，MED-PC IV软件的运行。横贯IV代码需要特定的系统设置和行为任务。但是，标准的培训方案，从MED Associates的自由，可以修改，以满足个别实验室的特定需求。在我们的设置使用的培训计划也要求免费提供。
行为数据自动保存，MED-PC IV软件。保存的数据可以转化为Microsoft Excel文件，使用的MED-PC的Excel程序（MPC2XL，托马斯·A·TATHAM和MED协会）。翻译的Excel文件，然后可以导入和分析，在MATLAB环境（MathWorks公司，Natick市，马萨诸塞州）。随着猎豹软件（猎豹5，Neuralynx，博兹曼，吨）的行为事件记录时间戳的神经数据也可以导入MATLAB进行分析。
训练
为了说明这个系统的运作，我们在这里描述两个替代选择间距歧视任务，旨在探讨大鼠的频率歧视门槛。一个任务的示意图如图3所示。
1。前培训
- 天真的成年男性，只SD大鼠，年龄〜60天开始。
- 训练前，限制食物摄入量，直到动物的体重〜90％基线广告libidum重量。
2。笼驯化
- 驯化的准备室，收回的杠杆和阻止与橡胶瓶塞（60毫升注射器的柱塞）激活鼻子戳设备，以防止动物的鼻子戳洞。
- 地方〜20充分的营养颗粒，每个颗粒插座（食品杯）（45毫克，产品＃F0021 BioServ，Frenchtown，新泽西州）。
- 放置一个天真的动物在驯化室。老鼠将很快开始探索食物的杯子和吃颗粒。
- 迫使大鼠室双方将通过随机分配到每个食品杯颗粒。一个30分钟的会议通常是不够的，建立食品杯关联。在一个30分钟的会议，老鼠通常会获得200 - 300粒，这是足以维持他们的体重在一个基线〜90％的水平不变。
3。杠杆推动培训
- 在一个新的会话，延伸到会议厅的两个杠杆和离开食品杯空。
- 下一步，放入驯化大鼠室。当动物进入附近的一个杠杆，免除手动弹丸通过MED-PC IV软件。还提供奖励时，老鼠显示了利率杠杆，如嗅，触，或攀爬，。一个偶然的杠杆推也应该触发奖励automatically通过该方案。
- 鼓励杠杆推动和强制两个杠杆的探索，允许动物，以推动各杆连续的次数有限。当达到限制时，收回的杠杆。当两杆缩回，延长他们重复的过程。
- 逐渐减少，直到杆缩回每次推的时间限制。一到两个30分钟的会议，通常是不够的，建立杠杆推 - 食物奖励协会。
4。鼻捅培训的
- 在一个新的会话，收回的杠杆，从鼻子戳橡胶瓶塞。将几个小球，鼻子里捅，鼓励老鼠的鼻子戳设备在探索的兴趣。
- 重新引入动物室。随机的两个杠杆，当老鼠嗅着食物颗粒的鼻子戳孔扩展之一。
- 见此延长杆，老鼠会接近和推动的杠杆来获取食物PEL让。按下杠杆和奖励被免除后，收回的杠杆，鼓励探索鼻子戳设备的大鼠。它通常需要大约20至30分钟，学习任务序列： 鼻子戳 → 杠杆扩展 → 杠杆推 → 奖励 。
5。暗示训练
- 在一个新的会话，发挥听觉线索后，有一个短暂的延迟（100到250毫秒）的鼻子捅事件。延长每个听觉线索演示后，左，右杠杆短期内（100毫秒）。
- 奖励的老鼠，只有当它推听觉线索表明杆。动物会逐渐了解联想到一个特定的听觉线索，一杆。动物，然后开始一个新的序列审判： 鼻戳 → 线索 → 杆推 → 奖励/奖励 （ 图3）。高误报率，因为在最初的学习会，补充FO外径应保持在每次训练后的体重。
- 在未来数30分钟的会议，让老鼠实践的新学到的任务，直到达到一致的性能水平（见一个典型的学习曲线图3A）。一旦任务被掌握，一只老鼠可以得到约200 - 300颗粒每30分钟的会议，这是足以维持其体重。
6。代表结果
按照上述协议，我们训练大鼠承认纯音脉冲两种不同的模式训练6个短音组成的具有相同的频率（F，升F，男，女，男，女），或不同频率（F，升F-ΔF ，F的F-ΔF，F-ΔF）1-5。每个音PIP持续时间为200毫秒的音点的时间间隔为400毫秒。在本研究中，F的设置为10千赫和ΔF1〜50％的F（ 图3）。通常情况下，ΔF成立在比较大的价值，在培训期间：5千赫，4 kHz时，3千赫，2千赫，1千赫，促进了培训。每个纯音ΔF值不同的脉冲序列，提出了随机在一个给定的会话。
如图3所示的两种替代选择间距辨别任务。大鼠进行了培训，他们的鼻子捅到鼻孔（ 图1B和图3，底部）开始试用。鼻子捅触发的听觉线索广播。识别的线索后，大鼠室的正确运行，接近杆，杆延伸到室等待，然后在一定时间内窗口（杠杆活动时间推杠杆，1至2秒），以获得奖励（ 图3）。命中率计算每个ΔF值除以每一个人ΔF值的总试验数的命中试验。一个标准的75％命中率被用来表明，老鼠已经学会的任务。一个典型的学习曲线，一只老鼠在图4A。每个颜色的线描绘了不同的ΔF（ΔF0代表恒定的脉冲序列），每个脉冲串的学习进度。平均而言，它花了约七培训班（从听觉线索介绍，5步骤提示训练的第一届会议开始）将达到75％的命中率标准。
该系统还允许在执行任务实验者设计动物的行为的定量表征。三个动物行为学研究中被广泛使用的测量， 如图4所示，B - ð反应时间，主要反映动物的注意力的任务，作为测量时间的推移发病之间的听觉线索和杠杆推动。审间的时间间隔，反映如何犯了一个动物的任务是在发起每个试验动物虚假审判，并没有超时处罚，被绘制在图4C。在一个会话中的表现时空变化，代表动物的整体性能的动态模式，反映改进/适应可能发生在一个单一的会议，绘制图4D。每届会议分为初，中，晚期的每个阶段（10分钟）。在这种测量被用来奖励在每个阶段的累计数字。
几个（ 图5A，并见讨论）认知行为的神经基础，也可以解决这个系统通过记录执行任务的动物的神经活动。同时记录在基底核（NB）和大鼠脑腹侧被盖区（VTA）的神经活动的例子表明在神经元的点火时间戳记，涉及到每个审判的事件（如图5B和C。鼻子戳，杆推，听觉线索演示和识别，实际收到的奖励），并在分析这些行为的任务事件。阐明各种认知行为的神经基础，结合行为和神经活动记录本系统的结果将是富有成效的。
图1系统的主要组成部分（A）和定制的听觉操作性室（二） 答操作性室的示意图坐落在双层隔音的房间。整个房间的墙壁，以消除声散射和挠度安装消声泡沫楔：换向器路由电线神经元活动的录音系统; B：摄像机用于监视和记录动物的行为; C：佩莱掌柜;操作性室E：红外线接收器。B.操作性室，包括三个声学透明的墙壁和一个模块化操作面板。看到详细的说明文字。
图2系统原理概述。该系统包括两个子系统：行为训练和神经活动录音系统。通过TTL脉冲（有关详细信息，请参阅系统配置 ）两个子系统交互方式互相沟通。红色箭头表示命令和/或行为的事件，从计算机发送的绿色箭头表示动物的响应信号反馈到计算机;和蓝色箭头表示信号输入神经穗事件检测在线的Neuralynx录音系统。
图3。双另类通道OICE频率歧视任务。框图 显示了基本的任务序列。 底 ，主体行为的行动示意图描述。绿色箭头表示任务的顺序流。
代表结果的两种替代选择频率歧视任务A.学习曲线： 图4。每个颜色的线代表了大鼠的学习每个频率的变化（ΔFs）歧视的进展。暗线代表平均频率变化的学习曲线。B.反应时间的分布，提示发病时间杠杆推圈测量。 三审间的时间间隔分布。 四时空性能的动态范围内测量会议在早，中，后期阶段的会议取得的报酬积累。一将B中的数据 - 在最后阶段时，老鼠的表现超过75％的命中率是D的。
图5。认知行为和大脑功能，可以使用该系统的研究。认知行为的例子。顶端的标题描述一审判序列中的每一个动作。底部字幕显示，可以研究的认知行为。请注意，这两个杠杆在所有图片中提取除了在 D杠杆是在处理延伸到室。B.射击老鼠NB记录神经元模式执行两个选择听觉任务。光栅图像在每个试验射击的情节。每个彩色矩形代表了细胞的射击和发射率编码的颜色。 底 ，围甚至ţ直方图射速。烧制的建设的行动之前，请注意（零微秒由红色虚线垂直线表示，时间推杆）和逐步分散的射击后的行动。C.射击记录中的腹侧被盖区神经元模式老鼠执行两个选择听觉任务。一个单一的腹侧被盖区神经元在每个审判射击，光栅图像阴谋。每个彩色矩形代表的腹侧被盖区神经元发射，其发射率是由彩色编码。 底 ，围事件的发射率的直方图显示光栅图像。推拉杆的动作之前，请注意稀疏射击，马上（零微秒，垂直的红色虚线表示），在一段时间内，当老鼠获得奖励和大力射击。这种神经元的活性，这两个动作之间几乎是寂静。在大脑中植入的的钨stereotrodes被用于REC奥德从NB和腹侧被盖区神经元活动时，同时大鼠执行任务。穗排序进行脱机使用SpikeSort 3D软件（Neuralynx，博兹曼，吨）。
Discussion
在任何听觉行为的任务设计中的一个重要方面是消除散射和挠度测试环境造成的不必要的声音。穷人的声音控制，可以有一个显着的效果，被测试的行为，会产生误导甚至无法解释的结果。在系统中使用的行为腔形容这里是专门设计的声学透明，以避免室墙壁的声音偏转。事实上，当测量室中心，健全的偏转是有效地检测不到（数据未显示）。
虽然我们开发这个系统，主要用于研究听觉系统，它可以很容易地适应其他研究人员通过研究其他感官系统。修改可以很容易地对软件和硬件不同的任务，在不改变系统的整体配置。模块化的操作面板使得系统特别versati乐以允许除了和/或不同的设备替换为新的行为任务。例如，嗅觉行为的任务可以被植入到鼻子戳设备提供嗅觉刺激。五个选择照明鼻子与嗅觉刺激的MED（env-115A的）捅墙，可以很容易地安装，操作面板上的复杂的嗅觉任务。此外，所有操作性设备可以很容易地取代那些不改变系统配置的小鼠设计。
每个操作性的设备，精确的时间控制以及高分辨率记录单事件在给定的试验，使设备的准确操作，自定义行为的任务设计，以满足不同的认知脑功能（见下文）。当神经元的活动记录相结合，在神经科学领域的丰富多样的问题，可以研究这个系统。例如，在Auditory上述任务，对大脑认知功能有关的下列问题，可以在一个单一的试验研究：
（1）。动机：由于每个审判是启动动物的“自我激励”的鼻子，戳行动（图5A-和图3）动机可以因此被评估通过测量在一个给定的会话的动物进行的试验总数的定量，或连续试验的数量进行6,7。
（2）。注意：获得奖励在审判的关键是要正确认识听觉线索。在约25％的大鼠，不能训练，执行任务，缺乏参加的听觉线索的主要因素。相反，在大鼠学习任务，短暂的停顿的行为是在听觉线索介绍明显（ 见图5A-B和图3）。通过使用这个系统，因此，它是可能为“关注DEFI（一）屏幕大鼠国旅总社“（二）重视学习的神经机制与神经元的录音时相结合而动物的听觉线索8-10出席。
（3）。决定：动物的听觉线索后确认，决定哪个方向，把接近正确的杠杆，在有限的时间窗口（ 图5A-C）。因此，它是研究决定，决策11,12的有效范式。
（4）。耐心：杆延伸的时机可以控制这种动物有等待杆后到达的地方的杠杆将延长（ 图5A-D）。通过改变等待的长度，可以测试和动物的忍耐程度，量化13。
（5）。奖励：任务的最终目标是获得的奖励（ 图5A-E和图3）。因此使用此系统的行为任务可以很容易地设计研究奖励的决定问题的许多方面和14-17大脑功能的价值体系。
Disclosures
MED Associates公司赞助的生产和免费访问这个视频文章
Acknowledgments
这项工作是由神经科学的研究基金会和圣地亚哥基金会和G。哈罗德和莱拉华马瑟斯慈善基金会Blasker玫瑰Miah基金的拨款支持。
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