Summary
설치류 조건화에 대한 완전 자동화 된 프로토콜을 제안한다. 이 프로토콜은이 컨트롤의 영향을 신경 활동 기본 감각 통합,인지 제어 실험에 대한 정도를 조사하기 위해 행동 사건의 정확한 시간 제어에 의존합니다.
Abstract
설치류는 전통적으로, 감각인지, 그리고 모터 무수한 업무를 포함하는 실험실 실험에서 표준 동물 모델로 사용되었습니다. 이러한 의사 결정과 주의력 변조 등의 감각 반응에 대한 정밀한 제어를 필요로하는 고등인지 기능은, 그러나, 일반적으로 인간이 아닌 영장류에서 평가됩니다. 공부하는 이러한 기능의 여러 변종을 수 영장류 행동의 풍요 로움에도 불구하고, 설치류 모델은 영장류 모델 매력적인, 비용 효율적인 대안 남아있다. 이러한 복잡한 기능의 넓은 범위를 공부하는 동안 또한, 완전히 설치류 조건화를 자동화 할 수있는 능력은 인간이 아닌 영장류의 노동 집약적 인 훈련을 통해 독특한 장점을 추가합니다.
여기, 우리는 작업 메모리 작업을 수행하는 방법에 대한 operantly 조절 쥐를위한 프로토콜을 소개합니다. 태스크의 임계 에포크 동안 프로토콜은 동물의 명백한 requ의 움직임이 최소화되도록이동 큐가, 인간이 아닌 영장류 실험 설계에 가깝다 전달 될 때까지 '흥분'에 동물을 iring. 간단한 두 가지 대체 강제 선택 작업은 성능을 보여주기 위해 구현됩니다. 우리는 다른 작업이 패러다임의 응용 프로그램에 대해 설명합니다.
Introduction
신경 생리학과 행동 사이의 관계를 연구하는 것은 시스템 신경 과학의 궁극적 인 목표입니다. 역사적으로, 동물 모델의 선택과 행동 레퍼토리 1 ~ 5 사이의 트레이드 오프가 발생했습니다. 바다 슬러그 6 오징어 7 같은 단순한 생물이 하나의 이온 채널, 뉴런과 간단한 신경 회로의 특성을 연구하기 위해 광범위하게 사용되고 있지만, 높은 차수의 종은 같은 공간 탐색, 의사 결정 8-11을하고인지와 같은 더 복잡한 기능을 연구하는 데 필요한 12-14을 제어 할 수 있습니다. 동작 같은 인간을위한 표준 동물 모델에도 불구하고, 인간이 아닌 영장류의 사용은 15 ~ 18을 설정 한 실험실에서 실험의 넓은 범위에 걸쳐 사용을 배제 비용 및 윤리적 고려 사항을 묻는 메시지가 나타납니다. 설치류와 같은 간단한 동물 모델은 일반적으로 그들이 관심의 동작을 기본 유사한 신경 기판을 제공, 19 바람직하다.
"> 설치류가 영장류 20-22에서 발견 된 것과 유사한 대뇌 피질 및 피질 하 구조를 공유 할 것을 제안 충분한 증거가있다. 설치류도 자신의 행동 23-25을 안내하는 여러 감각 양상에 걸쳐 정보를 통합하는 것으로 알려져 있습니다, 예를 들어, 내 쫓기 조정하고 찾아내어 답사의 행동 26시 또는 청각 및 시각 / 후각 이벤트 25, 27를 통합하여.여기에 우리가인지 작업 28-32을 테스트하는 데 사용되는 설치류의 조건화를위한 프레임 워크를 설명합니다. 이 프레임 워크에서는, 주제는 nosepoke 구멍 안쪽에 흥분하고 이동 큐의 프리젠 테이션 때까지 구멍 안에 자신의 주둥이를 유지하기 위해 필요합니다. 행동 작업은 통상적으로 5 - 직렬 선택 반응 시간 작업 연구에 사용되는 다섯 홀 nosepoke 디자인입니다. 지연 기간 동안, 명령어 큐들의 범위는 액션을 수행하는 피사체를 안내하기 위해 제공된다. 이 프레임 워크는 쉽게 맞게 수정 될 수있다피사체를 훈련하는 짧은 간격 동안 그것의 명백한 이동을 최소화 할 수있는 실험의 넓은 범위가 필요하다. 이 개별 뉴런의 스파이크 활동이 간격 동안 특정 신호의 영향을받습니다 정도를 공부 허용합니다. 프로토콜은 훈련 시간을 최소화 할 수 있으며 맞은 피사체 학습 변동성을 감소시킬 수있다. 태스크의 개략적 인 흐름도가도 1에 도시된다.
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Protocol
동물과 관련된 모든 절차는 미시간 주립 대학 기관 동물 관리 및 사용위원회 (IACUC)에 의해 승인되었다.
1. 실험 설정
- 한쪽에 다섯 홀 nosepoke 벽과 반대편에 음식 배달 통 구성 조건화 상자를 사용합니다.
- 센터 nosepoke 구멍이 "고정"구멍 4 개의 다른 구멍 (고정 구멍의 양쪽에 각각 2 개씩)로 간주됩니다는 모터 대상 구멍 간주됩니다. 각 구멍은 삼색 LED 및 동물이 들어가 고정 구멍으로부터 후퇴 할 때 감지 적외선 이미 터 - 검출기 시스템이 장착된다.
- 밀리 초 단위의 정밀도를 가진 단일 주파수 톤을 생성하고 조작 적 상자 내부에 장착 된 스피커에 연결하는 프로그램 톤 제너레이터를 사용합니다. 적절한 소프트웨어를 사용하여 행동 추적 시스템을 통해 음원과 nosepokes을 제어한다. 하드웨어 및 softw를 사용행동 사건과 단서 및 응답 제어 밀리 초 척도 모니터링을 제공 시스템이다.
참고 : 톤 및 노이즈 신호 모두의 진폭이 60 ± 3dB SPL을 보관해야합니다.
2. 초기 요법 이니
- (3 일의 과정을 통해 예) 피사체의 정상 체중의 100g 당 서서히 ~ 5g에 피사체의 음식 섭취를 제한합니다. 주제는 임의로 중량의 85-90%을 유지해야한다.
- 실험자에 의해 처리에 주제를 길들과 음식 부족 프로토콜을 시작하는 첫날부터 기기와 함께 주제를했습니다. 동물을 처리하기 시작하고 케이지를 탐구하고 보상 배달 위치에 대해 잘 알고 얻을 수있는 주제를 장려하기 위해 펠릿 물마루 식품 알약을 제공하면서 조건화 상자에 넣습니다.
3. 제목 교육
- 일반 노트
- 여기에 제안 작업은 지연 시간과 움직임을 실행하는 동안 움직임을 최소화, 청각 신호의 인식 사이의 정확한 조정이 필요합니다.
- 점차적으로 최종 원하는 동작을 위해 준비하는 주제 단계별 훈련.
- 각 단계의 끝에서, 대상은 다음 단계로 진행하기 전에 적어도 세 개의 연속적인 세션> 75퍼센트 행동 성능을 유지하고 있는지 확인하십시오.
- 최종 단계에 도달하면 성능이 바람직한 수준으로 유지하기 위해 일주일 동안 프로토콜에 제목을 유지합니다.
- 시작 nosepoke 구멍, 음식 배달 포트와 번쩍이는 구멍과 보상 사이의 관계와 주제를 잘 알아.
- 임의의 일정에있는 4 개의 대상 중 하나를 선택합니다.
- 이동 큐 (흰색 청각 소음)를 연주하고 (0.3 초 펄스 기간을) 깜박 구멍 안쪽에 LED를 유지합니다.
- 의를 설정oftware 구멍 방문에 주제를 보상합니다.
- 제한 시간 30 초 후 시험 구멍이 방문하고 새로운 시도를 시작하지 않은 경우.
- 잘못된 구멍에 대한 방문을 보상하지 않습니다.
- 대상 선택 : 선택되지 않은 구멍에 잘못된 방문을 처벌.
- 잘못된 구멍에 방문하면, 블랙 아웃의 5 초 뒤에 재판을 종료합니다.
참고 : 블랙 아웃 시대 동안 고정 구멍 LED는 케이지에서 꺼집니다. 이 주제는 시험을 시작할 수 없습니다 것을 의미 LED가 깜박이기 시작 고정 구멍 때까지 기다려야합니다. - 새로운 구멍을 선택하고 새로운 시도를 시작합니다.
- 잘못된 구멍에 방문하면, 블랙 아웃의 5 초 뒤에 재판을 종료합니다.
- Nosepoke : 재판을 시작하기 위해 고정 구멍 안에 찌를 제목을 훈련.
- 고정 홀 내부에 LED가 황색을 깜박입니다.
- 방문에 고정 구멍이 바로 가기 큐를 재생하고 새로운 시도를 시작합니다.
- 5 초 부정확 방문을 처벌, 블랙 아웃의.
- 지연 : 훈련이 진행됨에 따라 점차적으로 증가 시간 (지연 시간)의 일정 기간의 고정 홀 내부에 자신의 코를 유지하기 위해 주제를 가르친다.
- 고정 홀을 방문하는 주제를 기다립니다.
- 피사체가 500 밀리 초 내에 후퇴 경우 시험을 종료합니다. 그렇지 않으면, 이동 큐를 재생합니다.
- 7 초 동안 블랙 아웃 기간에 조기 철회를 처벌.
- 음식 펠릿을 제공하여 올바른 방문을 보상.
- (라이트)와 두 개의 큐 : 증가 및 지연 시간 길이를 랜덤 및 청각 명령 큐를 소개합니다.
- 1.5 초의 평균과 지연 기간의 길이를 증가시킨다.
- 1.3-1.8 초 사이에 균일 한 밀도에 따라 각 재판에서 임의의 지연 시간 길이를 선택합니다.
- 취급 150 밀리의 펄스 기간 트리플렛에서 펄스 단일 주파수 톤과 같은 청각 큐 및 소개100 밀리의 interpulse 간격.
- 피사체가 고정 구멍을 입력 한 후 명령 바로 큐를 재생합니다.
- 대상에 각각 두 개의 명령 신호를 할당합니다.
- 만이 단계에서 각 대상에 연관된 하나의 큐를 사용합니다.
- 피사체가 대상 구멍을 선택 모두 청각과 시각적 단서를 사용하자.
- (빛이없는) 두 개의 큐 :에 제목을 훈련은 청각 신호를 사용합니다.
- 대상은 청각 명령 신호를 사용하는 것이 있도록 대상 구멍 안쪽에 깜박이는 LED를 끕니다.
- 네 개의 큐가 : 무작위로 제시 명령 큐의 순서로 두 개의 다른 신호를 소개하고 섹션에게 3.5.3-3.6.1를 반복합니다.
4. 행동 데이터 분석
- 성공률 : 시험의 총 개수로 나눈 대상에 정확한 방문의 비율로 성공률을 정의합니다.
- 오류 유형 :
- 조기 수축 : 고정 구멍에서 초기 철회에 시간 초과로 인해 시험의 비율을 측정합니다.
- 위원회의 선택이 오류 : 피사체가 uninstructed 대상을 방문 할 때 실패 시험의 비율을 계산
- 누락 오류 : 피사체가 시험 개시 후 대상 중 하나를 방문하지 않는 경우 오류의 비율을 계산합니다.
- 측정 변수 :
- 반응 시간 (RT)은 각 시험의 경우, 이동 큐의 발병과의 고정 홀에서 제목 후퇴 사이의 지연 시간을 측정합니다.
- 목표 시간 (TT) : 피사체의 고정 홀에서 후퇴하고 대상 구멍을 입력 사이의 시간을 측정한다.
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Representative Results
제안 된 프레임 워크는인지 작업의 범위에 따라 훈련을 할 수 있습니다. 여기에서 우리는 쥐의 전두엽 피질에서 목표 지향적 행동의 메커니즘을 조사하기 위해 설계된 지시 지연 작업을 구현했습니다. 그림 1은 실험 설계의 흐름도를 보여줍니다.
피사체가 모든 단계에서 작업 요구 사항을 이해하고 있는지 확인하기 위해, 성과 측정은 지속적으로 평가해야한다. 그림 2는 여러 세션에 걸쳐 하나의 주제의 예 성능을 보여줍니다. 피사체가 작업을 취득한 후에는 (내측 전전두엽 피질에 대응) prelimbic 영역에서 32 채널 미세 전극 배열과 함께 주입 하였다. Multiunit 활동과 지역 현장 잠재력 (LFPs)을 기록 하였다. 단일 신경 세포의 스파이크 열차는 표준 스파이크 정렬 기법 (33)와 작업의 서로 다른 신 (新) 시대와 관련된 이벤트가 표시된를 사용하여 분리 하였다. 3 및도 <강한> 4는 작업의 중요한 신 (新) 시대 동안 선택적 여러 하나의 단위 변조의 몇 가지 샘플 결과를 보여줍니다.
그림 1. 시험 동안의 행동과 사건의 순서를 보여주는 샘플 시험의 흐름도. 제목의 고정 구멍 안쪽에 코를 파고에 의해 재판을 자기 - 시작합니다. 간단히 nosepoke 후, 명령 큐 (단일 주파수 톤)는 지연 기간 다음에 재생됩니다. 피사체가 이동 큐의 프리젠 테이션 때까지 고정 구멍 안쪽에 코를 유지하기 위해 필요합니다. 모든 조기 수축은 재판이 시간 제한으로 중단하고 피사체가 범하게됩니다. 임의의 길이의 지연 시간 후, 이동 큐 (청각 화이트 노이즈)을 제시하고, 주제는 towar를 자유롭게 움직일 수 있습니다지시 대상 DS. 실패한 실험을 15 초 동안 시간이 초과하는 동안 성공적인 시험은 45 mg의 음식 펠릿에 의해 보상된다. 더 큰 이미지를 보려면 여기를 클릭하십시오 .
도 2. 행동 성능 점수가 여러 세션에 걸쳐 측정 하였다. (a) 성공률 모든 세션의 총 수를 실험으로 성공적인 실험의 수의 비율로 정의된다. 결과는 14 레코딩 세션에서 완벽하게 훈련 된 주제에 대해 표시됩니다. 오류 유형의 (b) 분포. 조기 후퇴 이동 큐 전에 조기 수축으로 발생합니다. 위원회 오류가 지시 된 하나 t 이외의 다른 대상을 방문으로 정의된다피사체가 이동 큐에서 5 초 내의 모든 목표에 도달하지 않을 때 그 누락 오류가 발생합니다. (c) 반응 시간의 히스토그램 - 다른 실험에 걸쳐 반응 시간의 분포를 보여주는 - 이동 큐의 발병과 피사체의 돌발 고정 구멍 빔 사이의 기간. (D) 시간의 히스토그램 대상으로 - 고정 구멍의 강도 및 대상 구멍에 침입 사이의 기간 -. 다른 실험을 통해 대상으로 시간의 분포를 보여주는 큰 이미지를 보려면 여기를 클릭하십시오 .
샘플 시험에서 그림 3. 신경 생리학 데이터. 피사체가 마스터 한 후 t그는 작업 적어도 일주일 동안 높은 성능 수준을 유지, 그것은 내측 전두엽 피질 (mPFC) 및 복수의 단일 유닛 활동이 지역 현장 잠재력과 함께 기록 된의 prelimbic 지역에서 32 채널 미세 전극 배열을 이식했다. 22 동시에 기록 장치 (각 행의 단위이며, 각 점은 하나의 스파이크를 나타냅니다)의 래스터 플롯과 함께 LFP 변화의 샘플 추적이 표시됩니다. 행동 이벤트 마커는 트레이스 위에 그려집니다. 이러한 추세는 이동 큐 (분석이 여기에 표시되지 않음) 후 모터 의사의 높은 예측 위력을 발휘합니다. 더 큰 이미지를 보려면 여기를 클릭하십시오 .
| 감각 큐 | 공간 대상 위치 |
| 1 kHz에서 | 권리 |
| 2 kHz에서 | 권리 |
| 4 kHz에서 | 좌회전 |
| 8 kHz에서 |
표 1. 명령 큐 할당.의 표는 각각의 명령 큐에 할당 된 해당 모터의 대상을 보여주고 있습니다.
| 감각 큐 | 공간 대상 위치 |
| 1 kHz에서 | 권리 |
| 2 kHz에서 | 권리 |
| 4 kHz에서 | 좌회전 |
| 8 kHz에서 | 좌회전 |
표 2. 교육 시간 테이블. 표는 훈련 기간의 길이 (3 ~ 4 개월) 성인 여성의 흰쥐 (2 개 훈련 / 일) 각 과목에 대한 지출을 보여줍니다.
| 프로토콜 | A24 | A25 | A26 | A28 | A29 | 평균 |
| 스타트 | 4 | 2 | 4 | 4 | 4 | 3.6 |
| TargetSelection | 3 | 5 | 5 | 4 | 4 | 4.2 |
| Nosepoke | 8 | 7 | 9 | 5 | 2 | 6.2 |
| 지연 | 8 | 8 | 5 | 4 | 3 | 5.6 |
| (라이트)와 두 개의 큐 | 5 | 4 | 5 | 5 | 2 | 4.2 |
| (빛이없는) 두 개의 큐 | 10 | 7 | 9 | 11 | 17 | 10.8 |
| 네 개의 큐 | 13 | 12 | 14 | 18 | 11 | 13.6 |
| 51 | 45 | 51 | 51 | 43 | 48.2 | |
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Discussion
쥐 널리 세기 이상 신경 과학 연구에 사용되었습니다. 고양이 34의 효과의 법칙의 개념 다이크의 도입 이후, 조건화는 동물의 행동의 다양한 측면을 테스트하는 표준 방식이다. 의사 결정과 모터 제조 관련된 많은 신경 과학 실험은 명령어 큐 및 작업 간격 사이의 지연 기간을 포함한다. 그것은 획득되고 뉴럴 데이터에 대한 혼동을 줄이기 위해 이러한 지연 기간 동안 움직임을 최소화하는 것이 바람직하다. 설치류에있는 기존의 미로 탐색 실험은 음식을 마초 설치류 큰 용량을 활용하는 동안, 그들은 동물이 실행되므로 이러한 의사 결정과 모터 계획과 같은 더 복잡한 질문을 테스트하는 데 사용할 수 없습니다 움직임에 의해 제한됩니다. 미로의 작업은 대상이 빠르게 이동하는 법을 배워야으로 쉽게 구현할 수 있지만, 명백한 동작은 작업의 모든 단계 (동안 무제한 예
여기서 우리는 설치류에 시각적주의 연구에서 영감을 유연한 프레임 워크를 설명했다. 우리가 제공하는 대표적인 결과는 동물이 여러 감각 신호가 하나의 모터 목표와 관련된 경우에도 작업을 배울 수 있다는 것을 보여줍니다. 이 디자인은 모터의 동작을 안내하는 데 사용되는 작업 메모리의 용량을 테스트하기 위해 선택되었다. 프로토콜 내에서 가장 중요한 단계는 지연 기간의 전체 지속 기간 동안 고정 구멍 내부에 자신의 코를 유지하기 위해 피사체를 양성하는 것이다.
정면 영역은 왕복 많은 대뇌 피질 및 피질 구역, 행동 이벤트 및 신경 취득한 데이터에 이러한 이벤트의 타이밍을 동기화하는 것은 잠재적 혼동의 위험을 줄일 수의 정확한 타이밍에 접속되어 있기 때문에. (예 : nosepoke 또는 큐 트리거와 같은) 행동 이벤트 컴퓨터 자동 등록 정밀도는 밀리 세컨드 발생할 수 있습니다. 제목 moveme의 비디오 추적NT는 또한 수행 될 수 있고, 데이터는 신경 활동과 동작 간의 정확한 상관 관계를 제공하는 행동 사건과 동기화 될 수있다.
설치류의 더 복잡한인지 능력이 패러다임을 사용하여 공부하실 수 있습니다. 예를 들어, 우리는 오히려 공간 탐색보다 청각 감각 양상으로 지연 매치 투 샘플 태스크의 짐승 버전을 구현하는 데 사용했다. 피사체가 일치하는 큐 다음에 샘플 청각 신호와 큐와 일치하는 결정에 따라 대상의 위치를 결정해야했다.
문제 해결 :
실험 설계의 구현은 컴퓨터 소프트웨어를 이용하여 매우 간단하고 피험자는 약 25-30 훈련 기간 동안 태스크를 습득 할 수 있어야한다. 이 일정의 편차는 동기 부여의 부족, 또는에 의해 발생할 수 있습니다 혼란으로 인해 수 있습니다 :
- 부정확 한 청각 톤 주파수 : 디자인은 매우 의존한다지시 된 큐의 피치에 이비인후과. 실험은 오디오 출력의 주파수 및 음의 진폭을 모두를 확인해야한다.
- 푸드 납기 : 피사체가 작업을 수행하기 위해 동기되지 않을 때 종종 음식 배달 시스템은 보상 전달 시스템을 분리 할 수있는 어떤 수의 결함을 위해 검사되어야한다.
요약하면, 기록 및 큰 앙상블의 자극의 기술 진보는 측정 및 신경 회로 기본 활동 준비 및 밀리 초 단위의 정밀도로 실행 심문을 사용할 수있다. 설치류인지 작업 및 설치류에 맞는 기술의 가용성을 수행 할 수있는 능력 부여 등의 연구에 사용되는 다른 동물 종에서 최고의 후보 중입니다. 이 문서에서 설명하는 프로토콜은 작업 준비와 실행의인지 적 측면에 대한 특정 질문에 대답하기 위해 실험을 설계하는 데 도움이 될 수 있습니다.
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Disclosures
저자는 더 경쟁 재정적 이익을 선언하지 않습니다.
Acknowledgments
이 작품은 NINDS 부여 번호의 NS054148에 의해 지원되었다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 5-holed Nose Poke with 3 Stim Cue Light Rat Cage | Coulbourn | H21-06M/R | |
| Test cage | Coulbourn | H10-11R-TC | |
| Graphic State Software | Coulbourn | ||
| Programmable tone/noise generator | Coulbourn | A12-33 | |
| Dustless precision pellets | Bio-Serv | F0165 | |
| Speaker module | Coulbourn | H12-01R |
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