Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Все процедуры с участием животных были утверждены уходу и использованию животных комитета Университет штата Мичиган институционального (IACUC) на.
1. Экспериментальная установка
- Используйте оперантного окно кондиционирования, которая состоит из пяти-луночное nosepoke стены на одной стороне и доставка еды корыто на противоположной стороне.
- 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.
- 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
- 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.
- 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
- Общие указания
- Задача предложил здесь необходим четкой координации между восприятием слуховой команде, минимизации движений во время задержки и исполнения движения.
- Постепенно обучить шаг за шагом при условии, чтобы подготовить их для окончательного желаемого поведения.
- Убедитесь, что в конце каждого шага, предметом поддерживает> 75% поведенческий производительность не менее трех сессий подряд перед переходом к следующему этапу.
- После того, как заключительный этап достигается, объект должен оставаться на протоколе в течение недели, чтобы обеспечить производительность поддерживается на желаемом уровне.
- Старт: Ознакомиться тему с nosepoke отверстия, доставка еды порта и связи между мигающих отверстий и награды.
- Выберите один из четырех целей на случайной графику.
- Играть Перейти кий (белый слуховые шум) и держать светодиод внутри отверстия мигает (длительность импульса 0,3 сек).
- Установите секoftware наградить тему на визитов в отверстие.
- Тайм-аут суд через 30 сек, если отверстие не посетил и начать новое судебное разбирательство.
- Не вознаградить любые визиты в неправильных отверстий.
- Целевая Выбор: Наказать ошибочные визиты в невыбранных отверстий.
- 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. - Выберите новое отверстие и начать новое судебное разбирательство.
- По посещений неправильных отверстий, прекратить судебное разбирательство с последующим 5 сек черного отъезда.
- Nosepoke: Поезд тему, чтобы ткнуть внутри отверстия для крепления, чтобы начать судебное разбирательство.
- Вспышка желтым светодиодом внутри отверстия для крепления.
- После посещения фиксация отверстие сразу играть Go кий и начать новое судебное разбирательство.
- Наказывать неправильные посещена на 5 сек, Из затемнения.
- 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.
- Подождите, пока объект не посетить отверстия для крепления.
- Завершить испытание, если объект втягивается в пределах 500 мс. В противном случае, играть Go реплику.
- Наказывать преждевременных опровержения черной-аута для 7 сек.
- Награда правильные посещена путем предоставления шарик пищи.
- Два Кии (со светом): Увеличение и RANDOMIZE длину периода задержки и введем слуховой инструкции реплику.
- Увеличить длину периода задержки в среднем 1,5 сек.
- Выбрать случайное задержки длину периода в каждом испытании на основе однородной плотности между 1,3-1,8 сек.
- Представьте инструкцию реплику как слуховой тоном одночастотной импульсного в тройни, с длительностью импульса 150 мс имежимпульсный интервал 100 мс.
- Сразу Играть инструкцию реплику после предметом входит в отверстия для крепления.
- Связать два сигналы команд к каждой из целей.
- Используйте только один кий, связанный для каждой цели на данном этапе.
- Пусть предметом использовать оба слуховые и визуальные подсказки, чтобы выбрать целевую отверстие.
- Два Кии (без света): Поезд тему использовать только слуховые сигналы.
- Выключите мигающие светодиоды внутри целевых отверстия так, чтобы объект будет использовать только слуховые сигналы команд.
- 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
- Шанс: Определить уровень успеха как процент правильных посещений целей, деленное на общее число испытаний.
- Типы ошибок:
- Преждевременная отвод: измерить процент испытаний по тайм-ауту из-за раннего отводов от отверстия для крепления.
- Ошибка комиссия: Рассчитать процент неудачных испытаний, когда объект посещает необразованный цель
- Упущение Ошибка: Рассчитать процент ошибок, когда субъект не посетить любой из целей после пробного посвящения.
- Измеряемые параметры:
- Время реакции (RT): Для каждого испытания, измерения задержки между наступлением Go кия и предмет выходе из отверстия для крепления.
- Время на цель (ТТ): Измерьте продолжительность между объектом вывода из отверстия для крепления и ввода целевой отверстие.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
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 между несколькими сеансами. После того, как субъект приобрел задачу, он был имплантирован с множеством каналов 32 микроэлектрода в прелимбальной области (что соответствует средней префронтальной коры). Нескольких единиц активности и местные потенциалы поля (LFPs) были записаны. Одного нейрона шипованные поезда были выделены с использованием стандартных шип методов сортировки 33 и события, связанные с различными эпохами задачи были отмечены. Рисунках 3 и <сильный> 4 показать некоторые примеры результатов выборочных нескольких одиночных модуляций устройство во время критических эпох задачи.
Рисунок 1. Блок-схема суда образца, показывая последовательность действий и событий в ходе судебного разбирательства. Предметом самостоятельного инициирует судебное разбирательство, тыкая носом внутрь отверстия для крепления. Коротко после nosepoke, инструкция кий (один тон частоты) играет с последующим периодом задержки. Предметом требуется для поддержания нос внутри отверстия для крепления до презентации Go кия. Любой преждевременно отвод вызовет суд, чтобы быть прервана и субъект нарушает помощью тайм-аута. После периода задержки случайной длины, Перейти Cue (слуховые белый шум) представлена и тема может свободно перемещаться Towarспуск по инструкции цели. Успешные испытания вознаграждены пищевой гранулы 45 мг в то время не смогли испытания истекло в течение 15 сек. Нажмите здесь, чтобы увеличить изображение .
Рисунок 2. Поведенческие показатели производительности измеряются в нескольких сессий. (А) шанс срабатывания определяется как отношение количества успешных испытаний к общему числу испытаний в каждой сессии. Результаты показаны на полную подготовку теме через 14 сессий записи. (Б) Распределение типов ошибок. Преждевременная отвод происходит с раннего втягивания перед Go кия. Ошибка Комиссия определяется как посещение любую цель, кроме той, что было поручено и тон ошибки бездействие, когда субъект не достигает для любой цели в течение 5 секунд от Go Cue. (С) Гистограмма времени реакции - период между наступлением Go кия и вспыхивают в отверстия для крепления балки субъекта - показывая распределение времени реакции между различными испытаниями. (Г) Гистограмма времени целевой - период между вырваться из отверстия для крепления и взлома цель отверстие -. Показывающий распределение времени целевой разных испытаниях Нажмите здесь, чтобы увеличить изображение .
Рисунок 3. Данных Нейрофизиология от пробы образца. После предметом освоили тон задача и поддерживается высокий уровень производительности для по крайней мере недели, это был имплантирован с массивом микроэлектродной 32 канала в прелимбальной области медиальной префронтальной коре (MPFC) и несколько единое целое активность регистрировалась наряду с местными потенциалов поля. Образец следов изменения LFP вместе с растровой графике 22 одновременно зарегистрированных единиц (каждая строка является единицей и каждая точка представляет один шип) показаны. Маркеры для поведенческих событий также нанесены на верхней части дорожек. Эти следы показывают высокую мощность предсказания двигателя намерении после Go кия (анализ не показан здесь). Нажмите здесь, чтобы увеличить изображение .
| Сенсорная Cue | Пространственное Целевая Расположение |
| 1 кГц | Право |
| 2 кГц | Право |
| 4 кГц | Слева |
| 8 кГц |
Таблица 1. Инструкция присваивания кий. Из таблицы видно, соответствующего целевого двигателя, присвоенный каждому инструкции кия.
| Сенсорная Cue | Пространственное Целевая Расположение |
| 1 кГц | Право |
| 2 кГц | Право |
| 4 кГц | Слева |
| 8 кГц | Слева |
Таблица 2. Таблица Срок обучения. Из таблицы видно, длина тренировки провел по каждому предмету (2 тренировка / день) для взрослых женщин Спрэг Dawley крыс (3-4 месяцев).
| Протокол | A24 | A25 | А26 | A28 | А29 | Средний |
| Начало | 4 | 2 | 4 | 4 | 4 | 3.6 |
| TargetSelection | 3 | 5 | 5 | 4 | 4 | 4.2 |
| Nosepoke | 8 | 7 | 9 | 5 | 2 | 6.2 |
| Задержка | 8 | 8 | 5 | 4 | 3 | 5.6 |
| Два Кии (со светом) | 5 | 4 | 5 | 5 | 2 | 4.2 |
| Два Кии (без света) | 10 | 7 | 9 | 11 | 17 | 10.8 |
| Четыре кии | 13 | 12 | 14 | 18 | 11 | 13.6 |
| 51 | 45 | 51 | 51 | 43 | 48.2 | |
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
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, приобретенных. В то время как обычные лабиринт навигационные эксперименты на грызунах выгоду большой емкости грызунов в корм для пищи, они ограничены в движениях, что животное выполняют и поэтому не могут быть использованы для тестирования более сложные вопросы, такие как принятия решений и планирования двигателя. В то время как лабиринт задачи просты в реализации, как субъекты научиться быстро ориентироваться, внешнее поведение является неограниченным во время каждого этапа соответствующей задачи (например,
Здесь мы описали гибкую структуру, вдохновленный визуальных исследований внимания у грызунов. Представительные результаты мы предоставляемые показывают, что животные могут узнать задачу, даже когда несколько сенсорных сигналы связаны с мишенью одного двигателя. Такая конструкция была выбрана, чтобы проверить способность рабочей памяти, используемой, чтобы направлять поведение двигателя. Наиболее важным шагом в рамках протокола является подготовка тему для поддержания их нос внутри отверстия для крепления на весь срок периода задержки.
Потому что фронтальные зоны взаимно связано со многими корковых и подкорковых областях, точного времени поведенческих событий и синхронизации моментов времени тех событий на стоимость приобретенных нейронных данных может облегчить риск потенциальных путает. Компьютерная автоматизированная регистрация поведенческих событий (например, nosepoke или ключевой триггер) может произойти с точностью до миллисекунды. Видео отслеживание объекта movemeнт может быть также выполнена и данные могут быть синхронизированы с поведенческими событий, чтобы обеспечить точную корреляцию между нейронной активности и поведения.
Более сложные когнитивные способности грызунов можно исследовать с помощью этой парадигмы. Например, мы использовали его для реализации грызунов версию задержанного задачи матч к образцу с слуховой сенсорной модальности, а не пространственной навигации. Предметом подали реплики с образцом слуховой кия с последующим соответствующим кия и должен был принять решение о целевых местах на основе согласования решения.
Поиск и устранение неисправностей:
Реализация эксперимента очень проста с использованием компьютерного программного обеспечения и предметы должны быть в состоянии освоить задачу в течение примерно 25-30 учебных занятий. Отклонения от этого графика может быть связано с отсутствием мотивации, или путаницы, которая может быть вызвана:
- Неточный слуховые частота тона: Дизайн сильно зависятЛОР на поле в поручил кия. Экспериментатор должен проверить как частоту аудиовыхода и амплитуду сигнала.
- Доставка еды: Часто, когда человек не мотивирован, чтобы выполнить задачу, система доставки еды должны быть проверены для любого возможного дефекта, что, возможно, в нейтральном положении систему доставки вознаграждение.
Подводя итог, технологические достижения в записи и стимуляции больших ансамблей позволили измерения и допроса нервной схемы основной подготовку действий и выполнение с точностью до миллисекунды. Грызуны являются одними из лучших кандидатов в различных видов животных, которые будут использоваться для таких исследований, учитывая их способность выполнять познавательные задачи и наличие методов с учетом грызунам. Протокол, описанный в этой статье, может помочь в разработке экспериментов, чтобы ответить на конкретные вопросы о когнитивных аспектов подготовки действий и исполнения.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы заявляют каких конкурирующих финансовых интересов.
Acknowledgments
Эта работа была поддержана NINDS грант № NS054148.
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 |
References
- Goldstein, E. B. Cognitive psychology: Connecting mind, research, and everyday experience. , Wadsworth Publishing Company. (2008).
- Kandel, E. R., Schwartz, J. H., Jessell, T. M., et al. 4th edition. Principles of neural science. , McGraw-Hill. New York. (2000).
- Cisek, P., Kalaska, J. F. Neural mechanisms for interacting with a world full of action choices. Ann. Rev. Neurosci. 33, 269-298 (2010).
- Kalat, J. W. Biological psychology. , Wadsworth Publishing Company. (2012).
- Banich, M. T., Compton, R. J. Cognitive neuroscience. , Wadsworth Publishing Company. (2010).
- Carew, T. J., Pinsker, H. M., Kandel, E. R. Long-term habituation of a defensive withdrawal reflex in aplysia. Science. 175, 451-454 (1972).
- 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).
- Romo, R., Salinas, E. Flutter discrimination: neural codes, perception, memory and decision making. Nat. Rev. Neurosci. 4, 203-218 (2003).
- Romo, R., de Lafuente, V. Conversion of sensory signals into perceptual decisions. Prog. Neurobiol. 10, (2012).
- 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).
- Beck, J. M., et al. Probabilistic Population Codes for Bayesian Decision Making. Neuron. 60, 1142-1152 (2008).
- Goldman-Rakic, P. S. Circuitry of primate prefrontal cortex and regulation of behavior by representational memory. Compr. Physiol. , (1987).
- 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).
- Fuster, J. M., Alexander, G. E., et al. Neuron activity related to short-term memory. Science. 173, 652-654 (1971).
- Fetz, E. E., Baker, M. A. Operantly Conditioned Patterns of Activity and Correlated Responses Cells and Contralateral Muscles. , (1973).
- Carmena, J. M., et al. Learning to control a brain--machine interface for reaching and grasping by primates. PLoS Biol. 1, e42 (2003).
- Georgopoulos, A. P., Schwartz, A. B., Kettner, R. E. Neuronal population coding of movement direction. Science. 233, 1416-1419 (1986).
- 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).
- Abbott, A. Laboratory animals: the Renaissance rat. Nature. 428, 464-466 (2004).
- Fuster, J. The prefrontal cortex. , Academic Press. (2008).
- 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).
- Abbott, A. Neuroscience: The rat pack. Nature. 465, 282-283 (2010).
- Uchida, N., Mainen, Z. F. Speed and accuracy of olfactory discrimination in the rat. Nat. Neurosci. 6, 1224-1229 (2003).
- Jaramillo, S., Zador, A. M. The auditory cortex mediates the perceptual effects of acoustic temporal expectation. Nat. Neurosci. 14, 246-251 (2010).
- Cohen, L., Rothschild, G., Mizrahi, A. Multisensory integration of natural odors and sounds in the auditory cortex. Neuron. 72, 357-369 (2011).
- Deschênes, M., Moore, J., Kleinfeld, D. Sniffing and whisking in rodents. Curr. Opin. Neurobiol. 22, 243-250 (2012).
- Raposo, D., Sheppard, J. P., Schrater, P. R., Churchland, A. K. Multisensory decision-making in rats and humans. J. Neurosci. 32, 3726-3735 (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- Erlich, J. C., Bialek, M., Brody, C. D. A cortical substrate for memory-guided orienting in the rat. Neuron. 72, 330-343 (2011).
- Mohebi, A., Oweiss, K. G. Neural ensemble correlates of working memory in the rat medial prefrontal cortex. 41 st Ann. Meet. Soc. Neurosci. , (2011).
- Oweiss, K. G. Statistical signal processing for neuroscience and neurotechnology. , Academic Press. (2010).
- Thorndike, E. L. Animal intelligence: An experimental study of the associative processes in animals. Psychol. Monographs: Gen. Appl. 2, 1-109 (1898).
