En helt automatiserad Gnagare Conditioning protokoll för Sensorimotor Integration och kognitiv kontroll Experiment
Summary
En helautomatisk protokoll för gnagare operant beting föreslås. Protokollet bygger på noggrann tidsstyrning av beteende-evenemang för att undersöka i vilken utsträckning denna kontroll påverkar neural aktivitet underliggande sensomotorisk integration och kognitiv kontroll experiment.
Abstract
Gnagare har traditionellt använts som en standarddjurmodell i laboratorieexperiment som omfattar en myriad av sensoriska, kognitiva och motoriska uppgifter. Högre kognitiva funktioner som kräver exakt kontroll över sensomotoriska reaktioner såsom beslutsfattande och uppmärksamhetsmodulering, dock normalt bedöms i icke-mänskliga primater. Trots rikedomen i primat beteende som gör att flera varianter av dessa funktioner som ska studeras, förblir gnagarmodell ett attraktivt och kostnadseffektivt alternativ till primatmodeller. Dessutom möjligheten att helt automatisera operant beting hos gnagare tillägger unika fördelar över arbetsintensiv träning av icke-mänskliga primater medan de studerar ett brett utbud av dessa komplexa funktioner.
Här presenterar vi ett protokoll för operantly konditione råttor på att utföra arbetsminnesuppgifter. Under kritiska epoker av uppgiften, ser till protokollet att djurets öppen rörelse minimeras genom requIring djuret till "Fixera" tills en Go kö levereras, besläktad med icke-mänskliga primater experimentell design. En enkel två alternativ tvingade val uppgift genomförs för att demonstrera prestandan. Vi diskuterar tillämpningen av detta paradigm till andra uppgifter.
Introduction
Att studera sambandet mellan neurofysiologi och beteende är det yttersta målet i system neurovetenskap. Historiskt sett har det varit en kompromiss mellan djurmodell val och beteenderepertoar 1-5. Även enkla organismer som havssniglar 6 eller bläckfiskar 7 har använts i stor utsträckning för att studera egenskaper hos enstaka jonkanaler, nervceller och enkla neurala kretsar, är högre stående arter behövs för att studera mer komplexa funktioner såsom spatial navigering, beslutsfattande 8-11 och kognitiva styra 12-14. Trots att en standarddjurmodell för mänsklig liknande beteende, frågar användning av icke-mänskliga primater kostnads-och etiska överväganden som utesluter användningen inom ett brett spektrum av experiment i ett enda laboratorium inställning 15-18. Enklare djurmodeller, såsom gnagare, är allmänt föredragna 19, förutsatt att de har liknande neurala substrat underliggande beteenden av intresse.
"> Det finns gott om belägg för att gnagare har liknande kortikala och subkortikala strukturer som de som finns i primater 20-22. Gnagare är också kända för att integrera information över flera sensoriska modaliteter för att vägleda deras agerande 23-25, till exempel genom att samordna ning och sniffa under undersökande beteende 26 eller genom att integrera auditiv och visuell / lukt händelser 25,27.Här beskriver vi en ram för operant betingning av gnagare som används för att testa kognitiva uppgifter 28-32. I detta sammanhang är ämnen som krävs för att fixera i en nosepoke hål och bibehålla sin nos i hålet tills presentationen av en go kö. Den beteendemässiga uppgiften är en fem-hål nosepoke design som konventionellt används för 5-val serie reaktionstid uppgift studier. Under fördröjningstiden, är en serie instruktions ledtrådar presenteras vägleda motivet att utföra en åtgärd. Denna ram kan lätt modifieras för att passaDet behövs en lång rad experiment där utbildning i ämnet för att minimera dess öppen rörelse över ett kort intervall. Detta medger att studera i vilken utsträckning tillsatta aktiviteten hos individuella neuroner påverkas av specifika signaler under detta intervall. Protokollet kan minimera träningstid och kan minska över-ämnet lärande variabilitet. Ett schematiskt flödesschema för den uppgift visas i Figur 1.
Protocol
Representative Results
Discussion
Råttor har ofta används inom neurovetenskaplig forskning i över ett sekel. Eftersom Thorndike introduktion av begreppet lagen om effekten hos katter 34, har operant beting varit standard metod för att testa olika aspekter av djurs beteende. Många neurovetenskap experiment med beslutsfattande och motor förberedelser inkluderar en fördröjningstid mellan de instruktions ledtrådar och åtgärdsintervallet. Det är önskvärt att minimera rörelser under dessa fördröjningstidsperioder för att minska ev…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av NINDS bidraget # NS054148.
Materials
| 5-HOLED NOSE POKE WITH 3STIM 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. , (2008).
- Kandel, E. R., Schwartz, J. H., Jessell, T. M., et al. 4th edition. Principles of neural science. , (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. , (2012).
- Banich, M. T., Compton, R. J. . Cognitive neuroscience. , (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. , (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. , (2010).
- Thorndike, E. L. Animal intelligence: An experimental study of the associative processes in animals. Psychol. Monographs: Gen. Appl. 2, 1-109 (1898).
