为感觉运动整合与认知控制实验完全自动化的啮齿动物调理协议

Summary

一种啮齿动物操作性条件反射完全自动化的协议被提出。该协议依赖于行为事件的精确时间控制，调查的程度，这种控制影响神经活动基本感觉整合和认知控制实验。

Abstract

啮齿动物已被传统上用作涉及的感官，认知和运动任务无数实验室实验的标准动物模型。需要精确控制感觉反应，如决策和注意调控较高的认知功能，但是，通常在评估非人类灵长类动物。尽管灵长类动物的行为，使这些功能加以研究多个变种的丰富性，啮齿动物模型仍然是一个有吸引力的，具有成本效益的替代灵长类动物模型。此外，完全自动化操作条件在啮齿类动物的能力，在非人灵长类动物的劳动密集的训练增加了独特的优势，在研究范围广泛的这些复杂的功能。

在这里，我们介绍一个协议operantly调节大鼠上进行工作记忆任务。在任务的关键时期，该协议确保了动物的显性运动被最小化，热曲爱菱动物为'凝视'，直到转到线索传递，类似于非人灵长类实验设计。一个简单的两种可供选择的被迫选择任务的实施是为展示了其性能。我们讨论这个范例的应用到其他任务。

Introduction

研究神经生理学和行为之间的关系是系统神经科学的终极目标。在历史上，出现了动物模型的选择和行为剧目^1-5之间的权衡。而简单的生物如海蛞蝓⁶或鱿鱼⁷已被广泛用于研究单个离子通道，神经元和简单的神经回路的性能，需要更高阶的物种，研究更复杂的功能，诸如空间导航，决策^8-11和认知控制^12-14。尽管是一个标准的动物模型，为人类行为一样，使用非人类灵长类动物的提示，排除其使用在广泛的实验，化验单设置^15-18成本和伦理方面的考虑。简单的动物模型，如啮齿类动物，一般首选^19，只要有利益的行为基本相似的神经基础。

“>有充足的证据表明，啮齿动物有着相似的皮层和皮层下结构与在灵长类^20-22找到。鼠害也被称为跨多个感官的方式整合信息来指导自己的行动^23-25，例如，通过协调搅打和嗅探在探索行为²⁶或通过整合听觉和视觉/嗅觉事件^25,27。

在这里，我们描述了用于测试的认知任务^28-32啮齿动物的操作性条件反射的框架。在这个框架中，受试者被要求注视一个nosepoke孔内并维持其吻部的孔内，直到一展身手提示的呈现。的行为的任务是常规用于5 - 选择序列反应时任务的研究五孔nosepoke设计。在延迟期间，一系列指令线索呈现给引导的主语要执行的操作。这个框架可以很容易地修改，以适应需要广泛的实验，其中训练受到了一个短暂的间隔尽量减少其明显的运动。这允许研究在何种程度上在此间隔内的单个神经元的尖峰活动是受特定的线索。该协议可以减少培训时间，可以减少跨学科学习的变异。该任务的流程示意图示于图1。

Protocol

所有涉及动物的程序批准了美国密歇根州立大学实验动物管理和使用委员会（IACUC）。

1，实验装置

1. 使用操作条件反射箱，由一个五孔nosepoke墙一侧和另一侧一个送外卖的低谷。
   1. 该中心nosepoke孔被认为是一个“固定”孔和其他四个孔（两个固定孔的每一侧）被认为是电动机目标孔。每个孔都配有一个三色LED和红外光束发射器 - 检测器系统，当动物进入和从固定孔缩回检测。
   2. 使用可编程音调发生器来产生单一频率的音调精确到毫秒，并将其连接到安装在里面的操作性箱扬声器。通过使用适当的软件行为跟踪系统控制音调发生器和nosepokes。使用硬件和软体是系统提供的行为和事件线索和响应控制的毫秒时间尺度的监测。
      注：两个音调和噪音线索的幅度应保持在60±3分贝声压级。

2，早期的习惯化

1. 限制对象的食物摄取量逐步〜5个每100克主体的正常体重（ 如超过3天的课程）的。主体应维持其自由采食量85-90％。
2. 习惯于将受处理由实验者和从起动时起的食物剥夺协议的第一天的装置和阅读的主题。开始处理的动物，并把它在操作性条件反射箱，同时提供在沉淀槽的食物颗粒，鼓励学科探索笼和熟悉的奖励交货地点。

3，主题培训

1. 一般注意事项
   1. 此处建议的任务需要精确协调感知的听觉线索之间，尽量减少在延迟期间和运动执行的动作。
   2. 逐步培养对象一步一步的让他们做好准备的最后期望的行为。
   3. 确保在每一步结束时，受试者维持> 75％的行为表现为前进到下一个阶段之前至少三个连续的阶段。
   4. 一旦最后阶段达到时，保持对协议进行为期一周的主体，以确保性能保持在所希望的水平。
2. 开始：熟悉的主题与nosepoke孔，送外卖端口和闪烁的孔和报酬之间的关联。
   1. 选择一个出一个随机调度的四个目标。
   2. 围棋的打球杆（白听觉噪声），并保持小孔内的LED闪烁（0.3秒脉冲持续时间）。
   3. 设置S在参观孔oftware奖励对象。
   4. 超时30秒后，试用，如果孔不参观，并开始一个新的审判。
   5. 不奖励不正确的孔的任何访问。
3. 目标选择：惩治以非选择性孔错误的访问。
   1. 当访问不正确孔，终止试用后5秒黑了。
      注意：在一个遮光时代，固定孔LED灯在笼子里关闭。这意味着，这个问题不能启动试验，需要等到固定孔LED灯开始闪烁。
   2. 选择一个新的漏洞，并开始​​了新的尝试。
4. Nosepoke：培训对象捅固定孔内部开始试用。
   1. 闪烁黄色的固定孔内LED。
   2. 当来访的固定孔立即进行围棋的打球杆，并开始一个新的审判。
   3. 5秒处罚不正确的访问黑出;。
5. 延迟：教对象，以维持自己的鼻子的固定孔内的时间（延迟时间）设定时间内即逐渐增加训练的进行。
   1. 等待被摄对象访问的固定孔。
   2. 终止审理，如果被摄体在500毫秒缩回。否则，玩围棋线索。
   3. 通过禁售期为7秒惩罚过早撤稿。
   4. 通过提供食物颗粒奖励正确的访问。
6. 两个线索（带灯光）：增加和随机延迟时间的长度和引进听觉指令提示。
   1. 增加延迟周期的长度，以平均1.5秒。
   2. 请根据1.3-1.8秒之间的密度均匀的随机延迟时间的长度在每个审判。
   3. 引入指令球杆作为单一频率的听觉音调脉冲在三重峰，以150毫秒的脉冲持续时间和100毫秒脉冲间隔。
      1. 立即播放指令提示受试者进入固定孔之后。
      2. 分配两个指令线索的每个目标。
      3. 只使用一个在这个阶段相关联的每个目标线索。
   4. 让受试者同时使用听觉和视觉线索来选择目标孔。
7. 两个线索（无灯）：培训对象只使用听觉线索。
   1. 关闭目标孔里面的LED指示灯闪烁，使拍摄对象只会用听觉指令线索。
8. 四个线索：介绍其他两个线索的随机赠送的指令提示的顺序和重复部分3.5.3-3.6.1。

4，行为数据分析

1. 成功率：定义成功率受审判的总数除以该指标正确访问的百分比。
2. 错误类型：
   1. 过早回缩：测量试验的超时由于早期撤消从固定孔的百分比。
   2. 佣金错误：计算试验失败的百分比时，受访问的uninstructed目标
   3. 遗漏错误：计算错误的百分比时，受审判开始后不访问任何的目标。
3. 测量变量：
   1. 反应时间（RT）：对于每一个试验中，测量的开始转到球杆的和从固定孔的主体缩回之间的延迟。
   2. 时间到目标（TT）：测量从固定孔的主体缩回并进入靶孔之间的持续时间。

Representative Results

建议的框架使培训对象在一系列的认知任务。在这里，我们实现了一个指令延迟任务旨在调查在啮齿动物前额叶皮层目标导向动作的机制。 图1显示了实验设计的流程图。

为了确保受试者理解任务要求，步步为营，绩效指标应持续评估。 图2显示了在多个会话一个课题的例子表现。一旦受试者获取的任务，它被植入的前度区域的32通道微电极阵列（对应于内侧前额叶皮质）。多组活动和局部场电位（的LFP）的记录。单神经元秒杀列车使用标准秒杀分拣技术^33，并与任务不同的时代相关联的事件被标记隔离。 图3和图 <STRONG> 4显示了选择性多个独立的单元调制一些示例结果在任务的关键时期。

戳鼻孔的固定孔内图1。样品试验显示操作和事件序列的审判期间的流程图。主题自启动试验。在nosepoke后简单地说，一个指令提示（单频音）播放后跟一个延迟时间。受试者被要求保持固定孔内鼻子，直到转到提示的呈现。任何过早的收缩将导致试验中止，主题是通过惩罚超时。后随机长度的延迟时间，一个去球杆（听觉白噪声）被提出和主体自由移动towarDS所指示的目标。成功的试验是由45毫克食物颗粒奖励，而失败的试验是在超时15秒。 点击这里查看大图 。

图2。行为表现得分跨越多个会话测量。（一 ）成功率被定义为成功的试验次数与总的试验次数在每个会话的比例。结果显示为在14个记录会话的全面培训主题。 （二）分销错误类型。过早发生内陷早期回缩围棋提示之前。委员会误差定义为来访的比那个奉命和t其他任何目标当被摄体不能在5秒内从转到球杆达到任何目标，他出现遗漏错误。 （ 三）反应时间的柱状图-显示的反应时间在不同的试验分布-发病围棋线索和对象的打破了固定孔梁之间的时期。 （ 四）时间直方图的目标-打破固定孔出来，并打破了目标孔之间的时间-显示时间的分布在不同的试验目标点击这里查看大图 。

从样品试制图3。神经生理学数据。主体掌握经过t他的任务并维持至少一个星期高性能水平，它被植入在内侧前额叶皮质（mPFC的）和多个单单位活动是伴随着局部场电位记录的前度区域的32通道微电极阵列。显示LFP的变化伴随着22同时记录单元（每一行是一个单位，每个点代表一个秒杀）光栅情节的样本跟踪。标记行为事件也绘制在迹线的顶部上。这些痕迹表明电机意向较高的预测功率的围棋提示（分析这里没有显示）后， 点击此处查看大图 。

感官线索	空间目标位置
1千赫	右边
2千赫	右边
4千赫	左
8千赫

表1。指令线索分配。表显示分配给每个指令提示相应的电动机目标。

感官线索	空间目标位置
1千赫	右边
2千赫	右边
4千赫	左
8千赫	左

表2。培训时间表，表中显示了堂训练课的长度度过每科（2堂训练课/天）的成年雌性SD大鼠（3-4个月）。

协议	A24	A25	A26	A28	A29	平均
开始	4	2	4	4	4	3.6
TargetSelection	3	5	5	4	4	4.2
Nosepoke	8	7	9	5	2	6.2
延迟	8	8	5	4	3	5.6
两个线索（带灯光）	5	4	5	5	2	4.2
两个线索（无灯）	10	7	9	11	17	10.8
四线索	13	12	14	18	11	13.6
	51	45	51	51	43	48.2

Discussion

大鼠已广泛应用于神经科学的研究了一个多世纪。由于桑代克的引进效果猫³⁴法的概念，操作条件一直是标准的方法来测试动物的行为的不同方面。涉及决策和运动准备许多神经科学实验，包括指令线索和动作间隔之间的延迟时间。这是可取的，在这延迟期间尽量减少运动，以减少任何的困惑，以被收购神经的数据。而传统的迷宫导航实验啮齿动物的利用啮齿类动物的巨大能力，觅食，它们是由动物执行，因此不能被用来测试更复杂的问题，如决策和运动规划变动的限制。虽然迷宫任务是很容易实现的科目学习快速导航，外显行为是在工作的每一个阶段（ 如无限制

在这里，我们描述的设计灵感来自于啮齿动物视觉注意力研究一个灵活的框架。我们提供的有代表性的结果表明，动物可以学习任务，甚至当多个感官线索与单个电机的目标相关联。此设计被选择用来测试用于指导运动行为的工作存储器的容量。该协议中最关键的一步就是要培养对象，以维持固定孔的延迟周期的整个持续时间内自己的鼻子。

因为前面的区域相互连接的许多皮质和皮质下区域的行为事件和这些事件的定时同步，以所获取的神经数据可以减轻潜在的困惑的风险的精确定时。行为事件（如nosepoke或线索触发）的计算机自动化注册可以发生精确到毫秒。主题MoveMe的视频跟踪核苷酸也可以被执行，并且该数据可以与行为事件，以提供神经活动和行为之间的相互关系是同步的。

啮齿动物更复杂的认知能力，可以使用这种模式进行研究。例如，我们用它来实现延迟匹配到样品任务的啮齿动物版本与听觉感官的方式，而不是空间导航。受试者被提示的一个样本听觉线索后跟一个匹配的提示，并具有基于所述匹配决定的目标位置决定。

故障排除：

实验设计的实现是非常简单的使用计算机软件和主题，应能掌握任务超过约25-30培训课程。从这个时间表的偏差可能是由于动力不足，或可能由以下原因造成的混乱：

1. 不准确的听觉音频率：设计是高度依赖耳鼻喉科上所指示的球杆的音高。实验者应检查音频输出的频率和音调的幅度。
2. 送外卖的：通常，当被摄物体没有动机来执行任务，食品输送系统应检查可能已脱离奖励输送系统中的任何可能的缺陷。

总之，在录音和大型合奏刺激技术进步已经使测量和询问的神经回路基本动作的准备和执行精确到毫秒。鼠害是在不同动物物种的最佳人选用于给自己来执行认知任务和针对啮齿动物技术的可用性功能，例如研究之中。在这篇文章中所描述的协议可帮助设计实验来回答有关行动准备和执行的认知方面的具体问题。

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