Vi beskriver protokoller for uddannelse rotter for kroniske elektrofysiologiske optagelser i fuldautomatiske kognitive opgaver på et gulv Projektion Maze.
Neuropsykologiske opgaver, der anvendes i primater til at undersøge mekanismerne for indlæring og hukommelse er typisk visuelt guidet kognitive opgaver. Vi har udviklet visuelle kognitive opgaver for rotter ved hjælp af gulv Projection Maze 1,2, der er optimeret til visuelle evner af rotter tillader stærkere sammenligninger af eksperimentelle resultater med andre arter.
For at undersøge neurale korrelater for indlæring og hukommelse, har vi integreret elektrofysiologiske optagelser i fuldautomatiske kognitive opgaver på gulvet Projection Maze 1,2. Behavioral software interface med et dyr tracking system tillader overvågning af dyrets adfærd med præcis styring af billedet præsentation og belønne uforudsete bedre dresserede dyr. Integration med et in vivo elektrofysiologiske registreringssystem muliggør undersøgelse af adfærdsmæssige korrelater til neurale aktivitet på udvalgte epoker af en given kognitiv opgave. </ P>
Vi beskriver protokoller for en model, der kombinerer automatiseret visuel præsentation af information til gnavere og intrakraniel belønning med elektrofysiologiske metoder. Vores model system giver en sofistikeret sæt af værktøjer som ramme for andre kognitive opgaver for bedre at isolere og identificere specifikke mekanismer, der bidrager til bestemte kognitive processer.
Visuelle opgaver er almindeligt anvendt i humane og aber til at undersøge mekanismerne bag indlæring og hukommelse. Gnaver modeller, er dog mere let tilgængelige for forskere større målestok, bedre kontrollerede studier, og har den ekstra fordel, at tillade mere invasive elektrofysiologiske teknikker. I kombination med andre metoder, såsom genetiske manipulationer, elektrofysiologiske optagelser i frit bevægelige rotter en nyttig model til at målrette mekanismer og kredsløb underliggende kognitive processer. Primate visuelle opgaver kræver de emner til at lede blikket på visuelle stimuli på en skærm, mens rotte opgaver kræver de emner til at interagere med et miljø. The Floor Projektion Maze udnytter den naturlige tendens hos rotter til aktivt at udforske miljøet og samtidig deltager på visuelle stimuli.
Kognitive opgaver ved hjælp af touchscreen apparater designet specielt til gnavere har tilladtbedre oversættelse af fund fra gnavermodeller til mennesker 3. Touchscreen opgaver udføres typisk i et kammer med to dimensionale visuelle stimuli præsenteret vertikalt på vægge 3-7. Disse touchscreen opgaver kræver at motivet bag mod målet visuel stimulus og bryde en infrarød photobeam eller tryk på en tryk pad til at registrere sit svar. Anatomisk og adfærdsmæssige beviser, tyder imidlertid på, at rotter behandler visuel information i den nederste visuelle hemifield mere effektivt til at lede adfærd 8-10. Vores lab har udviklet kognitive opgaver udnytte Floor Projection Maze 2, hvor to-dimensionelle visuelle stimuli tilbage projiceres på gulvet i test arena. I gulvet Projection Maze rotter kan spores, når du udfører opgaver på en stor åben arena i forhold til apparater touchscreen. Således kan geografisk information i den indspillede neurale aktivitet opnås i tillæg til neurale korrelater til visuel information end beslutningstagning.
Vi leverer intrakraniel stimulation (ICS) til den mediale forhjernebundt (MFB) som en belønning 11. Denne metode til belønning levering har fordele i forhold mad og drikke belønninger. Mad og drikke belønninger kan føre til mæthed, selv i fødevare-berøvet rotter, begrænser antallet af forsøg et dyr vil udføre og potentielt bremse uddannelsesprocessen. ICS giver øjeblikkelig belønning giver øjeblikkelig feedback på opgaveløsningen. De umiddelbare belønning resulterer i hurtigere udformningen og erhvervelse og væsentligt reducerer varigheden af uddannelses-protokoller. Desuden kan en større antal forsøg være afsluttet i en session, at øge mængden af data, der indsamles og resulterer i en mere pålidelig prøve af opgave-relateret adfærd.
Brug af Floor Projection Maze, vil vi beskrive en generel protokol til at forme adfærd rotter til at udføre komplekse kognitive opgaver. This generelle protokol giver en ramme for uddannelse af rotter på tværs af en bred vifte af opgaver, der nu er ansat til optagelse neurale korrelater af opmærksomhed og visuel diskrimination 1.. Således er Floor Projection Maze optimeret til visuelle evner af rotter og tillader stærkere sammenligninger med visuelle opgaver i mennesker og ikke-menneskelige primater.
Vi beskriver formelt protokoller til at træne rotter på fuldautomatiske komplekse visuelle kognitive opgaver på gulvet Projection Maze. The Floor Projection Maze har været anvendt med succes til at etablere neurale korrelater til objekt-location konjunktioner og fejlsignaler i postrhinal cortex under udførelsen på en 2-choice opgave visuel diskrimination 1.
De adfærdsmæssige forme protokollen er designet til at være fleksibel, så den kan tilpasses en individuel rotte læring sats. Brugerdefineret kode skrevet til adfærdsmæssige system tillader forsøgslederen at kontrollere sandsynligheden af automatiserede ICS levering på kritiske trin under træning, fx uddannelse af 'klar stilling «. Koden bør også tillade manuel levering af ICS ved hjælp af en programmerbar knap kasse under. Formålet med tidlig shaping er at etablere effektiv ICS stimulation for belønning levering at forstærke adfærd. Når det er muligt, anbefaler vi at implantere stiformulere elektroder bilateralt i MFB i tilfælde af ineffektiv stimulering i en halvkugle. Vores erfaring har imidlertid været, at næsten alle implanterede ICS elektroder har været funktionelle til at levere en givende stimulus. Den Intermediate forme fase er afgørende for at træne rotten til at opretholde en "klar stilling« i Klar-området. I 'klar position ", bør rotten være stille med snuden pegende mod billedområderne hvor valget billeder vil blive præsenteret. Den "klarstilling" styrer, når billederne vises, den retning, hvorfra rotten nærmer de billeder og den afstand, som rotten ser billederne. Vi anbefaler sporing LED'er monteret på rottens hovedtrin til at overvåge den retning, i hvilken rottens hoved peger for bedre styring af adfærd og mere præcis kontrol af målbilledet præsentation. Manuel levering af ICS kan udstedes til at træne rotter til at opretholde den passende "klar stilling & #8217. Når rotten er at opretholde tilfredsstillende 'ready positioner «i hvert forsøg, træning i Late shaping er opgave specifik. I slutningen formning rotter er uddannet til at lære specifikke regler for at udføre en given opgave.
Vi bruger ICS som vores metode til belønning levering, da denne metode giver øjeblikkelig feedback til rotten resulterer i hurtigere indlæring i løbet af adfærdsmæssige shaping, og mere gennemførte forsøg i en session, når de indsamler neurale data i den automatiserede opgave. ICS levering resulterer imidlertid i elektriske artefakter i de neurale optagelser og kan være problematisk for analyse kontinuerlig LFP eller multiunit data. Intervallet omkring den elektriske artefakt kan fjernes offline fra det neurale optagelse datafil før kontinuerlig dataanalyse. Stereotype artefakter fra ICS i high pass filtreret spike data let kan fjernes offline uden at påvirke enkelt spike analyser. Fremtidig optimering af protokoller for Floor Projection Maze omfatter brug optogenetic værktøjer til at levere intern belønning for at minimere og eliminere artefakter i forbindelse med elektrisk stimulation.
The Floor Projection Maze er optimeret til de visuelle evner rotter, og er derfor bedre egnet til visuelt guidede adfærdsmæssige opgaver. Det skal bemærkes, at direkte sammenligninger ikke kan foretages mellem eksperimentelle paradigmer i gulvet Projection Maze og operantkamre grund af forskellige forsøgsprotokoller ansat og forskellige definitioner af kriterium for en vellykket overtagelse af en given opgave. Vi har tidligere vist, dog, at rotter erhvervet en simpel 2-choice opgave visuel diskrimination i ~ 50 forsøg i den Gulv Projection Maze 2 sammenlignet med> 300 forsøg i andre undersøgelser, hvor billeder blev præsenteret lodret i operantkamre 3,10. VSA opgave blev modelleret efter den klassiske 5-choice seriel reaktion opgave 13 (5-CSRT) designet til at vurdere visuel opmærksomhedsgradenprocesser. Typisk 5-CSRT udføres i en operant kammer og kræver dyret til at gøre en næse sækken i passende næse-sækken hul angives ved et lysglimt, her VSA opgave udføres i en åben arena, hvor dyrene skal forblive stationært på et bestemt sted i arenaen, rette deres opmærksomhed på de pågældende lokaliteter og vente på lysstimulus skal vises. Det er vores erfaring, rotter krævede ~ 3.200 forsøg at nå kriterium (75% på to på hinanden følgende dage) i 5-CSRT 14 sammenlignet med ~ 800 forsøg i VSA opgave i gulv Projection Maze.
En anden fordel af adfærdsmæssige opgaver på gulvet Projektion Maze er, at opgaverne udføres i en stor åben arena, som udnytter den naturlige tendens rotte til at udforske sine omgivelser, i modsætning til opgaver, der kræver at dyret til at fastsætte sit blik til en stationært mål. En væsentlig fordel ved at udnytte frit bevægelige rotter i en åben arena &# 160; i gulv Projection Maze apparatet er, at både allocentric og egocentrisk geografisk information kan indsamles med visuel information. En anden fordel af vores paradigme er, at opgaverne ikke behøver være begrænset til præsentation af statiske billeder. Placering og funktioner i visuelle stimuli, der er dynamisk kan bruges i fremtidige opgaver. Brug sporing kapaciteter cineplex Behavioral Research System, kan blive udviklet opgaver for en mere detaljeret funktionel forståelse af et givet hjernens struktur. Ved at kombinere samtidige elektrofysiologiske optagelser med visuelt guidede kognitive opgaver, kan udforskes grundlæggende spørgsmål om, hvordan hjernens aktivitet er relateret til kognitive processer såsom beslutningstagning og visuel diskrimination.
Brug visuelt guidede opgaver, kan resultaterne fra rotteundersøgelser bedre oversættes til mennesker med det ultimative mål at levere terapier for menneskelige kognitive sygdomme.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev støttet af NSF IOS 1146334, NSF EFRI 0937848, DARPA N66001-10-C-2010 og NSF IOS 0.522.220 til RDB. Vi takker Stacie Hyatt at Plexon Inc for assistance ved udarbejdelsen af dette manuskript.
OmniPlex D Neural Data Acquisition System | Plexon Inc | ||
DigiAmp Digitizing Amplifier | Plexon Inc | ||
Frame for Floor Projection Maze | 80/20 Inc | 15 Series T-slot framing | |
Short throw projector | NEC Display Solutions | WT610E | |
Da-Lite lace and grommet screen | Da-Lite Screen Company | 81326C | |
PlexiGlass | Modern Plastics | ||
SuperPort Input card | Med Associates Inc | DIG-713A | |
SuperPort Output card | Med Associates Inc | DIG-726 | |
SmartCtrl Interface module | Med Associates Inc | DIG-716B | |
Decoder card | Med Associates Inc | DIG-700F | |
PCI card | Med Associates Inc | DIG-704PCI-2 | |
Programmable audio generator | Med Associates Inc | ANL-926 | |
Programmable Intracranial Self Stimulation Stimulator | Med Associates Inc | PHM-150B | Operated by a PHM-152COM card |
2 Channel electrode | Plastics1 | MS303/13/SP | Cut 15 – 20 mm below the pedestal |
Software | |||
MED-PC IV Software | Med Associates Inc | SOF-735 | |
OmniPlex Software | Plexon Inc | ||
CinePlex Software: Tracking and Basic Behavior Modules | Plexon Inc |