The ability to assess executive functions such as behavioral flexibility in rats is useful for investigating the neurobiology of cognition in both intact animals and disease models. Here we describe automated tasks for assessing strategy shifting and reversal learning, which are particularly sensitive to disruptions in prefrontal cortical networks.
Executieve functies bestaan uit meerdere hoog niveau cognitieve processen die regel generatie en gedragsproblemen selectie rijden. Een opkomende eigenschap van deze werkwijzen is de mogelijkheid om gedrag aan te passen aan veranderingen in zijn omgeving (bijv gedrags flexibiliteit). Deze processen zijn essentieel voor normale menselijke gedrag en kunnen worden verstoord in diverse neuropsychiatrische aandoeningen, waaronder schizofrenie, alcoholisme, depressie, beroerte en de ziekte van Alzheimer. Begrip van de neurobiologie van executieve functies is sterk bevorderd door de beschikbaarheid van dierlijke taken voor de beoordeling van discrete componenten van gedragsproblemen flexibiliteit, met name de strategie verschuiven en omkering leren. Terwijl verschillende soorten taken zijn ontwikkeld, de meeste zijn niet geautomatiseerd, arbeidsintensief en laat het testen van slechts één dier tegelijk. De recente ontwikkeling van geautomatiseerde, op operante gebaseerde taken voor de beoordeling van gedragsproblemen flexibiliteit stroomlijnt testing, standaardiseert stimulus presentatie en gegevensregistratie en drastisch verbetert doorzet. We beschrijven hier geautomatiseerde strategie verschuiven en omkering taken, met behulp van operante kamers aangestuurd door op maat geschreven software programma's. Met deze taken hebben wij aangetoond dat de mediale prefrontale cortex regelt strategie verschuiven maar niet omkering leren bij ratten, vergelijkbaar met de dissociatie waargenomen bij mensen. Bovendien mogen ook dieren met een neonatale hippocampus laesie, een neurologische model van schizofrenie, selectief verminderde over de strategie verschuiven taak, maar niet de omkering taak. De strategie verschuiven taak maakt ook de identificatie van afzonderlijke soorten fouten optreden, die elk toegeschreven aan verschillende neurale substraten. De beschikbaarheid van deze geautomatiseerde taken, en de gegevens die de dissocieerbaar bijdragen van afzonderlijke prefrontale gebieden, maakt ze bijzonder geschikt assays voor de studie van de fundamentele neurobiologische processen, alsmede drug ontdekking en screening bij de ziekte van modellen.
Hoog niveau cognitieve processen, waaronder regel generatie, gedrags- selectie en evaluatie van deze strategie worden gezamenlijk aangeduid als "uitvoerende functie" of "behavioral flexibiliteit 1." Dergelijke processen zijn cruciaal om de normale cognitieve functie, en kunnen worden gehinderd in zulke uiteenlopende aandoeningen zoals schizofrenie , alcoholisme, depressie, beroerte en de ziekte van Alzheimer 2-7. De regulering van de uitvoerende functie processen wordt voornamelijk gemedieerd door gebieden in de frontale cortex, met inbegrip van de dorsolaterale prefrontale cortex en de orbitofrontale cortex bij mensen 8-10.
De ontwikkeling van taken aan uitvoerende functie en / of gedragsproblemen flexibiliteit in de niet-menselijke dieren, vooral knaagdieren te beoordelen, is sterk aan het inzicht in de neurobiologie van cognitie 11-14. Dergelijke taken hebben het mogelijk om verschillende onderdelen van gedragsproblemen flexibiliteit afzonderlijk te meten gemaakt, met inbegrip vanstrategie verschuiven en omkering leren. Strategie verschuiven verwijst naar het vermogen om actief te onderdrukken een eerder aangeleerde reactie strategie, terwijl het verwerven van een nieuwe, concurrerende strategie, in het bijzonder tegenover stimulus afmetingen (extradimensional shift) – bijvoorbeeld het overschakelen van het uitvoeren van een visueel-gebaseerde discriminatie (rood vs. groen, waar rood is "correct" en tactiele stimuli zijn niet relevant) tot het uitvoeren van een tactiele discriminatie (glad versus ruw, waar glad is "correct" en visuele prikkels zijn nu niet relevant). Aan de andere kant, omkering leren impliceert ook een verandering in de strategie van aanpak, maar binnen dezelfde stimulus dimensie – bijvoorbeeld in de "rood vs. groen" Bijvoorbeeld, als rood was vroeger juist, een omkering zou dat groene dicteren is nu juist, terwijl tactiele stimuli irrelevant zou blijven.
Verschillende taken zijn ontwikkeld gedragsproblemen flexibiliteit knaagdieren onderzoeken. De cross-maZe taak vereist een dier om eerst ofwel een-richting gebaseerde regel (bijvoorbeeld: 'altijd rechts ") of een visuele basis regel (bijvoorbeeld," altijd keren naar de visuele cue ") naar een bepaald criterium van de prestaties te leren. Vervolgens wordt het dier verplicht onverwacht verschuiven van hetzij modaliteit naar de andere regel (strategie verschuiven, oorspronkelijk aangeduid als een "nonreversal shift" 15) of verschuiven binnen modaliteit naar de andere onvoorziene (reversal learning) 13,14,16. Dergelijke taken zijn gevoelig voor storingen in corticale en subcorticale netwerken, waarbij de prefrontale cortex, thalamus, en striatum 1,13,14,16-18. Een ander type van aandachtstraining-set verschuiven taak (soms aangeduid als het graven taak) nodig om dieren te trainen om onderscheid te maken tussen twee containers die verschillen langs twee of drie stimulus dimensies (graven media, geur en / of externe textuur). Vergelijkbaar met de cross-doolhoftaak, worden de dieren dan verplicht om ofwel heel afmetingen (strategie shifting) verschuiven of binnen dezelfde dimensie (omkering leren), en deze taken zijn eveneens gevoelig voor frontale cortex manipulaties 11,19. Een voordeel van deze taak is dat tijdens de extra-dimensionale strategie shift, ratten worden met nieuwe sets van stimuli (voorbeelden), die ervoor zorgt dat de prestaties impairments tijdens deze fase zijn waarschijnlijk toe te schrijven aan verstoringen in het vermogen om aandachtsproblemen set aan verschillende aspecten verschuiven verbinding stimuli plaats van een verminderd vermogen om te stoppen naderen van een specifieke stimulus eerder geassocieerd met beloning. Echter, deze functie maakt het ook moeilijker om de specifieke aard van een tekort vast te stellen tijdens een set shift.
Hoewel de hierboven beschreven taken goed gedocumenteerd in de literatuur, beiden lijden aan een aantal procedurele nadelen, vooral de tijd die het duurt om proefdieren. In beidede cross-doolhof taak en het graven taak, kan slechts één dier worden getest in een tijd; Bovendien moet het testen in real time worden toegediend door een toegewijd experimentator en kan tot verschillende hr per dag per dier. Bovendien, de presentatie van stimuli en de registratie van gedragsreacties in beide soorten taken handmatig gecontroleerd door een experimentator, en dus gevoelig voor menselijke fouten en subjectieve interpretatie.
Hier beschrijven we een geautomatiseerde methode voor het beoordelen van de strategie schakelen en omkering leren in de rat, met behulp van operante procedures die stimulus controle en presentatie van gegevens te stroomlijnen, en drastisch verbeteren van de snelheid van het verzamelen van gegevens en doorvoer 20,21. De methodes voor het vormen en treinratten beschreven, alsmede de componenten van de taak zelf en de analyse van de verkregen gegevens. We hebben gevonden dat als de cross-doolhof en graafmachines taken deze geautomatiseerde taken gevoelig voor verstoringen in prefrontaleen subcorticale circuits, alsmede een neurologische manipulatie die modellen schizofrenie 20-23.
De ontwikkeling van gedragsproblemen taken aan hogere orde cognitieve constructies bij knaagdieren te meten is essentieel om de kennis van de neurobiologie van cognitie te bevorderen. Met goed geconstrueerde en gevalideerde taken, kan knaagdieren worden beoordeeld op taken van complexiteit rivaliserende die van primaten of zelfs mensen. Hier hebben we laten zien hoe twee aspecten van de uitvoerende functie, strategie verschuiven en omkering leren, kan worden onderzocht in knaagdieren met behulp van geautomatiseerde operante technieken. Met behulp van deze geautomatiseerde taken, hebben we gerepliceerd eerdere bevindingen in cross-doolhof en het graven van taken met betrekking tot de neurale substraten van set-shifting en omkering leren 11,13,18-21,27,29, wat suggereert dat de operante taken zijn geldig evaluaties van deze construeert.
Deze geautomatiseerde taken hebben een aantal voordelen en de voordelen ten opzichte van bestaande niet-geautomatiseerde cross-doolhof en het graven taken. Meest dwingende is de superieure snelheid van het verzamelen van gegevens in de geautomatiseerde operante versie. Elkdag training of test duurt slechts 30-60 minuten, en is volledig computergestuurd vereisen minimale begeleiding door de experimentator. Bovendien kunnen meerdere dieren gelijktijdig worden getest met een multi-chamber operante setup. Elke taak serie, van de vormgeving tot de uiteindelijke testen, kunnen worden in ongeveer 2-3 weken afgerond. Een ander belangrijk voordeel van de geautomatiseerde taken is de nauwkeurige controle van de stimulus, waardoor dus experimentator fout minimaliseren. Zo wordt de volgorde van de presentatie van de cue locatie op elke proef gerandomiseerd en gecontroleerd door de computer, in plaats van door een experimentator handmatig raadpleging van een trial-by-proef lijst. De timing tussen de proeven wordt nauwkeurig gemeten en consistent, en wordt niet verstoord door de tijd die het kost een experimentator om, bijvoorbeeld, verwijderen van een rat uit de cross-doolhof of de volgorde van de graven containers. Versterking levering is automatisch en is niet onderworpen aan fout experimentator (bijvoorbeeld vergeten om het aasjuiste arm van een cross-doolhof). Het verzamelen van gegevens is eveneens verbeterd, met automatische registratie van respons patronen waaronder het meten van de exacte reactietijden. In afwezigheid van andere auto afwijkingen kunnen veranderingen in reactietijden worden gebruikt om bewijs van veranderde verwerkingssnelheid afleiden en / of het niveau van cognitieve complexiteit van een taak 21,22 beoordelen.
De geautomatiseerde taken behouden ook een belangrijk voordeel van de cross-doolhof taken: de mogelijkheid om een gedetailleerde analyse van de verschillende fouten gemaakt op de shift of omkering dag uit te voeren. Onderscheid te maken tussen-set verschuiven fouten die de vorige dag strategie (perseverative of regressieve fouten) te repliceren en fouten die eerder onbeproefd strategieën (nog nooit versterkte fouten) vertegenwoordigen kan helpen bij het karakteriseren van specifieke tekorten in behavioral flexibiliteit. In het bijzonder, perseverative fouten die in het begin van het testen reflecteren onvermogen van een dier af te zien van de vorige strategy, terwijl later voorkomende regressieve fouten weerspiegelen onvermogen van een dier om de nieuwe strategie te handhaven zodra perseveratie heeft opgehouden 20. Nooit-versterkte fouten kan een storing aan de nieuwe strategie, of een onvermogen om systematisch te reageren volgens de regel 20 te verwerven geven. Eerdere bevindingen 16,17,20 demonstreren scheidbaar neuroanatomical bases van deze soorten fouten zijn ook waardevol in het interpreteren van de resultaten van deze taken.
De procedures ontwikkeld en geoptimaliseerd voor gebruik met ratten. Dit gezegd zijnde, andere groepen hebben soortgelijke procedures die worden gebruikt voor het testen van de set-verschuivende vaardigheden bij muizen 31. Echter, moeten bepaalde wijzigingen worden ingezet met muizen om tegemoet te komen voor soorten verschillen. Deze omvatten langer presentatie van de visuele cue licht voorafgaand aan hendelverlenging, opleiding over meerdere dagen met behulp van 30 trials / dag en de integratie van een time-out straf na verkeerde keuzes. Although deze wijzigingen maken deze test minder geschikt voor gebruik met farmacologische uitdagingen, kan het nuttig zijn voor de beoordeling van cognitieve flexibiliteit in genetisch gemanipuleerde muizen (hoewel het onduidelijk is of deze wijzigingen de frontale cortex gevoeligheid van de taak zou behouden) te bewijzen.
Natuurlijk zijn er ook beperkingen voor deze taken. Sommige van deze beperkingen voortvloeien uit de geautomatiseerde aard van de taak, terwijl andere zijn gerelateerd aan de parameters van de taak zelf. Met betrekking tot dat laatste, de hier beschreven-set verschuiven taak (evenals de cross-doolhof set-verschuivende taak 26) maken gebruik van een beperkte set van stimuli en reacties. In tegenstelling tot de graven taak, waarop nieuwe exemplaren (bijvoorbeeld, onbekende geuren of graven media) kan worden gebruikt om nieuwe aandachtsproblemen sets te bouwen in elke fase 11,19, de operante-set verschuiven taak noodzakelijkerwijs de keuze tussen twee stimuli die vertrouwd zijn met het zijn dier – ofwel de links vs.juiste cue licht, of de linker versus juiste positie. Dit betekent dat de operante en cross-doolhof-set verschuiven taken betrekken respons conflict evenals strategie verschuiven, hoewel het concept van het verschuiven van de eigen strategie om een nieuwe, voorheen irrelevante stimulus dimensie wordt bewaard 20,23. Op een verwante nota, de set-shifting en omkering operante taken zoals hier beschreven staan niet toe dat voor een derde stimulus dimensie, zoals in het graven taak die graven media, geur en textuur 11,19 kan omvatten. Dat doen we echter niet dit een fatale fout beschouwen, als de operante-set verschuiven taak vereist nog steeds het dier naar de eerder relevante strategie discriminatie te onderdrukken en te wonen om een eerder genegeerd stimulus dimensie. Bovendien lijkt het denkbaar dat wijzigingen aan de apparatuur en taakparameters de toevoeging van een derde dimensie stimulus, zoals auditieve signalen of geur kunnen ondersteunen, hoewel deze toevoegingen waarschijnlijk het leren moeilijker en minder amenable om eendaagse farmacologische proeven.
Ten slotte een mogelijke beperking van eventueel operante gebaseerde taak is het verlies van rechtstreekse informatie over gedrag rat – dwz dat de onderzoeker niet meer kijken naar de rat. We hebben het gevoel dat de voordelen in de objectiviteit en het verzamelen van gegevens snelheid door automatisering verleend meer dan make-up voor dit verlies, en camera's gemonteerd in de operante kamers zijn een relatief eenvoudige manier om individuele visuele toegang te herstellen indien gewenst.
Er zijn een aantal stappen die genomen kunnen worden om succes te maximaliseren met deze operant taken. Ten eerste, het belang van de behandeling van de dieren voor de training begint kan niet worden overschat; net als bij elke gedragstaak, goed behandeld dieren zijn makkelijker om mee te werken, zijn minder gestrest, en hebben de neiging om minder variabele data te produceren. Ten tweede, sommige piloottesten nodig om de beste tijdstip om testen uit te voeren bepalen; testen we tijdens het licht cyclus, en vinden dat performance is optimaal wanneer dieren worden getest bij het einde van deze cyclus (bijvoorbeeld ongeveer 16:00 een lichtcyclus eindigt op 7:00). Ten derde, zorg moeten worden genomen om die stabiele prestaties wordt vastgesteld op elke vooropleiding stadium te bevestigen voordat een dier is gevorderd met de volgende stap. Bijvoorbeeld, consistente en robuuste prestaties op de intrekbare hendel training podium is een uitstekende voorspeller van performante prestaties op de "set" discriminatie taak. Met betrekking tot de uitrusting, hoewel alle stappen zijn geautomatiseerd, experimentator ingrijpen blijft noodzakelijk om te bevestigen dat alle componenten zijn in orde. Zo moet een uitrusting check dagelijks worden uitgevoerd (of meer dan een keer per dag, als groot aantal dieren worden getest) om ervoor te zorgen dat alle lichten, hendels en beloning levering operationeel zijn. In het bijzonder kunnen storingen in beloning afgiftesystemen (vooral pellet dispensers) drastisch beïnvloeden. Een ongewoon hoog aantal omissies opeen bepaalde dag kan een probleem zijn met beloning levering apparatuur aan te geven, en dus data-uitgang moet dagelijks worden gecontroleerd door een experimentator vertrouwd met de taak en verwachte prestaties. Bij het ontbreken van een apparaat defect, kan een groot aantal omissies andere problemen met de motivatie of de gezondheid van dieren te geven. Als een dier verder gezond kan voedselrestrictie worden verhoogd om het dier naar 80-85% van de vrije voeding gewicht voor een korte tijd totdat prestaties hersteld.
Deze set-shifting en omkering taken kunnen worden gebruikt in een verscheidenheid van experimentele paradigma. Bijvoorbeeld zou de effecten van manipulaties zoals laesies, ontwikkelings behandelingen, de voeding, de langdurige farmacologische behandeling, of genetische modificaties worden onderzocht. Hoewel het effect van een behandeling op de set-shifting of omkering stadium van primaire belang kunnen zijn, er rekening mee dat aangezien dergelijke chronische of permanente behandelingen per se vóór trai moet worden toegediendning begint, effecten op meerdere stadia van prestaties (met name op de eerste discriminatie of "set") moet ook worden onderzocht 21. Het gebruik van acute manipulaties, zoals farmacologische behandelingen of tijdelijke neuroanatomisch inactiveringen, zijn bijzonder goed geschikt voor deze taken. In dergelijke gevallen is de toevoeging van een derde groep (zie figuur 2) bruikbaar; Zo is de primaire experimentele groep krijgt de manipulatie van de rente op de dag van de shift of omkering, terwijl een controlegroep ontvangt de manipulatie op de dag van de initiële discriminatie of "set" om te testen op een brede effecten op het leren, en een tweede controlegroep ontvangt geen manipulaties (of sham behandelingen) op beide dagen 20,22. Merk op dat voor een dergelijke acute manipulatie studies, is het raadzaam om ratten voor de prestaties overeenkomen bij het leren van de eerste set en toe te wijzen aan de experimentele groep en de (tweede) controlegroep dienovereenkomstig. Dit minimIZES de mogelijkheid dat behandeling geïnduceerde verschillen in prestaties kunnen worden vertroebeld door individuele verschillen in hoe gemakkelijk ratten leren om onderscheid te maken tussen stimuli. Bovendien, als een experiment vereist het testen van meerdere cohorten gedurende weken of maanden, moet elk cohort behoren dieren uit alle experimentele groepen. Bijvoorbeeld kan een studie, waarbij de effecten van acute farmacologische manipulaties tijdens overschakeling 48 ratten in totaal 3 experimentele groepen getest in drie cohorten van 16 dieren elk vereist. In dit geval moet elk cohort 5-6 ratten in elke experimentele groep bevatten. Idealiter zou de statistische analyses factor die bevestigt er geen verschillen in prestaties over elk cohort ratten omvatten. Tenslotte kunnen die operante taken bijzonder bruikbaar voor toepassing in vivo opname technieken waaronder microdialyse, voltammetrie en elektrofysiologie, door componenten zoals de gecontroleerde omgeving precieze timing van stimulus Presentation en reacties, en beperkte bewegingen van de dieren die niet beschikbaar zijn of praktisch in de cross-doolhof of graven taken zijn.
The authors have nothing to disclose.
Research described here was supported by a grant from the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada to S.B.F.
Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
Behavioral Chamber Package with Retractable Levers | Med Associates, Inc. | MED-008-B2 | Required components include two retractable levers, two stimulus lights, houselight, and reinforcement delivery system |
MED-PC software | Med Associates, Inc. | SOF-735 | |
MPC2XL software | Med Associates, Inc. | SOF-731 | Data transfer utility for importing raw data into Excel format |
Dustless precision pellets, 45 mg, sugar | Bio-Serv | F0042 |