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.
Exekutive Funktionen bestehen aus mehreren höheren kognitiven Prozesse, die Regelerzeugung und Verhaltensauswahl zu fahren. Eine emergente Eigenschaft dieser Prozesse ist die Möglichkeit, das Verhalten als Reaktion auf Änderungen in der eigenen Umgebung (dh Verhaltensflexibilität) einzustellen. Diese Prozesse sind für den normalen menschlichen Verhaltens und können in verschiedenen neuropsychiatrische Störungen, einschließlich Schizophrenie, Alkoholismus, Depression, Schlaganfall und Alzheimer-Krankheit gestört werden. Verständnis der Neurobiologie von Führungsaufgaben wurde stark durch die Verfügbarkeit von Tier Aufgaben für die Beurteilung der einzelnen Bestandteile der Verhaltensflexibilität, insbesondere Strategie Verschiebung und Umkehr Lernen vorangetrieben. Während verschiedene Arten von Aufgaben entwickelt worden, die meisten sind nicht automatisiert, arbeitsintensiv und erlauben Testen nur ein Tier auf einmal. Die jüngste Entwicklung der automatisierten, operante basierten Aufgaben für die Beurteilung der Verhaltensflexibilität optimiert testing, standardisiert Stimuluspräsentation und Datenaufzeichnung, und dramatisch verbessert den Durchsatz. Hier beschreiben wir automatisierte Strategie Verschiebung und Umkehr Aufgaben, mit operante Kammern, die durch eigens geschriebenen Software-Programme gesteuert. Unter Verwendung dieser Aufgaben haben wir gezeigt, dass die medialen präfrontalen Kortex regelt Strategie Verschiebung aber nicht Umkehr Lernen bei Ratten, ähnlich dem beim Menschen beobachteten Dissoziation. Außerdem Tiere mit einem Neugeborenen Hippocampus Läsion, eine neurologische Entwicklungsmodell von Schizophrenie, werden selektiv über die Strategie Verschiebung Aufgabe aber nicht die Umkehrung Aufgabe beeinträchtigt. Die Strategie Verschieben Task ermöglicht auch die Identifizierung von getrennten Arten von Leistungsfehlern, von denen jede zuzuschreiben unterschiedliche neuronale Substrate. Die Verfügbarkeit dieser automatisierten Aufgaben und Nachweise für die dissoziierbaren Beiträge der separaten präfrontalen Bereichen, macht sie besonders geeignet Assays zur Untersuchung der neurobiologischen Grundlagenprozesse sowie drug Entdeckung und Screening in Krankheitsmodellen.
Hochrangige kognitive Prozesse einschließlich Regelerzeugung, Verhaltens Auswahl und Strategie Auswertung werden gemeinsam als "Führungsaufgabe" oder bezeichnet "Verhaltensflexibilität ein." Solche Prozesse sind entscheidend für die normale kognitive Funktion und kann in so unterschiedlichen Erkrankungen wie Schizophrenie beeinträchtigt werden , Alkoholismus, Depression, Schlaganfall und Alzheimer-Krankheit 2-7. Die Regulierung der Exekutivfunktion Prozesse in erster Linie durch Bereiche im frontalen Kortex vermittelt werden, einschließlich der dorsolateralen präfrontalen Kortex und orbitofrontalen Kortex beim Menschen 8-10.
Die Entwicklung der Aufgaben auf Exekutivfunktion und / oder Verhaltensflexibilität in nichtmenschlichen Tieren, insbesondere Nagetiere zu bewerten, hat stark erweiterte das Verständnis der Neurobiologie der Erkenntnis 11-14. Solche Aufgaben haben die Möglichkeit, verschiedene Komponenten der Verhaltensflexibilität getrennt zu messen, einschließlichStrategie Verschiebung und Umkehr Lernen. Strategie Verschiebung bezieht sich auf die Fähigkeit, aktiv zu unterdrücken einen zuvor gelernten Aktionsstrategie während Erwerb eines neuen, konkurrierenden Strategie, insbesondere über Konjunktur Abmessungen (extradimensionalen Verschiebung) – zB Wechsel von der Durchführung einer visuellen Diskriminierung aufgrund (Rot gegen das Grün, wo rot ist "richtige" und taktile Reize sind irrelevant) der Durchführung einer taktilen Diskriminierung (glatt gegen raue, wo glatt ist "richtig" und visuelle Reize sind jetzt irrelevant). Auf der anderen Seite beinhaltet Umkehr Lernen auch eine Änderung der Reaktionsstrategie, aber innerhalb der gleichen Stimulus Dimension – zB in "Rot gegen das Grün" Wenn beispielsweise rot bisher richtig, eine Umkehr würde das grüne diktieren, ist jetzt korrekt, während taktile Reize wäre irrelevant bleiben.
Mehrere Aufgaben entwickelt worden, um Verhaltensflexibilität bei Nagetieren zu untersuchen. Der Quer maze Aufgabe erfordert ein Tier, um entweder eine erste Richtung basierte Regel (zB "immer rechts abbiegen") oder eine visuelle basierte Regel (zB "immer in Richtung der visuellen Hinweis drehen") bis zu einem bestimmten Kriterium der Wahrnehmung erfahren. Dann wird das Tier benötigt, um unerwartet verschieben entweder über Modalität in die entgegengesetzte Regel (Strategie Verschiebung, ursprünglich als "nonreversal shift" 15 bezeichnet) oder verschieben innerhalb Modalität zur gegenüberliegenden Kontingenz (Umkehr Lernen) 13,14,16. Solche Aufgaben sind empfindlich gegenüber Störungen in kortikalen und subkortikalen Netzwerke, in denen die präfrontalen Kortex, Thalamus und Striatum 1,13,14,16-18. Eine andere Art von Aufmerksamkeits Satz schieb Task (manchmal als der Graben Aufgabe bezeichnet) erfordert Ausbildung Tiere zwischen zwei Behältern, die entlang von zwei oder drei Dimensionen Stimulus (Graben Medien, Geruch und / oder externen Textur) unterscheiden diskriminieren. Ähnlich zu dem Quer mazeAufgabe, Tiere sind dann verpflichtet, entweder über Abmessungen (Strategie Verschiebung) zu verschieben oder in der gleichen Dimension (Umkehr Lernen), und diese Aufgaben sind ähnlich empfindlich auf frontalen Kortex Manipulationen 11,19. Ein Vorteil dieser Aufgabe ist, dass während der extradimensionalen Strategiewechsel, Ratten werden mit neuen Sets von Stimuli (Exemplare), die sicherstellt, dass die Leistung Beeinträchtigungen in dieser Phase sind wahrscheinlich auf Störungen in der Fähigkeit zur Aufmerksamkeits Satz, um verschiedene Aspekte verlagern vorgestellt Verbindung Stimuli, anstatt eine beeinträchtigte Fähigkeit zu stoppen Annäherung an einen spezifischen Stimulus zuvor mit Belohnung verbunden. Allerdings ist diese Funktion auch es schwieriger, den besonderen Charakter eines Defizits während eines festgelegten Verschiebung ermitteln.
Obwohl die oben beschriebenen Aufgaben wurden in der Literatur gut dokumentiert sind, beide aus einer Reihe von Verfahrens Nachteile, vor allem die Länge der Zeit, die für die Testtiere. Sowohldie Quer Labyrinth Aufgabe und das Graben Aufgabe kann nur ein Tier zu einem Zeitpunkt getestet werden soll; außerdem müssen Tests in Echtzeit von einem engagierten Experimentator verabreicht werden und kann bis zu mehreren Stunden pro Tag und Tier statt. Darüber hinaus werden die Präsentation von Stimuli und der Aufzeichnung der Verhaltensantworten bei beiden Arten von Aufgaben manuell von einem Experimentator gesteuert und sind daher anfällig für menschliche Fehler und subjektiven Interpretation.
Hier beschreiben wir eine automatisierte Methode für die Bewertung der Strategie Verschiebung und Umkehr lernen bei der Ratte mit operante Verfahren, die Stimulus-Steuerung und Darstellung der Daten zu optimieren, und dramatisch verbessern die Geschwindigkeit der Datenerhebung und Durchsatz 20,21. Die verwendeten Form und Bahn Ratten beschriebenen Verfahren sowie die Komponenten der Aufgabe selbst und der Analyse der resultierenden Daten. Wir haben festgestellt, dass, wie die grenzüber Labyrinth und Graben Aufgaben, diese automatisierte Aufgaben sind empfindlich gegenüber Störungen im präfrontalenund subkortikalen Schaltung sowie auf eine neurologische Entwicklungs Manipulation, die Modelle Schizophrenie 20-23.
Die Entwicklung von Verhaltens Aufgaben höheren kognitiven Konstrukte bei Nagetieren zu messen ist wichtig, Wissen über die Neurobiologie der Erkenntnis zu gelangen. Mit gut ausgebauten und validierte Aufgaben können Nagetieren auf Aufgaben der Komplexität bieten, den man von Primaten oder sogar Menschen zu beurteilen. Hier haben wir gezeigt, wie zwei Aspekte der Exekutivfunktion, Strategie Verschiebung und Umkehr Lern können bei Nagetieren mit automatisierten operante Techniken untersucht werden. Mit diesen automatisierten Aufgaben haben wir frühere Ergebnisse in Quer Labyrinth und Graben Aufgaben in Bezug auf die neuronalen Substrate Set-Verschiebung und Umkehr lernen 11,13,18-21,27,29 repliziert, was darauf hindeutet, dass die operante Aufgaben gelten Einschätzungen davon konstruiert.
Diese automatisierte Aufgaben haben eine Reihe von Vorteilen und Vorteilen gegenüber bestehenden nicht-automatisierte Cross-Labyrinth und Graben Aufgaben. Überzeugendsten ist die überlegene Geschwindigkeit der Datenerhebung in der automatisierten operante Version. Jedereintägige Schulung oder Prüfung dauert nur 30-60 Minuten und ist vollständig computergesteuert minimaler Überwachung vom Experimentator muss. Darüber hinaus können mehrere Tiere gleichzeitig mit einem Mehrkammer operant Einrichtung geprüft werden. Jeder Task-Serie, von der Gestaltung bis zur endgültigen Prüfung können in ca. 2-3 Wochen abgeschlossen sein. Ein weiterer wichtiger Vorteil der automatisierten Aufgaben ist die präzise Steuerung der Reizdarbietung, wodurch die Möglichkeit der Versuchsfehler zu minimieren. So wird beispielsweise die Reihenfolge der Präsentation der Zielstelle für jeden Versuch durch den Computer, anstatt von einem Experimentator randomisierte und kontrollierte manuelle Rücksprache mit einem Trial-by-Testliste. Das Timing zwischen Studien wird genau gemessen und konsequent, und wird nicht durch die Zeit, die ein Experimentator an, zum Beispiel, nehmen Sie eine Ratte aus dem Quer Labyrinth oder die Grab Container neu anordnen verwechselt. Verstärkung Lieferung erfolgt automatisch und unterliegt nicht der Fehler Experimentator (zB zu vergessen, um die Köderrichtigen Arm eines Quer Labyrinth). Die Datenerhebung wird in ähnlicher Weise verbessert, die automatische Erfassung von Reaktionsmustern einschließlich der Messung von genauen Antwortlatenzen. In Abwesenheit von anderen motorischen Störungen können Änderungen Antwortlatenzen zum Hinweis auf Veränderungen der Verarbeitungsgeschwindigkeit zu schließen und / oder um das Niveau der kognitiven Komplexität einer Aufgabe 21,22 beurteilen.
Die automatisierte Aufgaben behalten auch ein wichtiger Vorteil der Quer Labyrinth Aufgaben: die Möglichkeit, eine detaillierte Analyse der Fehlerarten auf der Verschiebung oder Aufhebung Tag gemacht durch. Die Unterscheidung zwischen Set-Shifting Fehler, die vom Vortag Strategie (perseverative oder regressive Fehler) zu replizieren und Fehler, die bisher unversucht Strategien (nie verstärkten Fehler) darstellen kann bei der Charakterisierung von spezifischen Defizite in Verhaltensflexibilität zu unterstützen. Insbesondere kehr Fehler frühzeitig im Testraumes anzupassen Unfähigkeit eines Tieres, um die vorherige st aufgebenrategy, während später auftretende regressive Fehler reflektieren Unfähigkeit eines Tieres, die neue Strategie zu erhalten, sobald perseveration hat 20 aufgehört. Nie verstärkten Fehler können einen Ausfall, um die neue Strategie oder eine Unfähigkeit, systematisch nach einer Regel 20 reagieren erwerben anzuzeigen. Frühere Befunde demonstrieren 16,17,20 dissoziierbaren anatomische Basen dieser Arten von Fehlern sind auch wertvoll bei der Interpretation der Ergebnisse dieser Aufgaben.
Unsere Verfahren sind entwickelt worden, und für die Verwendung mit Ratten optimiert. Nachdem dies gesagt ist, andere Gruppen haben ähnliche Verfahren für die Prüfung gesetzt schieb Fähigkeiten bei Mäusen 31 verwendet. Allerdings müssen bestimmte Änderungen, mit Mäusen, die für Arten Unterschieden Rechnung verwendet werden. Dazu gehören mehr Präsentation der visuellen Hinweis Licht vor der Hebelverlängerung, Training über mehrere Tage mit 30 Prüfungen / Tag und Einbau einer Timeout-Strafe nach falsche Entscheidungen. Although diese Änderungen machen diesen Test weniger geeignet für die Verwendung mit pharmakologischen Herausforderungen, es nützlich für die Bewertung der kognitiven Flexibilität in genetisch veränderten Mäusen (obwohl unklar ist, ob diese Änderungen würde den frontalen Kortex Empfindlichkeit der Aufgabe zu erhalten) erweisen.
Natürlich gibt es auch Grenzen für diese Aufgaben. Einige dieser Einschränkungen ergeben sich aus der automatisierten Art der Aufgabe, während andere auf der Parameter der Aufgabe selbst beziehen. In Bezug auf die letztgenannte, das hier beschriebene Set-Shifting-Aufgabe (wie auch die grenzüber Labyrinth gesetzt schieb Aufgabe 26) verwenden einen eingeschränkten Satz von Reizen und Reaktionen. Im Gegensatz zu den Graben Aufgabe, auf dem Roman Exemplare (zB unbekannte Düfte oder Graben Medien) können verwendet werden, um neue Aufmerksamkeitssätze in jeder Phase 11,19 zu konstruieren, der operanten Satz schieb Aufgabe erfordert notwendigerweise die Wahl zwischen zwei Reize, die bekannt sind, die Tier – entweder die linke vs.Recht Cue-Licht, oder die linke gegen rechte Position. Das heißt, die operante und Quer Labyrinth Set-Shifting Aufgaben umfassen Antwortkonflikt sowie Strategie Verschiebung, obwohl das Konzept der Verschiebung einer Strategie zu einem neuen, bisher nicht relevant Reiz Dimension erhalten bleibt 20,23. Über einen entsprechenden Hinweis, der Set-Verschiebung und Umkehr operante Aufgaben wie hier beschrieben nicht für ein drittes Konjunktur Dimension zu ermöglichen, wie in der Aufgabe, die Graben Graben Medien, Geruch und Textur 11,19 umfassen können. Allerdings haben wir das nicht als ein fataler Fehler nicht, da der operanten Satz schieb Aufgabe des Tieres, um die zuvor relevanten Diskriminierungsstrategie zu unterdrücken und sich um eine zuvor ignorierte Konjunktur Dimension bedarf noch. Darüber hinaus scheint es denkbar, dass Änderungen an den Geräten und Task-Parameter könnte die Hinzufügung einer dritten Dimension Stimulus, wie akustische Signale oder Geruch zu unterstützen, auch wenn diese Zusätze würden wahrscheinlich das Erlernen schwieriger und weniger amenable zu Ein-Tages-pharmakologischen Tests.
Schließlich ist auch eine mögliche Einschränkung jeglicher operante basierte Aufgabe der Verlust der direkten Informationen über Ratten Verhalten – dh der Experimentator nicht mehr gerade die Ratte. Wir sind der Meinung, dass die Vorteile in der Objektivität und Datenerfassung Geschwindigkeit durch Automatisierung verliehen mehr als wettmachen für diesen Verlust und Kameras in der operante Kammern angebracht sind eine relativ einfache Möglichkeit, einzelnen visuellen Zugang wieder herzustellen, falls gewünscht.
Es gibt eine Reihe von Schritten, die unternommen werden können, um erfolgreich mit diesen oper Aufgaben zu maximieren. Erstens, die Bedeutung der Umgang mit den Tieren vor Ausbildungsbeginn kann nicht überbewertet werden; wie bei jedem Verhaltens Aufgabe, sind gut behandelt Tiere leichter zu handhaben, sind weniger gestresst, und tendenziell weniger variablen Daten zu produzieren. Zweitens können einige Pilotversuche erforderlich sein, die beste Zeit des Tages, um Tests durchführen zu bestimmen; die wir während des Lichtzyklus testen und feststellen, dass performance ist optimal, wenn die Tiere am Ende dieses Zyklus getestet (zB ungefähr 4.00 für einen Lichtzyklus endet um 7:00 Uhr). Drittens sollte darauf geachtet werden, dass die stabile Leistung bei jedem Vortraining Bühne etabliert zu bestätigen, bevor ein Tier zu dem nächsten Schritt. Zum Beispiel, konsistente und robuste Leistung im versenkbare Hebel Trainingsstufe ist ein ausgezeichneter Indikator für kompetente Leistung auf dem "set" Diskriminierung Aufgabe. In Bezug auf die Geräte, auch wenn alle Schritte automatisiert sind, bleibt Experimentator Eingriff notwendig, um zu bestätigen, dass alle Komponenten in Ordnung sind. Zum Beispiel sollte eine Überprüfung der Ausrüstung täglich ausgeführt werden (oder mehr als einmal am Tag, wenn große Anzahl von Tieren sind in der Erprobung), um sicherzustellen, dass alle Lichter, Hebel und Lohn-Delivery-Systeme sind betriebsbereit. Insbesondere können Störungen in Lohn-Delivery-Systeme (insbesondere Pelletspender) drastisch auf die Leistung auswirken. Eine ungewöhnlich hohe Anzahl von Unterlassungeneinem bestimmten Tag kann ein Problem mit der Belohnung Liefer Geräte zeigen und damit die Datenausgabe sollte jeden Tag von einem Experimentator mit der Aufgabe und den erwarteten Leistungsstufen vertraut überprüft werden. In Abwesenheit einer Fehlfunktion der Ausrüstung, kann eine hohe Anzahl von Auslassungen andere Probleme mit Motivation oder tierische Gesundheit zeigen. Wenn ein Tier ist ansonsten gesund, können Nahrungsmittelbeschränkung erhöht werden, um das Tier zu 80-85% der Free-Fütterung Gewicht für eine kurze Zeit dauern, bis die Leistung wiederhergestellt werden.
Diese Set-Verschiebung und Umkehr Aufgaben können in einer Vielzahl von experimentellen Paradigmen verwendet werden. Zum Beispiel könnten die Wirkungen von Manipulationen wie Läsionen, Entwicklungsbehandlungen, diätetische Manipulationen, langfristige medikamentöse Behandlung oder genetische Veränderungen untersucht werden. Während die Wirkung einer Behandlung auf dem Set-Shifting oder Umkehrstufe kann von primärem Interesse ist zu beachten, dass, da eine solche chronische oder dauerhafte Behandlungen müssen unbedingt vor trai verabreicht werdenning beginnt, Auswirkungen auf mehreren Stufen der Leistung (vor allem auf der ersten Diskriminierung oder "set") muss auch 21 untersucht werden. Die Verwendung von akuten Manipulationen, wie pharmakologische Behandlungen oder vorübergehende neuroanatomische Inaktivierungen, sind besonders gut geeignet, um diese Aufgaben. In solchen Fällen ist der Zusatz einer dritten Gruppe (wie in Abbildung 2 dargestellt) nützlich; so erhält der Hauptversuchsgruppe die Manipulation von Interesse am Tag der Verschiebung oder Aufhebung, während eine Kontrollgruppe erhält die Manipulation am Tag der ersten Diskriminierung oder "Set", um für eine breite Wirkung auf das Lernen zu testen und eine zweite Kontrollgruppe erhält keine Manipulationen (oder Scheinbehandlung) an beiden Tagen 20,22. Beachten Sie, dass für eine solche Manipulation akuten Studien, ist es ratsam, Ratten Leistung während des Lernens der Anfangssatz entsprechen und ordnet diese entsprechend in der experimentellen Gruppe und (zweiten) Kontrollgruppe entsprechend. Diese minimIZES die Möglichkeit, dass behandlungsinduzierte Leistungsunterschiede können durch individuelle Unterschiede darin, wie leicht Ratten lernen, zwischen Reizen zu unterscheiden verwechselt werden. Außerdem, wenn ein Experiment benötigt Testen mehrerer Kohorten über Wochen oder Monate, je Kohorte sollten Tiere aller Versuchsgruppen umfassen. Zum Beispiel kann eine Untersuchung Testen der Wirkungen einer akuten pharmakologischen Manipulationen während eines Schaltvorgangs erfordern 48 Ratten insgesamt 3 Versuchsgruppen, in drei Kohorten von jeweils 16 Tieren getestet. In diesem Fall sollte jede Kohorte 5-6 Ratten in jeder Versuchsgruppe enthalten. Idealerweise sollten die statistische Analyse ein Faktor, gab es keine Unterschiede in der Leistung in jeder Gruppe von Ratten bestätigt umfassen. Schließlich können diese oper Aufgaben besonders nützlich für die Anwendung in vivo Aufzeichnungstechniken, einschließlich Mikrodialyse, Voltammetrie und Elektrophysiologie, aufgrund von Komponenten, wie beispielsweise der kontrollierten Umgebung, genauen Zeit Stimulus presentatIon und Antworten und eingeschränkte Bewegungen der Tiere, die nicht verfügbar oder praktisch in der Quer Labyrinth oder Graben Aufgaben.
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 |