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.
פונקציות הנהלה מורכבות ממספר רב של תהליכים קוגניטיביים ברמה גבוהה שמניע את דור שלטון ובחירת התנהגות. תכונה מתהווה של תהליכים אלה היא היכולת להתאים את ההתנהגות בתגובה לשינויים בסביבתו של אדם (גמישות כלומר, התנהגות). תהליכים אלה חיוניים להתנהגות אנושית נורמלית, ועשויים להיות מופרים בתנאי נוירו-פסיכיאטריים מגוונים, כולל סכיזופרניה, אלכוהוליזם, דיכאון, שבץ, ומחלת אלצהיימר. הבנה של נוירוביולוגיה של תפקודים ניהוליים כבר התקדמה מאוד בזמינות של משימות בבעלי חיים להערכת מרכיבי גמישות התנהגותית, במיוחד אסטרטגית הסטה ולמידת היפוך בדידים. בעוד מספר סוגים של משימות פותחו, רובם-אוטומטי שאינם, עבודה אינטנסיבית, ולאפשר בדיקה של רק חיה אחת בכל פעם. הפיתוח האחרון של משימות אוטומטיות, המבוסס על אופרנטית להערכת גמישות התנהגותית מייעל tesטינג, סטנדרטיזציה מצגת גירוי והקלטת נתונים, ומשפר באופן דרמטי את התפוקה. כאן אנו מתארים אוטומטיים הסטת אסטרטגיה ומשימות היפוך, שימוש בתאים אופרנטית הנשלטים על ידי תוכנת תוכניות שנכתבו מותאם אישית. שימוש במשימות אלה, שהראינו כי קליפת מוח הקדם חזיתית המדיאלי מסדירה אסטרטגית הסטה אך לא היפוך למידה בחולדה, דומה לניתוק נצפה בבני אדם. יתר על כן, בעלי חיים עם נגע בהיפוקמפוס בילוד, מודל התפתחות נוירולוגית של סכיזופרניה, לקויים באופן סלקטיבי על עצם את משימת אסטרטגית ההסטה אבל לא משימת ההיפוך. משימת אסטרטגית ההסטה גם מאפשרת זיהוי של סוגים נפרדים של טעויות ביצועים, כל אחד מהם ניתן לייחסו למצעים עצביים שונים. הזמינות של משימות האוטומטיות אלה, והראיות התומכות בתרומות הקשורות זה של אזורי המוח הקדם חזיתית נפרדים, הופכים אותם למבחנים גם מתאימים במיוחד עבור החקירה של תהליכים הנוירו-ביולוגיים בסיסיים, כמו גם drגילוי UG והקרנה במודלים של מחלות.
תהליכים קוגניטיביים ברמה גבוהה, כוללים דור כלל, מבחר התנהגות, ואסטרטגיה הערכה יכונו ביחד כ" ביצועי "או" גמישות התנהגותית 1. "תהליכים כאלה הם חיוניים לתפקוד קוגניטיבי תקין, ועלולים להיפגע בהפרעות מגוונות כגון סכיזופרניה , אלכוהוליזם, דיכאון, שבץ ומחלות 2-7 אלצהיימר. הרגולציה של תהליכי פונקציה המבצע מתווכת בעיקר על ידי אזורים בקליפת המוח הקדמי, כולל קליפת מוח הקדם חזיתית דורסולטרלי וקליפת orbitofrontal בבני האדם 8-10.
הפיתוח של משימות להעריך תפקוד ביצועי ו / או גמישות התנהגותית בחיות לא-אנושיות, במיוחד מכרסמים, התקדם באופן משמעותי את ההבנה של נוירוביולוגיה של קוגניציה 11-14. משימות כגון הפכו אותו ניתן למדוד בנפרד רכיבים שונים של גמישות התנהגותית, כולליםהסטת אסטרטגיה ולמידת היפוך. הסטת אסטרטגיה מתייחסת ליכולת לדכא באופן פעיל אסטרטגית תגובה למדה בעבר בעת רכישת אסטרטגיה חדשה, מתחרה, במיוחד על פני ממדי גירוי (משמרת extradimensional) – למשל, מעבר מביצוע אפליה מבוססת מבחינה ויזואלית (אדום מול ירוק, שבו אדום הוא גירויים "נכונים" ומישוש אינם רלוונטיים) לביצוע אפליית מישוש (להחליק לעומת מחוספס, שבו חלק הוא "נכון" וגירויים חזותיים הם עכשיו לא רלוונטיים). מצד השני, למידת היפוך גם בשינוי באסטרטגית תגובה, אבל בתוך אותו ממד הגירוי – למשל, בדוגמא "אדום לעומת ירוק", אם אדום היה נכון בעבר, היפוך יכתיב ירוק זה נכון עכשיו, בעוד גירויי מישוש יישארו לא רלוונטיים.
כמה משימות פותחו כדי לחקור גמישות התנהגותית במכרסמים. Ma הצולבמשימת ze דורשת בעלי חיים לראשונים ללמוד או שלטון המבוסס על כיוון (לדוגמא, "תמיד פונה ימינה") או שלטון מבוסס חזותי (למשל, "תמיד פונה אל הסימן החזותי") לקריטריון מסוים של ביצועים. לאחר מכן, נדרש בעלי החיים או כדי להעביר באופן בלתי צפוי על פני שיטה לשלטון ההפוך (אסטרטגית ההסטה, נקרא במקור כ" משמרת nonreversal "15) או להעביר בשיטה למגירה ההפוכה (למידה היפוך) 13,14,16. משימות כאלה הן רגישות לשיבושים ברשתות בקליפת המוח וקורטיקליים, מעורבים קליפת מוח הקדם חזיתית, התלמוס, וסטריאטום 1,13,14,16-18. סוג נוסף של משימת קשב-הסטת סט (המכונה לעתים משימת החפירה) דורש בעלי חיים אימון להפלות בין שתי מכולות שונות לאורך שתיים או שלושה ממדי גירוי (לחפור תקשורת, ריח, ו / או מרקם חיצוני). בדומה למבוך הצולבמשימה, בעלי חיים ולאחר מכן נדרשו לעבור גם על פני ממדים (הסטת אסטרטגיה) או בתוך אותו הממד (למידה היפוך), ומשימות אלה דומים רגישות למניפולציות קליפת מוח קדמיות 11,19. יתרון של משימה זו הוא כי במהלך משמרת האסטרטגיה חוץ-ממדית, חולדות מוצגות עם סטי רומן של גירויים (מופת), אשר מבטיח כי ליקויי ביצועים בשלב זה, צפויים המיוחס לשיבושים ביכולת לעבור בסט קשב להיבטים שונים גירויי מתחם, ולא יכולת לקויה להפסיק מתקרב גירוי ספציפי הקשורות בעבר עם הפרס. עם זאת, תכונה זו גם עושה את זה קשה יותר כדי לוודא את האופי הספציפי של גירעון במהלך משמרת סט.
למרות שהמשימות שתוארו לעיל תועדו היטב בספרות, שניהם סובלים ממספר החסרונות פרוצדורליים, בעיקר את משך זמן שנדרש כדי לבדוק בעלי חיים. בשנימשימת המבוך הצולב ומשימת החפירה, רק חיה אחת יכולים להיבדק בכל פעם; יתר על כן, בדיקה חייבת להינתן בזמן אמת על ידי הנסיין ייעודי, ועשוי להימשך עד כמה שעות ביום לכל בעלי חיים. בנוסף, הצגת גירויים וההקלטה של תגובות התנהגותיות בשני הסוגים של משימות נשלטות באופן ידני על ידי הנסיין, ועל כן הם חשופים לטעויות אנוש ופרשנות סובייקטיבית.
כאן אנו מתארים שיטה אוטומטית להערכת אסטרטגית הסטה והיפוך הלמידה בחולדה, באמצעות נהלים אופרנטית המייעלים את שליטת גירוי ולהצגה נתונים, ולשפר באופן דרמטי את שיעור איסוף נתונים ותפוקת 20,21. השיטות המשמשות לעיצוב וחולדות רכבת מתוארות, כמו גם את המרכיבים של המשימה עצמה והניתוח של הנתונים וכתוצאה מכך. מצאנו כי כמו משימות מבוך הצולב ולחפור, משימות האוטומטיות אלה רגישות להפרעות במוח הקדם חזיתיתומעגלים קורטיקליים, כמו גם למניפולצית התפתחותיות שמודלי סכיזופרניה 20-23.
הפיתוח של משימות התנהגותיות כדי למדוד מבנים קוגניטיביים מסדר גבוה במכרסמים הוא חיוני לקידום ידע של נוירוביולוגיה של קוגניציה. עם משימות בנויות היטב ומאומתים, ניתן להעריך מכרסמים במשימות מורכבות התחרו אלה של קופים או אפילו בני אדם. כאן יש לנו לראות איך שני היבטים של תפקוד ביצועי, אסטרטגית הסטה ולמידת היפוך, יכולים להיחקר במכרסמים תוך שימוש בטכניקות אופרנטית אוטומטיות. באמצעות משימות אוטומטיות אלה, יש לנו לשכפל את הממצאים קודמים במבוך צולב ומשימות לחפור לגבי מצעים העצביים של סט-הסטה והיפוך למידת 11,13,18-21,27,29, המצביע על כך המשימות אופרנטית הערכות תקפות של אלה בונה.
יש משימות אוטומטיות אלה יש מספר היתרונות ויתרונות על פני משימות קיימות-אוטומטי שאינו מבוך צולב ולחפור. המשכנע ביותר הוא השיעור מעולה של איסוף נתונים בגרסה אופרנטית האוטומטית. כלאימון של היום או בדיקה לוקחת רק 30-60 דקות, והוא באופן מלא הדורש פיקוח מינימאלי על ידי הנסיין מבוקרת מחשב. יתר על כן, ניתן לבדוק כמה בעלי חיים בו זמנית עם התקנה אופרנטית רב-תא. כל סדרת משימה, מעיצוב לבדיקות סופיות, יכולה להסתיים בכ 2-3 שבועות. יתרון חשוב נוסף של המשימות האוטומטיות הוא השליטה המדויקת של מצגת גירוי, וכך לצמצם את האפשרות של טעות הנסיין. לדוגמא, את סדר ההצגה של מיקום אות בכל אחד מניסויים אקראי ומבוקר על ידי המחשב, ולא על ידי הנסיין ייעוץ ניסוי על ידי משפט רשימה באופן ידני. העיתוי בין הניסויים נמדד בדיוק ועקבי, ולא בלבל את הזמן שלוקח לניסוי, למשל, להסיר את חולדה מהמבוך הצולב או לארגן מחדש את מיכלי החפירה. משלוח החיזוק הוא אוטומטי ואינו כפוף לניסוי שגיאה (למשל, שוכח לפיתיוןזרוע נכונה של מבוך צולב). איסוף הנתונים השתפר באופן דומה, עם הקלטה אוטומטית של דפוסי תגובה כולל מדידת זמני שיהוי תגובה מדויקת. בהיעדר הפרעות מוטוריות אחרות, שינויים בזמני שיהוי תגובה יכולים לשמש להבנת ראיות של מהירות עיבוד שינה ו / או לשפוט את רמת מורכבות הקוגניטיבית של משימה 21,22.
המשימות האוטומטיות גם לשמור על יתרון אחד חשוב של משימות מבוך הצולב: היכולת לבצע ניתוח מפורט של סוגי טעויות שנעשו ביום השינוי או ביטול. הבחנה בין שגיאות-הסטת סט שלשכפל האסטרטגיה (מתמיד, או טעויות רגרסיביות) של היום הקודם ושגיאות שמייצגות בעבר אסטרטגיות נסות (שגיאות לא מחוזקות) יכולה לסייע באפיון גירעונות ספציפיים בגמישות התנהגותית. בפרט, טעויות חוזרות של המתרחשות בשלב מוקדם בבדיקה משקפות את חוסר היכולת של בעל חיים לנטוש st הקודםrategy, כעבור זמן-מתרחש שגיאות רגרסיביות משקפות את חוסר היכולת של בעל חיים כדי לשמור על האסטרטגיה החדשה ברגע שפרסברציה חדלה 20. שגיאות מעולם לא מחוזקים עשויות להצביע על כשל ברכישת האסטרטגיה החדשה, או חוסר יכולת להגיב באופן שיטתי על פי כלל 20. ממצאים קודמים 16,17,20 מפגינים בסיסי neuroanatomical קשורים זה של סוגים אלה של שגיאות הם גם בעל ערך בלפרש את התוצאות של משימות אלה.
הנהלים שלנו פותחו ומותאמים לשימוש עם חולדות. זה נאמר, קבוצות אחרות השתמשו נהלים דומים לבדיקת יכולות ההסטה שנקבעו בעכברי 31. עם זאת, שינויים מסוימים צריכים להיות מועסקים בעכברים כדי להתאים להבדלי מינים. אלה כוללים הצגה ארוכה של אות האור החזותי לפני הארכת מנוף, הכשרה על ימים מרובים באמצעות 30 ניסויים / יום ושילוב של עונש זמן שלאחריו בחירות שגויות. AlthouGH שינויים אלה הופכים assay זה פחות נוח לשימוש עם אתגרים תרופתיים, זה יכול להיות שימושי להערכת גמישות קוגניטיבית בעכברים שעברו מוטציה גנטית (אם כי לא ברור אם שינויים אלה היו לשמר את רגישות קליפת המוח הקדמית של המשימה).
כמובן, יש גם מגבלות למשימות אלה. חלק ממגבלות אלה נובעים מהאופי האוטומטי של המשימה, ואילו אחרים הקשורים לפרמטרים של המשימה עצמה. ביחס לזה אחרון, המשימה-הסטת הסט המתוארת כאן (כמו גם את מבוך הצלב-משימה-הסטה להגדיר 26) לנצל סט מוגבל של גירויים ותגובות. שלא כמו המשימה לחפור, שבו מופת רומן (למשל, ריחות לא מוכרים או מדיה לחפור) יכולה לשמש לבניית מערכות קשב חדשות בכל שלב 11,19, המשימה-הסטת הסט אופרנטית בהכרח מחייבת בחירה בין שני גירויים שהם מוכרים לי בעלי החיים – בין אם מול השמאלאות אור נכון, או משמאל לעומת מיקום נכון. משמעות הדבר היא כי המשימות-הסטת הסט אופרנטית ומבוך צולב כרוכות סכסוך תגובה, כמו גם אסטרטגית הסטה, למרות שהרעיון של הסטת האסטרטגיה של אחד לממד חדש, לא רלוונטי בעבר גירוי נשמר 20,23. בהקשר הזה, בשינויים והיפוך משימות אופרנטית כפי שתואר כאן אינו מאפשר לממד גירוי שלישי, כמו במשימת החפירה אשר עשוי לכלול תקשורת לחפור, ריח, ומרקם 11,19. עם זאת, אנו לא רואים בזה פגם קטלני, כמשימה-הסטת הסט אופרנטית עדיין דורשת את החיה כדי לדכא את אסטרטגית האפליה הרלוונטית בעבר ולדאוג לממד גירוי התעלם בעבר. בנוסף, נראה שניתן להעלות על הדעת שינויים בפרמטרים הציוד ומשימה יכולים לתמוך בתוספת של ממד גירוי שלישי, כגון רמזים שמיעתיים או ריח, למרות שתוספות אלה עשויות להפוך את הלמידה יותר קשה ופחות ameNable לבדיקות תרופתיות ביום אחד.
לבסוף, הגבלת פוטנציאל של כל משימה מבוססת אופרנטית הוא האובדן של מידע ישיר לגבי עכברוש התנהגות – כלומר, הניסוי הוא כבר לא צופה בחולדה. אנו חשים כי היתרונות במהירות אובייקטיביות ואיסוף נתונים שמעניק אוטומציה יותר לפצות על האובדן הזה, ומצלמות מותקנות בתאי אופרנטית הם דרך קלה יחסית כדי לשחזר את הגישה חזותית בודדת אם תרצה בכך.
ישנם מספר צעדים שניתן לנקוט על מנת למקסם את ההצלחה באמצעות משימות אופרנטית אלה. ראשית, את החשיבות של טיפול בבעלי החיים לפני האימון מתחיל לא יכול להיות מוגזם; כמו בכל משימה התנהגותיות, בעלי החיים מטופלים היטב, קלים יותר לעבוד איתו, הם פחות לחוץ, ונוטים לייצר נתונים פחות משתנים. שנית, כמה בדיקות טייס עשויות להיות נחוצות כדי לקבוע את הזמן הטוב ביותר של יום כדי לנהל בדיקות; אנו בוחנים במהלך מחזור האור, ולמצוא performan שce הוא אופטימלי כאשר בעלי חיים נבדקים קרוב לסוף המחזור הזה (לדוגמא, כ 4:00 לסיום מחזור אור בשעה 7:00 בערב). יש לנקוט שלישי, טיפול כדי לוודא שביצועים יציבים הוקם בכל שלב pretraining לפני בעל חיים הוא מתקדם לשלב הבא. לדוגמא, ביצועים עקביים ויציבים בשלב הכשרת מנוף לשליפה הוא מנבא מצוין של ביצועים מיומנים במשימה "לקבוע" האפליה. לגבי הציוד, למרות כל הצעדים הם אוטומטיים, התערבות הנסיין נשארה הכרחית כדי לוודא שכל הרכיבים הם במצב תקין. לדוגמא, בדיקת ציוד יש להפעיל יומית (או יותר מפעם ביום, אם מספר גדול של בעלי חיים נבדקים) כדי להבטיח שכל האורות, מנופים, ומערכות אספקת הפרס הם מבצעיות. בפרט, תקלות במערכות אספקת גמול (במיוחד מכשירי גלולה) יכולות להשפיע באופן דרסטי את הביצועים. מספר גבוה מרגיל של מחדלים ביום נתון עשוי להצביע על בעיה עם ציוד אספקת הפרס, ובכך פלט נתונים יש לבדוק בכל יום על ידי הנסיין מכיר את המשימה ורמות ביצועים צפויות. בהיעדר תקלה בציוד, מספר גבוה של מחדלים עשוי להצביע על בעיות אחרות עם מוטיבציה או בתחום הגנריקה. אם בעל חיים הוא בריא, הגבלת מזון עשויה להיות מוגבר לקחת את בעל החיים 80-85% מהמשקל חופשי-ההאכלה לזמן קצר עד שביצועים משחזר.
משימות בשינויים והיפוך אלה יכולים לשמש במגוון רחב של פרדיגמות ניסוי. לדוגמא, את ההשפעות של מניפולציות כגון נגעים, טיפולים התפתחותיים, מניפולציות תזונתיות, טיפול תרופתי ארוך טווח, או שינויים גנטיים יכולות להיחקר. בעוד שההשפעה של טיפול על הבמה בשינויים או ביטול עשויה לעניין עיקרי, לציין כי מאז טיפולים כרוניים או קבועים כזה חייבים בהכרח להיות מנוהלים לפני traiנינג מתחיל, השפעות על שלבים שונים של ביצועים (במיוחד על האפליה הראשונית או "קבוצה") יש לבחון גם אם 21. השימוש במניפולציות אקוטיות, כגון טיפולים תרופתיים או inactivations neuroanatomical הזמני, במיוחד מתאימות היטב למשימות אלה. במקרים כאלה, התוספת של קבוצה שלישית (כפי שמודגם באיור 2) היא שימושית; כך, קבוצת הניסוי הראשונית מקבלת המניפולציה של ריבית ביום שינוי או ביטול, ואילו קבוצת ביקורת אחת מקבלת את המניפולציה ביום אפליה ראשונית או "קבע" לבדיקת השפעות רחבות על למידה, וקבוצת ביקורת שנייה מקבלת אין מניפולציות (או טיפולי דמה) בשני הימים 20,22. שים לב כי ללימודי מניפולציה חריפים כגון, רצוי להתאים חולדות לביצועים במהלך הלמידה של הקבוצה הראשונית ולהקצות אותם לקבוצת הניסוי ו( שנייה) קבוצת ביקורת בהתאם. מינים זהizes את האפשרות שהבדלים מושרה טיפול בביצועים עשויים להיות מבולבל על ידי וריאציות בודדות באיך בקלות חולדות ללמוד להבחין בין גירויים. יתר על כן, אם ניסוי דורש בדיקה של קבוצות מרובות במשך שבועות או חודשים, כל קבוצה צריך לכלול בעלי חיים מכל קבוצות הניסוי. לדוגמא, מחקר שבודק את ההשפעות של מניפולציות תרופתיות חריפות במהלך משמרת עשוי לדרוש 48 חולדות בסך הכל ו 3 קבוצות ניסוי, נבדקו בשלושה מחזורים של 16 בעלי חיים כל אחד. במקרה זה, כל קבוצה צריך להכיל 5-6 חולדות בכל קבוצת ניסוי. באופן אידיאלי, הניתוחים הסטטיסטיים צריכים לכלול גורם המאשר לא היו הבדלים בביצועים על פני כל קבוצה של חולדות. לבסוף, משימות אופרנטית אלה עשויות להיות שימושיות במיוחד ליישום בטכניקות הקלטת vivo, כוללים microdialysis, voltammetry, ואלקטרופיזיולוגיה, בשל רכיבים כגון הסביבה מבוקרת, תזמון מדויק של presentat הגירוייון ותגובות, ותנועות מוגבלות של בעלי החיים שאינם זמינים או מעשיים במבוך הצולב או משימות חפירה.
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 |