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.
Eksekutive funksjoner bestå av flere høyt nivå kognitive prosesser som driver regel generasjon og atferds utvalg. En emergent egenskap ved disse prosessene er muligheten til å justere adferd som respons på endringer i ett miljø (dvs. atferds fleksibilitet). Disse prosessene er avgjørende for normal human atferd, og kan være avbrutt i forskjellige nevropsykiatriske tilstander, inkludert schizofreni, alkoholisme, depresjon, slag og Alzheimers sykdom. Forståelse av nevrobiologi av eksekutive funksjoner er blitt sterkt fremmet av tilgjengeligheten av dyre oppgaver for å vurdere diskrete komponenter som atferds fleksibilitet, spesielt strategi skiftende og reversering læring. Selv om flere typer av oppgaver er blitt utviklet, er de fleste ikke-automatisert, arbeidskrevende, og tillater testing av kun ett dyr om gangen. Den siste utviklingen av automatiserte, operante baserte oppgaver for å vurdere atferds fleksibilitet effektiviserer tesTing, standardiserer stimulus presentasjon og dataregistrering, og dramatisk forbedrer gjennomstrømning. Her beskriver vi automatisert strategi giring og reversering oppgaver, ved hjelp av driftsavdelingene kontrollert av tilpassede skriftlige programmer. Ved hjelp av disse oppgavene, har vi vist at den mediale prefrontale cortex styrer strategi forskyvning, men ikke reversering læring hos rotter, tilsvarende dissosiasjon observert hos mennesker. Videre dyr med en neonatal hippocampus lesjon, en nevrologisk modell av schizofreni, selektivt svekket på strategien skiftende oppgave, men ikke reversering oppgave. Strategien skiftende oppgave tillater også identifisering av separate typer ytelsesfeil, som hver er tilskrives forskjellige nevrale underlag. Tilgjengeligheten av disse automatiserte oppgaver, og underbygger informasjonen i dissosierbare bidrag fra separate prefrontale områder, gjør dem spesielt godt egnet analyser for etterforskningen av grunnleggende nevrobiologiske prosesser samt drug oppdagelse og screening i sykdomsmodeller.
Høyt nivå kognitive prosesser, inkludert regel generasjon, atferdsvalg, og strategi evaluering er kollektivt referert til som "executive funksjon" eller "atferds fleksibilitet en." Slike prosesser er avgjørende for normal kognitiv funksjon, og kan bli forstyrret i så ulike lidelser som schizofreni , alkoholisme, depresjon, hjerneslag og Alzheimers sykdom 2-7. Regulering av lederfunksjonsprosesser er i hovedsak mediert av områder i frontal cortex, inkludert dorsolateral prefrontal cortex og orbitofrontal cortex hos mennesker 8-10.
Utviklingen av oppgaver å vurdere utøvende funksjon og / eller atferdsmessige fleksibilitet i ikke-menneskelige dyr, spesielt gnagere, har i stor grad økt forståelsen av den nevrobiologi erkjennelses 11-14. Slike oppgaver har gjort det mulig å separat måle forskjellige komponenter som atferds fleksibilitet, inkludertstrategi giring og reversering læring. Strategi skiftende refererer til evnen til å aktivt undertrykke en tidligere lært respons strategi mens anskaffe en ny, konkurrerende strategi, spesielt på tvers av tiltaks dimensjoner (extradimensional skift) – f.eks, bytte fra å utføre et visuelt basert diskriminering (rød vs grønn, hvor rødt er "riktige" og taktile stimuli er irrelevant) for å utføre en følbar diskriminering (glatt vs. grov, hvor glatt er "riktig" og visuelle stimuli er nå irrelevant). På den annen side, reversering læring innebærer også en endring i strategi for respons, men innenfor samme stimulus dimensjon – for eksempel i "rød vs grønn" eksempel, hvis rød var tidligere korrekt, en reversering ville diktere at grønn er nå riktig, mens taktile stimuli ville forbli irrelevant.
Flere oppgaver har blitt utviklet for å undersøke atferds fleksibilitet hos gnagere. Kryss-maze oppgaven krever et dyr å først lære enten en retning baserte regelen (for eksempel "alltid ta til høyre") eller en visuell baserte regelen (for eksempel "alltid vende mot visuelt") til en viss kriterium av ytelse. Deretter blir dyret som kreves for å forskyve uventet enten over modalitet til den motsatte regelen (strategi giring, opprinnelig betegnet som en "nonreversal shift" 15) eller forskyves innenfor modalitet til motsatt beredskaps (reversering læring) 13,14,16. Slike oppgaver er følsomme for forstyrrelser i kortikale og subkortikale nettverk hvor prefrontal cortex, thalamus, og striatum 1,13,14,16-18. En annen type oppmerksomhets set-skiftende oppgave (noen ganger referert til som graving oppgave) krever trening dyr å diskriminere mellom to containere som skiller seg langs to eller tre stimulans dimensjoner (grave media, lukt og / eller ekstern tekstur). Ligner på tvers av labyrintenoppgave er dyr da nødvendig å skifte enten over mål (strategi giring) eller innenfor samme dimensjon (reversering læring), og disse oppgavene er like følsomme for frontal cortex manipulasjoner 11,19. En fordel med denne oppgaven er at under ekstra-dimensjonale strategiskifte, er rotter presenteres med nye sett av stimuli (forbilder), som sikrer at ytelses svekkelser i denne fasen er sannsynlig skyldes forstyrrelser i evnen til å skifte oppmerksomhets sett til ulike aspekter av sammensatte stimuli, snarere enn en svekket evne til å stoppe nærmer seg en bestemt stimulans tidligere assosiert med belønning. Men gjør denne funksjonen også det mer vanskelig å fastslå den spesifikke karakter av et underskudd i løpet av et sett skift.
Selv om de oppgaver som er beskrevet ovenfor, har blitt godt dokumentert i litteraturen, de begge lider av en rekke prosedyremessige ulemper, først og fremst hvor lang tid det tar å teste dyr. I beggekrysslabyrintoppgave og grave oppgave, kan bare ett dyr testes på en gang; Videre må testing administreres i sanntid av en dedikert experimenter, og kan ta opp til flere timer pr dag pr dyr. I tillegg er presentasjonen av stimuli og opptaket av atferdsmessige responser i begge typer av oppgaver manuelt styrt av en experimenter, og er således utsatt for menneskelige feil og subjektiv tolkning.
Her beskriver vi en automatisert metode for å vurdere strategien giring og reversering læring i rotte, ved hjelp av operante prosedyrer som effektiviserer stimuluskontroll og datapresentasjon, og dramatisk forbedre frekvensen av datainnsamling og gjennomstrømming 20,21. Metodene som benyttes for å forme og tog rotter er beskrevet, så vel som komponenter av selve oppgaven og analyse av de resulterende data. Vi har funnet ut at som cross-labyrint og graveoppgaver, disse automatiserte oppgaver er følsomme for forstyrrelser i prefrontalog subkortikale kretser, så vel som til en nevrologisk manipulasjon som modeller schizofreni 20-23.
Utvikling av atferds oppgaver for å måle høyere orden kognitive konstruksjoner i gnagere er avgjørende for å fremme kunnskap om nevrobiologi av kognisjon. Med velkonstruert og validerte oppgaver, kan gnagere vurderes på oppgaver av kompleksitet rivaling de av primater eller mennesker. Her har vi vist hvordan to aspekter av utøvende funksjon, strategi giring og reversering læring, kan undersøkes hos gnagere ved hjelp av automatiserte operante teknikker. Ved hjelp av disse automatiserte oppgaver, har vi kopiert tidligere funn i kryss-labyrint og graveoppgaver vedrørende nevrale substrater av set-giring og reversering læring 11,13,18-21,27,29, noe som tyder på at de operante oppgaver er gyldige vurderinger av disse konstruerer.
Disse automatiserte oppgaver har en rekke fordeler og fordeler fremfor eksisterende ikke-automatisert cross-labyrint og graveoppgaver. Mest oppsiktsvekkende er den overlegen hastighet på datainnsamlingen i den automatiserte operant versjon. Hverdags trening eller prøving tar bare 30-60 minutter, og er fullt datastyrt krever minimalt tilsyn av eksperimentator. Videre kan flere dyr testes samtidig med en flerkammer operant oppsett. Hver oppgave serien, fra forming til endelig testing, kan være ferdig i ca 2-3 uker. En annen viktig fordel ved den automatiserte oppgaver er den nøyaktige kontroll av stimulus-presentasjon, og dermed minimere muligheten for experimenter feil. For eksempel, er rekkefølgen på presentasjonen av kø plassering på hvert forsøk randomisert og styrt av datamaskinen, snarere enn av en eksperimentator manuelt konsultere en prøve-by-rettssaken listen. Timingen mellom studiene er nøyaktig målt og konsistent, og er ikke forvirret av den tiden det tar en eksperimentator til, for eksempel fjerning av en rotte fra korset-labyrint eller omorganisere grave beholdere. Forsterkning levering er automatisk og er ikke gjenstand for eksperimentator feil (f.eks å glemme agnkorrekt arm av en kryss labyrint). Datainnsamlingen er tilsvarende forbedret, med automatisk opptak av reaksjonsmønstrene inkludert måling av nøyaktige responsventetider. I fravær av andre motorfeil, kan endringer i respons latenstid bli brukt til å utlede tegn på endret behandlingshastigheten og / eller for å bedømme nivået av kognitive kompleksiteten av en oppgave 21,22.
De automatiserte oppgaver også beholde en viktig fordel av de kryss-labyrint oppgaver: evnen til å gjennomføre en detaljert analyse av de typer feil som er gjort på skift eller reversering dag. Skille mellom set-skiftende feil som kopierer gårsdagens strategi (perseverative eller regressive feil) og feil som representerer tidligere uprøvde strategier (aldri-forsterkede feil) kan bistå i å karakterisere konkrete underskudd i atferds fleksibilitet. Spesielt perseverative feil oppstår tidlig i testing gjenspeile et dyrs manglende evne til å forlate den forrige strategy, mens senere forekommende regressive feil reflektere et dyrs manglende evne til å opprettholde den nye strategien når perseverasjon har opphørt 20. Never-forsterkede feil kan indikere en unnlatelse av å skaffe seg den nye strategien, eller en manglende evne til å svare systematisk i henhold til regel 20. Tidligere funn 16,17,20 demonstrerer dissosierbare nevroanatomi baser av disse typer feil er også verdifulle i å tolke resultatene av disse oppgavene.
Våre prosedyrer har blitt utviklet og optimalisert for bruk med rotter. Dette blir sagt, andre grupper har brukt lignende prosedyrer for testing av set-evnene hos mus 31. Men visse modifikasjoner må være ansatt med mus for å imøtekomme for forskjeller arter. Disse inkluderer lengre presentasjon av visuelt lys før spaken forlengelse, trening over flere dager ved hjelp av 30 studier / dag og inkorporering av en time-out straff etter gale valg. Although disse modifikasjoner gjør denne analysen mindre mottagelig for bruk med farmakologiske utfordringer, kan det vise seg å være nyttig for å evaluere kognitiv fleksibilitet i genetisk endrede mus (selv om det er uklart om disse modifikasjonene vil bevare den frontale cortex følsomheten av oppgaven).
Selvfølgelig er det også begrensninger for disse oppgavene. Noen av disse begrensninger oppstår fra den automatiske typen av oppgaven, mens andre er relatert til parameterne for oppgaven selv. Med hensyn til den sistnevnte, den satte-skiftende oppgave som beskrives her (så vel som kryss-labyrint set-skiftende oppgave 26) benytter et begrenset sett med stimuli og respons. I motsetning til grave oppgave, på hvilke nye eksemplarer (f.eks ukjente dufter eller gravemateriale) kan benyttes til å konstruere nye oppmerksomhets sett ved hvert trinn 11,19, operant set-skiftende oppgave nødvendigvis trenger å velge mellom to stimuli som er kjent for den dyr – enten venstre vs.riktig kø lys, eller venstre vs høyre posisjon. Dette betyr at operant og cross-labyrint set-skiftende oppgaver involvere respons konflikt samt strategi skiftende, selv om begrepet skiftende ens strategi til en ny, tidligere irrelevant stimulans dimensjon er bevart 20,23. På et beslektet notat, set-giring og reversering operante oppgaver som er beskrevet her ikke tillate en tredje stimulans dimensjon, som i graving oppgave som kan inkludere grave media, lukt og tekstur 11,19. Men vi anser ikke dette en fatal feil, som operant set-skiftende oppgave krever fortsatt dyret å undertrykke den tidligere relevant diskriminering strategi og delta på et tidligere ignorert stimulans dimensjon. I tillegg virker det tenkes at modifikasjoner på utstyret og oppgaveparametere kunne støtte tillegg av en tredje stimulans dimensjon, for eksempel auditive signaler eller lukt, selv om disse tilleggene vil trolig gjøre læringen vanskeligere og mindre amenable til single-dagers farmakologiske tester.
Til slutt, er en potensiell begrensning av enhver operant-basert oppgave tap av direkte informasjon vedrørende rotte oppførsel – det vil si at experimenter ikke lenger se på rotte. Vi føler at fordelene i objektivitet og datainnsamling hastighet tillagt av automatisering mer enn gjør opp for dette tapet, og kameraer montert i driftsavdelingene er en relativt enkel måte å gjenopprette individuelle visuell tilgang hvis ønskelig.
Det finnes en rekke tiltak som kan iverksettes for å maksimere suksess ved hjelp av disse operante oppgaver. Først viktigheten av å håndtere dyrene før treningen begynner kan ikke overvurderes; som med alle atferds oppgave, godt håndtert dyr er lettere å jobbe med, er mindre stresset, og har en tendens til å produsere mindre variable data. For det andre kan noen pilottesting være nødvendig å bestemme den beste tiden på dagen for å gjennomføre testing; vi tester i løpet av lys syklus, og finner ut at performance er optimal når dyrene testes nær slutten av denne syklus (for eksempel omtrent 16:00 for en lett syklus som ender på 7:00). Tredje, omsorg bør tas for å bekrefte at stabil ytelse er etablert på hver pretraining scenen før et dyr er avansert til neste trinn. For eksempel, er konsistent og robust ytelse på uttrekkbar spaken trening scenen en utmerket prediktor for dyktig ytelse på "set" diskriminering oppgave. Når det gjelder utstyr, selv om alle trinn er automatisert, er fortsatt nødvendig for å bekrefte at alle komponenter er i orden eksperimentator intervensjon. For eksempel bør en utstyrssjekk kjøres daglig (eller mer enn en gang om dagen, hvis stort antall dyr blir testet) for å sikre at alle lys, spaker, og belønning levering systemer er operative. Spesielt, kan feil i belønning leveringssystemer (spesielt pellets dispensere) drastisk påvirke ytelsen. Et uvanlig høyt antall forsømmelser påen gitt dag kan indikere et problem med belønning levering utstyr, og dermed data utgang bør sjekkes hver dag av en experimenter kjent med oppgaven og forventede ytelsesnivåer. I fravær av en feil på utstyr, kan et høyt antall utelatelser tyde på andre problemer med motivasjon eller dyrs helse. Dersom et dyr er ellers frisk, kan mat begrensning økes for å ta dyret til 80-85% av det frie foring vekt for en kort tid før ytelse bedres.
Disse set-skiftende og reversering oppgaver kan brukes i en rekke eksperimentelle paradigmer. For eksempel kan effekten av manipulasjoner som lesjoner, utviklings behandlinger, kosttilskudd manipulasjoner, langsiktig farmakologisk behandling, eller genetiske modifikasjoner bli undersøkt. Selv om effekten av en behandling på set-skiftende eller reversering trinn kan være av primær interesse, være oppmerksom på at da slike kroniske eller permanente behandlinger må nødvendigvis bli administrert før training begynner, effekter på flere stadier av ytelse (spesielt på den første diskriminering eller "set") må også undersøkes 21. Bruken av akutte manipulasjoner, slik som farmakologiske behandlinger eller midlertidige nevroanatomi inactivations, er spesielt godt egnet for slike oppgaver. I slike tilfeller er nyttig tillegg av en tredje gruppe (som vist i figur 2); dermed får den primære eksperimentelle gruppen manipulering av interesse på dagen for skift eller reversering, mens en kontrollgruppe mottar manipulasjon på dagen for første diskriminering eller "set" for å teste for brede effekter på læring, og en annen kontrollgruppe mottar ingen manipulasjoner (eller simulert behandlinger) på begge dager 20,22. Merk at for slike akutte manipulasjon studier, er det tilrådelig å matche rotter for ytelse under læring av første sett og fordele dem til den eksperimentelle gruppen og (andre) kontrollgruppe tilsvarende. Dette minimizes muligheten for at behandlingsinduserte forskjeller i ytelse kan bli forvirret av individuelle variasjoner i hvor lett rotter lære å diskriminere mellom stimuli. Videre, hvis et eksperiment krever testing av flere kullene over uker eller måneder, bør hvert kull omfatte dyr fra alle eksperimentgrupper. For eksempel kan en studie teste effekten av akutte farmakologiske manipulasjoner under en forskyvning krever 48 rotter i total og tre eksperimentelle grupper, som ble testet i tre kullene av 16 dyr hver. I dette tilfellet bør hver kohort inneholde 5-6 rotter i hver forsøksgruppe. Ideelt sett bør de statistiske analysene inkluderer en faktor som bekrefter det var ingen forskjell i ytelse på tvers av hver kohort av rotter. Endelig kan disse operant oppgaver være særlig nyttig for påføring in vivo opptak teknikker, inkludert mikrodialyse, voltammetri, og elektrofysiologi, på grunn av komponenter som for eksempel kontrollert miljø, presis timing av stimulus Presention og svar, og begrensede bevegelser av dyr som ikke er tilgjengelig eller praktisk i kryss labyrint eller graveoppgaver.
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 |