Attentional set-shifting cognitive abnormalities are a core feature of many psychiatric diseases. Here, we present the development of a novel automatic system for the effective study of attentional set-shifting abilities, executive functions and other cognitive abilities in mice with high translational validity to human studies.
Alterations in executive control and cognitive flexibility, such as attentional set-shifting abilities, are core features of several neuropsychiatric diseases. The most widely used neuropsychological tests for the evaluation of attentional set-shifting in human subjects are the Wisconsin Card Sorting Test (WCST) and the CANTAB Intra-/Extra-dimensional set shift task (ID/ED). These tasks have proven clinical relevance and have been modified and successfully adapted for research in animal models. However, currently available tasks for rodents present several limitations, mainly due to their manual-based testing procedures, which are hampering translational advances in psychiatric medicine. To overcome these limitations and to better mimic the original version in primates, we present the development of a novel operant-based two-chamber ID/ED “Operon” task for rodents. We demonstrated the effectiveness of this novel task to measure different facets of cognitive flexibility in mice including attentional set formation and shifting, and reversal learning. Moreover, we show the high flexibility of this task in which three different perceptual dimensions can be manipulated with a high number of stimuli cues for each dimension. This novel ID/ED Operon task can be an effective preclinical tool for drug testing and/or large genetic screening relevant to the study of executive dysfunction and cognitive symptoms found in psychiatric disorders.
Attentional set-shifting é uma medida de flexibilidade cognitiva e funções executivas 1. Refere-se à capacidade de alternar entre normas internas arbitrários ("sets cognitivo-atencional"). As tarefas neuropsicológicas mais utilizados para medir atencional set-shifting e flexibilidade cognitiva em seres humanos são o Wisconsin Card Sorting Test (WCST) 2 e uma versão mais recente e mais refinado: o intra e extra-dimensional atencional de mudança de set (ID / ED) da Cambridge neuropsicológica Automated Test Battery (Cantab) 3,4. Essas tarefas têm sido usados para identificar anormalidades cognitivas específicas em uma ampla gama de distúrbios mentais, incluindo esquizofrenia, autismo 5 6, distúrbios doença de Parkinson 7, transtorno obsessivo-compulsivo 8 e déficit de atenção / hiperatividade 9. A relevância clínica e abordagem metodológica sólida do WCST e ID / testes ED têm attracted interesse na implementação de testes semelhantes em investigação pré-clínica 10,11. Estas tarefas permitem a medição seletiva dentro do mesmo assunto de diferentes habilidades cognitivas, tais como aprendizagem discriminativa, aprendizagem reversa, a formação de um conjunto de atenção, passando de atenção dentro da mesma dimensão (. Ie, mudança intra-dimensional: IDS) e entre diferentes dimensões perceptivas (isto é, mudança extra-dimensional:. EDS). Isto é crucial, pois os circuitos cerebrais distintos, bem como neuropatologia pode alterar estas funções cognitivas distintos de diferentes maneiras. Por exemplo, uma dupla dissociação ou especialização funcional efeito foi demonstrada entre a lateral (em macacos e seres humanos) / medial (em roedores) e regiões orbitais do PFC nas tarefas de deslocamento conjunto de atenção. Enquanto o córtex órbito-frontal está mais envolvido nas fases reversão destas tarefas, a região PFC lateral / medial regula os estágios de mudança de extra-dimensionais12-14.
Versões de roedores destes testes de mudança de conjunto de atenção para os primatas foram gerados com êxito 13-16. No entanto, alguns aspectos dessas versões de roedores foram limitando suas aplicações e utilização. Por exemplo, essas tarefas são executadas manualmente e, portanto, altamente e difícil padronização de trabalho intensivo. Além disso, a presença de reforços alimentares dentro dos estímulos pode levar a uma interpretação ambígua de respostas dos animais e potencial viés na escolha de tomada 10. Essas características têm limitado a rentabilidade dos ensaios e, mais importante, a sua aplicação em estudos genéticos e / ou de despistagem de drogas em grande escala.
Para superar essas limitações e aumentar as aplicações potenciais de paradigmas de mudança de ID / ED em roedores, apresentamos aqui uma tarefa baseada operante de duas câmaras romance para testar a flexibilidade cognitiva em ratos. Esta tarefa romance imita a tarefa ID / ED usada em humanos e não-primatas humanos e contorna os problemas das versões anteriores do roedor.
Neste estudo apresentamos um romance automatizado de duas câmaras ID ED tarefa / "Operon" para camundongos que é capaz de medir de forma confiável flexibilidade cognitiva através da aprendizagem reversão, formação de set atencional e deslocamento. Este paradigma é análogo ao WCST e ID tarefas / ED comumente usados em primatas humanos e não humanos e supera as maiores limitações das versões anteriores para roedores. Este paradigma Operon pode ser usado como uma nova ferramenta eficaz para a grande droga e / ou exames genéticos relevantes para cognitivas (dis) funções em camundongos com alta relevância para a medicina translacional.
Esta tarefa automática têm as seguintes vantagens sobre tarefas / ED ID anteriormente utilizado para roedores: (1) dispõe de procedimentos de trabalho intensivo menos do que as versões manuais (por exemplo, o software regula todas as fases da tarefa, diminuindo consideravelmente as intervenções do. experimentador); (2) que elimina qualquer fonte de subjetividade na medida Parameres (por exemplo, o experimentador não é necessária para julgar se ou não o animal tenha realmente feita uma escolha de resposta); (3) que elimina qualquer possibilidade de que os ratos poderiam seguir pistas relacionadas com o reforço, a fim de dar uma resposta (ou seja, a recompensa é sempre entregue automaticamente na revista centro); (4) evita condições ambientais arbitrárias (por exemplo, o uso de labirintos e aparelhos de diferentes tamanhos / materiais, uso de estímulos sinalização preparados manualmente); (5) que permite a manipulação de três dimensões distintas com uma grande variedade de estímulos diferentes, de acordo com as tarefas humanas equivalentes utilizados na prática clínica. Aqui apresentamos dados apenas de camundongos, mas vantagens semelhantes pode ser esperado também para os ratos.
Não há passos críticos na tarefa, que são parâmetros de construção-de validade internos que podem ser usados para identificar de mudança de set atencional desempenho areliable: i) pior desempenho no compar EDSed para estágios anteriores ii) uma melhoria geral do IDS para IDS2; iii) uma melhoria específica em etapas de reversão consecutivos, como a mais um animal é treinado em dentro-definidos reversões, melhor ele deve executar em subseqüente dentro-set reversões 20; iv) melhor desempenho no EDSRe em comparação com a EDS. Esta tarefa operon ID / ED romance apresenta todas estas características, consistentes com estudos anteriores em primatas, utilizando a tarefa Cantab ID / ED e em roedores usando o manual "cavando" a versão 12,13. Além disso, cada etapa desta tarefa automatizada foi instruído em um número equivalente de ensaios, independentemente da dimensão relevante / irrelevante usado (ie, odor, textura e luz) 19. Isto demonstrou que todos os estímulos utilizados têm saliência semelhante e são adequados para o conjunto de formação de e / ou mudança de atenção. Nossos experimentos demonstram que a dificuldade em resolver o EDS também é destacado pelo aumento da latência de resposta. Tempo de processamentoaumenta para manter a precisão ideal durante discriminações mais difíceis 21. Assim, considerando a latência para responder como um índice de velocidade de processamento de informação, tomada de decisão e resolução de problemas 18, as latências mais lentos durante a EDS pode refletir uma estratégia adotada para enfrentar a dificuldade em resolver o set-shifting.
Mostrámos que a nossa novo aparelho pode ser usado eficazmente com a mais-deslocamento conjunto paradigma de atenção "clássica" empregando apenas duas dimensões ao longo do teste (isto é, os dois-dimensão) ou com um preso-em-definido paradigma, o que implica a utilização de três dimensões. Dependendo do domínio cognitivo de interesse, é possível escolher o protocolo mais apropriado. Ambos os paradigmas foram anteriormente utilizados em seres humanos, primatas e roedores 7,12-17. No entanto, o procedimento preso-in-definido é capaz de distinguir entre diferentes componentes do set-shifting e é amminério medida selectiva de funcionamento do lobo frontal em pacientes humanos 7,22. Além disso, um problema que pode ocorrer no paradigma de duas dimensões é a irrelevância aprendeu que poderia influenciar os resultados. Aprendido perseveration irrelevância refere-se à incapacidade de prestar atenção e aprender sobre informações que anteriormente era irrelevante 7. Esta situação pode ocorrer na fase de EDS do paradigma de duas dimensões, como o sujeito é obrigado a deslocar a atenção para a dimensão previamente irrelevante. Neste caso, é basicamente possível discernir se um défice de EDS é devido à incapacidade para desviar a atenção uma dimensão previamente relevante e / ou a incapacidade para deslocar agora a atenção para uma dimensão previamente irrelevante. Imparidade pode, em seguida, apenas refletem a inibição ativa de responder a uma dimensão anteriormente tornada irrelevante por sua associação aleatória com feedback de reforço. Em contraste, no con preso-em-definidacondição, a incapacidade de mudar para a nova dimensão relevante não pode ser atribuída a qualquer aprendizagem anterior sobre esta dimensão, uma vez que não tinha sido experimentado anteriormente. A falha, portanto, reflecte perseveration para a dimensão relevante anteriormente. Em conclusão, mesmo que em ratos normais do tipo selvagem a 'stuck-in-set "e do" dois-dimensão "atencional paradigmas pode produzir resultados semelhantes de mudança de jogo, nós expressamente preferem o preso-in-set perseveration pelas razões discutidas acima.
The authors have nothing to disclose.
We thank G. Pruzzo for his excellent technical assistance and the IIT mechanical workshop for help in building our new apparatus. This research was supported by the Istituto Italiano di Tecnologia, the Marie Curie FP7-Reintegration-Grant N°268247, and by the Italian Ministry of Health Grants for Young Researchers (GR-2010-2315883).
Plexiglas walls and aluminum floor | Custom made | (16 x 16 x 16 cm for each chamber) | |
Plexiglas door | Custom made | ||
PC | Dell Inc. | ||
MED-PC IV software | (Med Associates, St. Albans, VT, USA) | custom made | Use an operant code in order to automatically control the presentation of the stimuli and the sequence of the stages |
Nose-poke hole | Med Associates, St. Albans, VT, USA) | ENV-314M | |
Food magazine | Med Associates, St. Albans, VT, USA) | ENV-303M | |
Pellet dispenser for food reinforcement | Med Associates, St. Albans, VT, USA) | ENV-203-14P | |
Houselight | Med Associates, St. Albans, VT, USA) | ENV-315M | |
Dilution olfactometer | (Med Associates, St. Albans, VT, USA) | PHM-275 | |
Liquid odorants | (Sigma Aldrich, Dorset, UK) | (see Table 1) | |
Mineral oil | (Sigma Aldrich, Dorset, UK) | M5904 | |
Air pump and vacuum | (Med Associates, St. Albans, VT, USA) | PHM-280 | Vacuum is recommended for scents removal at the end of each trial |
Light-emitting diodes (LED) | High-intensity, transparent gem, 3 mm | ||
Floor textures | 3×3 cm | ||
Reinforcement pellets | TestDiet | 5TUL 14mg | For mice |