Introduction
Opmærksomhedsgraden set-shifting er et mål for kognitiv fleksibilitet og udøvende funktioner 1. Det refererer til evnen til at skifte mellem vilkårlige interne regler ("kognitiv-opmærksomhedsgraden sæt"). De mest anvendte neuropsykologiske opgaver til måling opmærksomhedsgraden set-shifting og kognitiv fleksibilitet i mennesker er Wisconsin Card Sorting Test (WCST) 2 og en nyere og mere raffineret udgave: den intra- og ekstra-dimensionelle opmærksomhedsgraden set-skiftende (ID / ED) i Cambridge Neuropsykologisk Test Automatiseret batteri (Cantab) 3,4. Disse opgaver er blevet anvendt til at identificere specifikke kognitive bivirkninger hos en lang række psykiske lidelser, herunder autisme 5, skizofreni 6, Parkinsons sygdom 7, tvangslidelser 8 og attention-deficit / hyperaktive lidelser 9. Den kliniske relevans og solidt metodisk tilgang af WCST og ID / ED test har attracted interesse i gennemførelsen af lignende tests i præklinisk forskning 10,11. Disse opgaver giver mulighed for selektiv måling inden for samme genstand for forskellige kognitive evner såsom diskriminerende læring, tilbageførsel læring, dannelse af en opmærksomhedsgraden sæt, skiftende opmærksomhed inden for samme dimension (. Dvs, intra-dimensionelle skift: IDS) og mellem forskellige perceptuelle dimensioner (dvs. ekstra-dimensionelle skift:. EDS). Dette er afgørende, fordi distinkte hjernens kredsløb, samt neuropatologi kan ændre disse distinkte kognitive funktioner på forskellige måder. For eksempel har en dobbelt dissociation eller funktionel specialisering effekt er påvist mellem den laterale (hos aber og mennesker) / medial (i gnavere) og orbital regioner i PFC i opmærksomhedskravet set-skiftende opgaver. Mens orbitofrontal cortex er mere involveret i tilbageførslen faser af disse opgaver, den laterale / mediale PFC-regionen regulerer ekstra-dimensionelle skift etaper12-14.
Gnaver versioner af disse koncentrationsproblemer sæt-shifting test for primater med succes er blevet genereret 13-16. Imidlertid har nogle aspekter af disse gnavere versioner været begrænse deres applikationer og brug. For eksempel er disse opgaver manuelt køre og derfor meget arbejdskrævende og vanskelig at standardisere. Desuden kan tilstedeværelsen af fødevarer forstærkere inde stimuli resultere i en tvetydig fortolkning af animalske reaktioner og potentielle skævhed i valg-making 10. Disse egenskaber har begrænset kapacitet på test og, endnu vigtigere, deres anvendelse i genetiske og / eller narkotikarelaterede screening studier store.
For at overvinde disse begrænsninger og øge de potentielle anvendelser af ID / ED-shift paradigmer i gnavere, præsenterer vi her en roman to-kammer operant-baserede opgave at teste kognitiv fleksibilitet i mus. Denne roman opgave nøje efterligner ID / ED opgave anvendes i læge- og ikke-menneskelige primater og omgår problemerne med tidligere gnavere versioner.
Protocol
Alle procedurer blev godkendt af det italienske sundhedsministerium og lokale Animal Brug Udvalg og blev gennemført i overensstemmelse med vejledningen for pleje og anvendelse af forsøgsdyr i Det Europæiske Fællesskab Rådets direktiver.
Bemærk: Figur 6 viser en tidslinje for hele proceduren af protokollen for at teste ID / ED-opgave.
1. Apparatur
Figur 1. De to-kammer "Operon" apparatet. (A) View fra toppen af hele apparatet og (B) visning fra forsiden af et enkelt kammer efterligne musen point-of-view under testen. 1: visuelle stimuli (LED); 2: food magasin; 3: næse-sækken hul; 4: taktil stimuli (tekstur); 5: olfaktoriske stimulus; 6: automatisk skydedør; 7: hus -lys; 8: infrarød fotostrålerækker til døren kontrol. Kamre (16 x 16 x 16 cm 3) er adskilt af en gennemsigtig plast dør (6). Infrarøde photobeams (8) sporede flytninger af dyr og kontrolleret åbning / lukning af automatiske dør for at tillade musen for at ændre kamre. Hvert kammer præsenterer to næse-poke huller (3) med infrarøde photobeams, og mellem dem, en fødevare magasin (2) med photobeams hvor en pille dispenser leverede maden forstærkning. Et hus-lys (7) er placeret over hver af de to madblade. Hver næse-sækken hul er udstyret med en række foranderlige stimuli, der kan variere i tre forskellige perceptuelle dimensioner (lugt, visning, takt). Oprindeligt udgivet i "Den ultimative Intra- og extradimensional opmærksomhedsgraden Set-Shifting opgave for mus" 19. Klik her for at se en større version af dette tal.
indhold "> Bemærk: Operon apparat (figur 1) består af to identiske kamre med plexiglas vægge og en aluminium gulv (16 x 16 x 16 cm 3 for hvert kammer) Chambers er adskilt af en gennemsigtig plexiglas dividere dør, der kan være automatisk. kontrolleret at lade musen for at få adgang enten kammer. Hvert kammer har to næse-poke huller med infrarøde photobeams, og mellem dem, en fødevare magasin med photobeams hvor en pille dispenser leverede maden forstærkning. ventilator og hus lys er placeret over hver af de to madblade.- Udstyre hver næse-sækken hul med en række udskiftelige stimuli (tabel 1), der varierer i tre forskellige perceptuelle dimensioner (dvs. lugt, syn, taktile). Bemærk: De stimuli foreslået i tabel 1 er blevet udvalgt med henblik på at undgå enhver confounding faktor og / eller partiskhed skyldes unddragelse eller præference. Fem par forbilleder for hver dimension tillade en medi-emne test af alle skift, med nye stimuli på alle skift.
- At levere olfaktoriske stimuli ind i næse-poke huller, brug en fortynding olfaktometer, hvilken tilstand indkommende luft til næse-poke huller ved automatisk udtørring, filtrering, rehydrerende og styre præsentationen af par af dufte.
- Brug en olfaktometer til at styre to næse-poke huller. Regulere luftstrømmen ved en luftpumpe og et vakuum til fjernelse af duften i næsen-poke huller. Slut luftpumpen til indløbet af olfaktometeret og vakuummet til udløbene monteret på næse-sækken enhed. Tilslut derefter afsætningsmulighed for lugt levering til hver næse-sækken indløb. Hastigheden til 1,5 L per minut.
- Fortynd lugt dufte 1:20 i mineralolie og fylde flasker olfaktometeret.
- For visuelle stimuli, sted lysdioder (LED) på toppen af hver næse-sækken hul og fastgør dem i metal pAnel af kammeret (se detaljer i figur 1 og tabel 1). Forbinde dem til output interface.
- For taktile stimuli, mount udskiftelige gulv teksturer foran hver næse sækken hul. Monter forskellige teksturer på glidende understøtning og flytte dem bruger rammer under gulvet, således at de præsenteres i korrespondance med en lille åbning (3 x 3 cm2) på gulvet foran hver næse-sækken hul.
- At levere olfaktoriske stimuli ind i næse-poke huller, brug en fortynding olfaktometer, hvilken tilstand indkommende luft til næse-poke huller ved automatisk udtørring, filtrering, rehydrerende og styre præsentationen af par af dufte.
- Styre præsentationen af de stimuli, der anvender software i henhold til producentens anvisninger for at automatisk at ændre stimuli af forskellige dimensioner under eksperimentet.
- Anbring et kamera på toppen af apparatet for at registrere basal vekslen og motorisk aktivitet ved hjælp af adfærdsmæssige overvågning software (f.eks., Ethovision, Anymaze) til, som kan hjælpe med at fjerne dyr, der har problemer ikke er relateret til kognitive funktioner.
| Lugte | TEKSTURER | LIGHTS |
| fersken v. salvie | velcro v. film | lys på v. lyser slukket |
| vanille v. lavendel | groft sandpapir v. fint sandpapir | rød v. grøn |
| jordbær v. kanel | glat pap v. riflede pap | blå v. gul |
| grapefrugt v. oregano | svamp v. glat plast | Orange v. hvid |
| citron v. abrikos | honeycOMB papir v. aluminiumsfolie | fix lys v. blinkende lys |
Tabel 1. eksemplarer, der anvendes i ID / ED Operon opgave. Sammensatte forskelsbehandling er baseret på faste kombinationer af par af forbilleder (se figur 2 for et eksempel på rækkefølgen af forskelsbehandling). De eksemplariske par fra forskellige dimensioner præsenteres i tilfældige kombinationer. Neutrale stimuli for de forskellige dimensioner er: luft flux uden duft; hvidt papir; ingen lysstimuli. Tabel oprindeligt udgivet i "The Ultimate Intra- og extradimensional opmærksomhedsgraden Set-Shifting opgave for mus" 19.
2. Animal Forberedelse
Bemærk: De repræsentative resultater rapporteret her blev opnået fra C57BL / 6J mus, 3 til 7 måneder gamle, i den lette fase.
- De mus, enkeltvis-house vejes, og derefter håndtere for 1 min på trealternative dage.
- Efter en uges akklimatisering til enkeltstrenget boliger, optage kropsvægt og 24-timers fødeindtagelse i tre på hinanden følgende dage for at bestemme basisniveau-vægt og fødeindtag.
- Påfør en lille mad afsavn regime i 1 uge før træning til testen. Kontroller dyrenes vægt hver dag, mens begrænset føde hele eksperimentet for at opretholde ca. 90% af deres baseline frit fodring kropsvægt. Tre på hinanden følgende dage før tilvænning træning fase, giver mus i deres hjem bur også ≈20 mad forstærkning pellets. Disse er de foderpiller, der vil blive anvendt i efterfølgende forsøg.
Bemærk: Mad begrænsning bruges dog til at øge dyrenes motivation til at arbejde i opgaven, ikke overstiger 10% af vægttab i enhver fase af hele proceduren, da det kan føre til unormal adfærd og overdreven stress for musene, som kan påvirke resultaterne.- Alternativt, med henblik på at undgå enkelt hus, leave musene anbringes i grupper (2 til 4 hvert bur), og giver adgang til ad libitum mad for en bestemt periode efter testning. Kontroller dyrenes vægt hver dag, mens begrænset føde hele eksperimentet for at opretholde ca. 90% af deres baseline frit fodring kropsvægt.
3. Tilvænning
- Træne musene i en 1-dages møde i 40 min for at bevæge sig inde i apparatet uden for døren divider, hvor en næse-sækken på nogen næse-poke hul resulterer i en pellet levering i maden beholderen. I denne fase kun bruge neutrale stimuli (tabel 1) for alle de forskellige dimensioner (tilvænning 1).
- Den følgende dag, tog dyrene i 40 minutter for at bevæge sig fra det ene kammer til det andet ved afslutningen af hvert forsøg (Tilvænning 2). Brug kun neutrale stimuli for alle de forskellige dimensioner. Også i denne fase, en næse-stikke i nogen af næse-poke huller resulterer i en pellet levering i magasinet fødevarer.Når musen henter belønningen i magasinet fødevarer, sænke skilledør at give muse adgang til det andet kammer for den næste forsøg.
- På den tredje dag (Tilvænning 3), træne dyrene til at udføre to enkle forskelsbehandling (SD1 og SD2;. Fx, velcro vs film;. Lys cue på vs lys cue fra; fersken vs salvie.) Til et kriterium på 8 korrekte svar ud af 10 på hinanden følgende forsøg. Brug ikke disse forbilleder igen i løbet af de næste faser af testen.
- For at starte, skal du placere musen i et kammer med neutrale stimuli, mens der i det andet kammer de stimuli tidskoder er tændt; sænk døren til opnåelse musen adgang til kammeret med de aktiverede stimuli signaler. Musen skal lære at vælge næse-sækken hul, hvor den korrekte stimulus præsenteres. Sessions vare i 40 min.
- Beløn en næse-sækken i det rigtige hul med en pille levering og når musen kommer ind i magasinet mad, sænk skillelinjen dørenat give muse adgang til det andet kammer for den næste forsøg. Du må ikke belønne en næse-sækken i det forkerte hul og slå huset lys i 5 sek. Sænk derefter døren til opnåelse musen adgang til det andet kammer for den næste forsøg.
- Gennemføre de første ti forsøg med hver fase som forme forsøg: hvis musen vælger den forkerte hul, registrerer en fejl, men ikke afslutte retssagen, indtil musen stikker også i det rigtige hul. I de efterfølgende forsøg, hvis musen stikker i forkert hul, registrerer en fejl, og slukke for alle dimensionelle stimuli for at afslutte retssagen.
- Afslut hver session efter 40 min, eller hvis en mus undlader at gøre nogen respons for fem på hinanden følgende minutter, alt efter hvad der kom først. Hvis musen ikke når kriteriet i en session, fortsætte testen på den næste dag.
- Hvis en mus ikke kan nå kriterium i SD1 eller SD2 af Tilvænning 3 efter 5 sessioner, stop teste musen og fjerne det fra undersøgelsen, fordi deter ikke i stand til pålideligt at udføre grundlæggende diskrimination, som kunne derefter påvirke resultaterne af ID / ED opgave.
Figur 2. Eksempel på ID / ED opgave. Et eksempel på ID / ED "stå-i-sæt" og "to-dimension" paradigmer vises. Tilpasset fra 'Den ultimative Intra- og extradimensional opmærksomhedsgraden Set-Shifting opgave for mus "19. Klik her for at se en større version af dette tal.
4. »Stuck-i-sæt" ID / ED Paradigm Procedure
Bemærk: For denne procedure, der tidligere blev anvendt i både primater og gnavere 7,15,16, er det nødvendigt at manipulere tre forskellige perceptuelle dimensioner forhver enkelt mus testet. Med hensyn til tilvænning faser, alle forsøg daglige sessioner starter ved at placere musen i en af de to kamre, hvor alle stimuli er neutrale. Inden begyndelsen af en retssag, der er de stimulerende stikord tændt i den modsatte kammer. Derefter dividere døren sænkes til opnåelse musen adgang til det andet kammer, hvor de stimulerende signaler er på.
- At træne dyret at udvikle et sæt, eller partiskhed, mod en bestemt perceptuel dimension (. Fx lugt, lys eller gulv tekstur), udsætte mus til følgende forskelsbehandling præsenteret i denne rækkefølge (se også et eksempel i figur 2):
- Af den simple forskelsbehandling (SD), indføre mus til en dimension (lugt, lys eller konsistens, se figur 2), der er relevant i alle de opgaver, indtil EDS. Det vil sige, den relevante dimension er den angiver, hvor det rigtige svar er. I lighed med figur 2, der er til stede to lugte, såsom vaNilla (O1) og lavendel (O2), og vælg O1 som det rigtige svar.
- For Forbindelse forskelsbehandling (CD), indføre en anden dimension, for eksempel lys, hvilket er irrelevant (dvs. ikke indikerer var det rigtige svar er). Present to lys (L1 og L2) sammen med de lugte (O1 og O2) for at have to mulige forskelsbehandling (se eksempel i figur 2). De rigtige og forkerte forbilleder er de samme som i SD.
- Til vending af Forbindelse forskelsbehandling (CDRe), forlader forbilleder og den relevante dimension uændret, men har dyrene lærer, at den tidligere korrekte stimulus er nu forkert. Vælg f.eks lavendel som det rigtige svar, med vanille er nu den forkerte valg. Disse samme betingelser vil blive fundet for de andre tilbageførsel faser (dvs. IDSRe, IDS2Re og EDSRe).
- Efter dette, skal du vælge en Intra-dimensional skift (IDS), hvor nye eksemplarer anvendes til både den relevanteog irrelevante dimensioner (en total ændring design). For eksempel bruger jordbær og kanel (O3 og O4) som de lugte og blå og gule lys (L3 og L4) som lysene. Sikre dog, at de kontrolmetoder fag holder efter den samme relevante dimension for at finde det rigtige svar. Disse samme betingelser vil blive fundet for de andre intradimensional skift (dvs. IDS2).
- Med hensyn til den tidligere diskrimination, har musene udfører vending af Intra-dimensionelle skift (IDSRe). Brug de samme betingelser som i CDRe.
- For Intra-dimensionelle skift 2 (IDS2), bruger de samme betingelser som i IDS.
- Ligeledes bruger de samme betingelser som i CDRe for Intra-dimensionelle skift vending 2 (IDSRe2).
- I Ekstra-dimensionelle skift (EDS), musene har vælge det rigtige hul efter et nyligt præsenterede stimulus dimension. Præsentere et par af stimuli fra en ny dimension, som er teksturen. For eksempel bruger groft sandpapir (T1) som de korrekte response og fint sandpapir (T2) som ukorrekt, og præsentere dem med to nye lugte, for eksempel citron og abrikos (O7 og O8). Det tidligere relevante dimension er nu blevet irrelevant. Ikke udgør den tidligere irrelevant dimension længere.
- For den ekstra-dimensionelle vending (EDSRe), bruger de samme betingelser som i CDRe.
- Måle effektiviteten af musene, indtil de når et kriterium på 8 rigtige valg ud af 10 på hinanden følgende forsøg for at fuldføre hvert trin. Indstil programmet (se tabel Materialer) til automatisk at gå videre til næste trin, efter kriteriet er nået. Stop en daglig session efter 40 min, eller hvis en mus undlader at foretage nogen reaktion i 5 på hinanden følgende minutter, afslutte sessionen og fortsætte næste dag med musen på den samme scene, hvor den slap.
- For hvert trin, måle tiden for at nå kriteriet. Hvis en mus ikke når kriteriet i en session, opsummere den samlede tid taget i hinanden følgende sessioner. Forhvert forsøg, måle tiden fra præsentation af stimuli (lugte, lys, teksturer) til en næse-sækken respons (latenstid til at reagere).
- Ved afslutningen af hver session, tørre ned apparatet med 70% alkohol.
- Brug altid den samme rækkefølge af forskelsbehandling. Men tilfældigt ændre stimulus dimensioner og de par forbilleder anvendte og lige repræsentere dem inden forsøgsgrupper og modvægt dem mellem grupperne.
- Sørg for at lige opveje de perceptuelle dimensioner anvendes inden for og mellem hver forsøgsgruppe så hver mulig ED skift er repræsenteret (dvs. lys til lugt, lys til konsistens, lugt til lys, lugt til konsistens, tekstur til lys, tekstur til lugt) . Kombinationerne af eksemplarer er for talrige at muliggøre fuld udligning; derfor, at reducere antallet af frihedsgrader, altid bruge forbilleder i par; for eksempel vanille stimulus med lavendel etc. (se tabel 1).
Bemærk: En anden betingelse for at måle opmærksomhedsgraden set-skiftende evne, anvendes både i primater 12,17 og gnavere 13, er den "to-dimension" paradigme. I dette tilfælde er kun to perceptuelle dimensioner anvendes under hele testen.
- Til denne protokol, bruge rækkefølgen af forskelsbehandling og proceduren for at følge som beskrevet for "fast-i-sæt 'protokol op til EDS etape (se et eksempel i figur 2):
- For SD og følgende faser, bruge de samme par af den "stuck-in-sæt", indtil IDS2Re. Som vist i eksemplet i figur 2, bruge to lugte (O1 og O2, bruge O1 som korrekt stimulus).
- For cd'en, som i "stak-i-sæt 'protokol, indføre en ny dimension (f.eks lys, L1 og L2), der er irrelevant og ville tjene som en confounder.
- Den CDRe ligner, som jegn 'fast-i-sæt' protokol, således forlade forbilleder og den relevante dimension uændret, men har dyrene lærer, at den tidligere korrekte stimulus er nu forkert (f.eks O1).
- I IDS, brug altid nye par stimuli for begge dimensioner (O3 og O4, L3 og L4, hvor O3 er den korrekte stimulus).
- For IDSRe, har musene udfører vending af IDS. Vælg den korrekte forbillede, der er den, der var forkert under IDS (f.eks O4).
- For IDS2, indføre nye par af stimuli for begge dimensioner (O5 og O6, L5 og L6).
- Som i de tidligere stadier vending i IDS2Re, har dyrene lærer, at den tidligere korrekte stimulus er nu forkert (f.eks O5).
- For den "to-dimension" protokol, EDS, musene nødt til at vælge det rigtige svar efter den tidligere irrelevant dimension bliver nu den relevante dimension. Således lys er den nye relevante dimension, which angiver det korrekte svar. Især rødt lys (L7) er den korrekte reaktion. Omvendt den tidligere relevante dimension (i eksemplet, lugt) er nu irrelevant én.
- Efter EDS, for tilbageførsel (EDSRe), brug samme betingelser som i CDRe. Den relevante dimension er den samme som i EDS, men de rigtige og forkerte forbilleder er inverteret. Således kan for eksempel, grønt lys (L8) er nu det rigtige svar.
6. Dataanalyse
- Måle effektiviteten af: antal forsøg for at nå det kriterium; tid til at nå kriteriet (i minutter); tid fra præsentation af stimuli til en næse-sækken respons (latenstid til at reagere).
- Til statistisk analyse, bruge ANOVA'er med de forskellige stadier (SD, CD, CDRe, IDS, IDSRe, IDS2, IDSRe2, EDS, og EDSRe) som et inden for individet faktor for at undersøge antallet af forsøg, der er nødvendige for at nå de kriterier, timing nødvendig at fuldføre hver fase og latenstiden til at reagere. Conkanal post-hoc analyser under anvendelse af Newman-Keuls test. Bemærk: De accepterede værdi for signifikans er p <0,05.
Representative Results
Figur 2 viser et eksempel på ID / ED opgave. Par af stimuli (enten "Diskrimination 1 'eller' Forskelsbehandling 2 ') er tilfældigt præsenteres i hvert trin, og musen skal vælge den korrekte stimulus i hvert par. I dette eksempel tabellen, er den korrekte exemplar rapporteret i fed skrift. I den første fase (SD eller simpel diskrimination), de stimuli, der præsenteres i de to næse-poke huller afveg i en af tre dimensioner (f.eks O1: Vanilla vs O2: Lavender) og musen er belønnet for at vælge den rigtige forbillede (f.eks O1). Når emnet når kriteriet i denne fase, den næste fase (CD eller forbindelse diskrimination) begynder, hvor de samme exemplars i den relevante dimension præsenteres overlejret ved stikprøver eksemplarer af et sekund, men irrelevant dimension, indført som et forstyrrende element ( fx L1:. blåt lys vs.L2: gult lys). To forskellige diskrimination er mulige i denne fase (either «Diskrimination 1 'eller' Discrimination 2 '). I næste fase (CDRe eller forbindelse diskrimination tilbageførsel), er belønning uforudsete vendt, men de forbilleder, og den relevante dimension er uændrede: musen skal lære, at den tidligere korrekte stimulus er nu forkert (f.eks er lavendel lugt nu belønnet). I den næste fase (IDS eller intra-dimensionelle skift), nye forbilleder (både lugte og lys), er indført, men den relevante dimension (lugt i dette eksempel) er det samme (f.eks jordbær er det korrekte valg). I næste fase (IDR eller intra-dimensionelle tilbageførsel), er belønning uforudsete vendt. Efter en anden intra-dimensionelle skift (IDS2 og dens tilbageførsel), der indføres nye forbilleder at teste ekstradimensionale shift (EDS), hvor den relevante dimension ændres. I 'fast-i-sæt "EDS, musen skal fokusere på den nye dimension (f.eks Texture, T1: groft sandpapir vs T2: fin sandpaper), medens den tidligere relevante dimension (i dette tilfælde, lugt) er nu irrelevant dimension. I "to-dimension" EDS, den tidligere irrelevant dimension (i dette tilfælde, lys) er nu den relevante dimension. I den afsluttende fase (EDSRe eller ekstra-dimensionelle tilbageførsel), er belønning uforudsete vendt.
For at opnå pålidelige resultater, de stimulerende dimensioner, der anvendes i opgaven skal lige godt lært. Som vist i figur 3, visuelle, taktile og lugt forskelsbehandling i dette nye apparat krævede tilsvarende tid (F (2,64) = 0,36, p = 0,69), og tilsvarende antal forsøg (F (2,64) = 0,059; p = 0,94) at nå kriteriet, hvilket antyder, at dyrene er i stand til at udføre simple diskrimination uanset dimensionen fremlagt.
Hvis en pålidelig opmærksomhedsgraden sæt er blevet udviklet over de test faser af opgaven, pPFYLDELSE af en normal vildtype mus bør være dårligere i EDS fase i forhold til tidligere og følgende etaper, som rapporteret i tidligere studier i gnavere og primater 12,13. Især bør en robust stigning i tid og forsøg er nødvendige for at nå kriterier findes i EDS forhold til IDS faser. Som illustreret i figur 4, i vores eksperiment med protokollen "fast-i-sæt", analyse af udførelsen af mus afslørede en diskrimination effekt for antallet af forsøg (F (8168) = 9,23; p <0,0001) og tid ( F (8168) = 8,62; p <0,0001), der kræves for at nå kriterier. Faktisk nødvendige mus flere forsøg og mere tid til at løse EDS scenen i forhold til CD, IDS, IDS2 og EDSRe faser (p <0,05, figur 4A-B). Tilsvarende analyse af afprøvet med protokollen "to-dimension" (figur 5) præstation viste en signifikant effekt for antallet af forsøg forskelsbehandling (F (8,72) = 30,66; p <0,005) og tid (F (8,72) = 4,65, p <0,0005) for at nå kriterier. Viser vi faktisk, at mus, der kræves flere forsøg (p <0,05) og mere tid (p <0,05) for at løse EDS i forhold til CD, IDS, IDS2 og EDSRe (figur 5A-B). Skal observeres ingen forskelle i skiftende evner mellem testet med forskellige dimensioner mus.
I en normal vildtype mus, den første vending læring (dvs.., CDRe) er sværere end det oprindelige diskrimination (dvs. CD). Efter aftale, som fremgår af figur 4 og 5, mus brug for flere forsøg (p <0,05; Figur 4-5A) og mere tid (p <0,05; Figur 4-5B) for at fuldføre denne fase. Desuden bør vending ydeevne forbedres fra CDRe til IDSRe til IDS2Re, som vi viser i vores eksperiment med både de 'fast-i-sæt "og" to-dimension «protokoller. Disse results yderligere at styrke beviserne for dannelsen af en opmærksomhedsgraden sæt gennem opgaven.
Hele opgaven, bør musene forbedre deres hastighed til at reagere i de efterfølgende faser. Følgelig er analysen af latenstiden til at reagere viste en signifikant effekt diskrimination (F (8.200) = 42.59; p <0,0001). Især som påvist ved repræsentative resultater i figur 4C latenstiden til at stikke i IDS2 fase er faldet i forhold til, at i de IDS, CD og SD etaper (p <0,0005). Desuden at latenstiden reagere steg i EDS fase i forhold til tidligere IDS2 og IDS2Re og successive EDSRe etaper (p <0,05). I overensstemmelse med disse resultater, at analysen af latenstiden reagere under "to-dimension" opgave viste også en signifikant effekt af forskelsbehandling (F (7,63) = 9,98, p <0,0005). Som vist i figur 5C, latenstiden træffe et valg wsom steg i EDS i forhold til forrige IDS2 og IDS2Re og successiv EDSRe (p <0,05). Da latenstiden til at reagere er blevet betragtet som et indeks for beslutningsprocessen behandling 18, disse resultater foreslår endvidere, at musene stødt på nogle problemer med at behandle den nye diskriminerende princippet under EDS. Baseret på den adfærdsmæssige præstationer vildtype mus (Figur 4-5), vi konstateret, at det minimale antal stikprøvestørrelse (ved R power-analyse) for hver forsøgsgruppe skal være 8.
Figur 3. Simple forskelsbehandling af lys, lugt og konsistens er ækvivalente. (A) Antal forsøg og (B) tid, der kræves for at nå kriteriet på simple forskelsbehandling med kun lys, lugt eller tekstur stimuli. Værdier repræsenterer middel ± SEM hele figur 2-4. Data origenerelt lidt offentliggjort i 'The ultimative Intra- og extradimensional opmærksomhedsgraden Set-Shifting opgave for mus "19.
Figur 4. Vildtype C57BL6J hanmus præstation i "fast-i-sæt 'ID / ED Operon opgave. (A) Forsøg, (B) tid (i minutter), og dage, der er nødvendige for at nå det kriterium i de forskellige faser af ID / ED Operon opgave ved hjælp af en "fast-i-sæt 'ID / ED-paradigme. (C) Tid (i sekunder) forløbet mellem åbningen af divider døren og en næse-sækken respons (latenstid til at reagere) under de forskellige faser af opgaven. I alt 26 mus blev testet; 4 mus blev udelukket fordi de ikke var pålideligt stikke for at hente maden forstærkning under uddannelse eller ikke var i stand til at afslutte entire procedure. A: * p <0,05 versus CD, IDS, IDS2, IDS2Re og EDSRe; B: * p <0,05 versus CD, IDS2, IDS2Re og EDSRe. A og B: #p <0,05, ## p <0,005 versus CD, IDSRe og IDS2Re. C: * p <0,05 versus IDS2, IDS2Re og EDSRe. Bemærk, at de mus, var i stand til at fuldføre hele opgaven i 5-9 dage i alle eksperimenter rapporteret i figur 3-4. Data, oprindeligt udgivet i "Den ultimative Intra- og extradimensional opmærksomhedsgraden Set-Shifting opgave for mus" 19. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5. Vildtype C57BL6J hanmus præstation i "to-dimension" ID / EDOperon opgave. (A) Forsøg, (B) tid (i minutter), og dage, der er nødvendige for at nå det kriterium i de forskellige stadier af ID / ED operon opgave ved hjælp af en to-dimension paradigme. (C) Tid (i sekunder) forløbet mellem åbningen af divider døren og en næse-sækken respons (latenstid til at reagere) under de forskellige faser af opgaven. I alt 13 mus blev testet; 3 mus blev udelukket fordi de ikke var pålideligt stikke for at hente maden forstærkning under uddannelse eller ikke var i stand til at afslutte hele proceduren. A og B: #p <0,05 versus CD og IDS2Re, * p <0,05 versus CD, IDS, IDS2, EDSRe. C: * p <0,05 versus IDS2, IDS2Re og EDSRe. Data, oprindeligt udgivet i "Den ultimative Intra- og extradimensional opmærksomhedsgraden Set-Shifting opgave for mus" 19. Klik her for atse en større version af dette tal.
Figur 6. Tidslinje for hele proceduren af protokollen for at teste ID / ED-opgave.
| Stage | Beskrivelse | Supplerende noter | Referencer |
| Simple Diskrimination (SD) | |||
| Forbindelse Diskrimination (CD) | Stimuli varierer i to perceptuelle dimensioner, såsom farve og form for visuelle stimuli i det menneskelige opgave eller mellem tekstur og lugt stimuli til gnavere | ||
| Tilbageførsel læring (CDRe - IDSRe - IDS2Re - EDSRe) | To exemplars inden for en perceptuel dimension har deres forstærkning uforudsete vendes så det, der tidligere var korrekt er så forkert og omvendt) | I seriel vending læring, præstation forbedres med fortløbende indenfor-sæt tilbageførsler. Således vending etaper (dvs.., CDRe, IDSRe, IDS2Re) ikke blot at vurdere funktion af forskellige kortikale områder, men også tjene 1) for at danne den kognitiv opmærksomhedsgraden sæt udfordret af EDS scenen, og 2) at forhindre overtroisk condition til utilsigtede aspekter af stimulus | - Læsioner i orbitofrontal cortex hos mus (Bissonette et al, 2008.) Og monkyes forringet Tilbageførsel læring (Dias et al., 1996) - FMRI under udførelsen på Tilbageførsel indlæring viste aktivering af orbitofrontal cortex (Hampshire og Owen, 2006) |
| Intradimensional skift (IDS - IDS2) | Nye eksemplarer indføres, men den samme dimension forstærkes | IDS etaper sErve som et afgørende intern kontrol (dvs.., bør EDS være vanskeligere end IDS), og også bidrage til at danne den kognitive-opmærksomhedsgraden sæt | Dopaminudtømning i PFC forringet opmærksomhedsgraden sæt dannelse (Robbins og Roberts, 2007). 6-OHDA læderede aber viste ikke den klassiske reduktion reduktionen i fejl fra den første (IDS1) til den sidste (IDS5) diskrimination, hvilket bør afspejle overtagelse af en opmærksomhedsgraden sæt |
| Extradimensional skift (EDS) | 'stuck-in-sæt' protokol: tidligere irrelevant stimuli dimension er erstattet af en ny stimulus dimension, som straks bliver relevant | manglende skifte til den nye relevante dimension ikke kan tilskrives nogen realkompetencer om denne dimension, da det ikke tidligere var blevet oplevet. Manglende afspejler derfor perseveration til den tidligere relevante dimension | - Læsioner af mPFC have været show at forringe EDS i mus (Bissonette et al., 2008), og mokeys (Dias et al., 1996) - Frontallappen patienter svækket i fast-i-sæt 'perseveration' tilstand, men ikke i "to dimension" tilstand (. Owen et al, 1993) - Dopamin i mPFC moduleret EDS præstation i mus (Papaleo et al, 2008;.. Scheggia et al, 2014), og rotter (Tunbridge et al, 2004). |
| "to dimensioner" protokol: den tidligere irrelevant dimension forstærkes | en tilsyneladende manglende flytte opmærksomhedsgraden sæt kan opstå, når et emne er i stand til at flytte opmærksomheden væk fra en tidligere relevant dimension (når det bliver irrelevant), men er ikke desto mindre i stand til at koncentrere opmærksomheden på den nyligt relevante dimension | - Læsion af mPFC i rotter (Birrell og Brown, 2000) forringet EDS skift - FMRI under udførelsen på EDS har vist aktivering af Ventro-laterale PFC (Hampshire og Owen, 2006)60; |
Tabel 2: Stadier af ID / ED O peron opgave Beskrivelse af faser af opgaven, herunder henvisninger til læsion og farmakologiske undersøgelser vedrørende betydningen af hjerneområder involveret i de forskellige afprøvet under opgaven konstruktioner..
Discussion
I denne undersøgelse præsenterer vi en roman automatiseret to-kammer-id / ED "Operon" opgave for mus, der er i stand til pålideligt at måle kognitiv fleksibilitet gennem tilbageførsel læring, opmærksomhedsgraden sæt dannelse og gearskift. Dette paradigme er analog med WCST og ID / ED opgaver, der almindeligvis anvendes i humane og ikke-humane primater og overvinder de store begrænsninger af de tidligere versioner til gnavere. Dette Operon paradigme kan bruges som et nyt effektivt redskab til store lægemiddel og / eller genetiske screeninger er relevante for kognitive (dys) funktioner i mus med høj relevans for translationel medicin.
Dette automatiseret opgave har følgende fordele i forhold tidligere anvendt id / ED opgave for gnavere: (1) det har mindre arbejdskraftintensive procedurer end de manuelle versioner (f.eks softwaren regulerer alle faser af opgaven, i høj grad faldende interventioner fra. forsøgslederen); (2) det fjerner enhver kilde af subjektivitet i den målte ParameTERS (f.eks er forsøgslederen ikke forpligtet til at registrere, hvorvidt dyret faktisk har foretaget et valg respons); (3) det fjerner enhver mulighed for, at mus kan følge forstærkning-relaterede signaler for at gøre et svar (dvs. belønningen altid automatisk leveret i midten magasin); (4) den undgår vilkårlige miljøforhold (f.eks brug af labyrinter og apparater forskellige størrelser / materialer, brug af manuelt udarbejdet cue stimuli); (5) den tillader manipulation af tre forskellige dimensioner med en lang række forskellige stimuli, i overensstemmelse med de tilsvarende humane opgaver anvendt i de kliniske omgivelser. Her præsenterer vi kun data fra mus, men lignende fordele kan forventes også for rotter.
Der er kritiske trin i opgaven, som er interne konstruktion Ugyldige parametre, der kan anvendes for at identificere areliable opmærksomhedsgraden sæt skiftende resultater: i) dårligere resultater i EDS compared til tidligere faser ii) en generel forbedring fra IDS til IDS2; iii) en specifik forbedring hinanden følgende vending faser, som den mere et dyr er uddannet i inden-sæt tilbageførsler, jo bedre skal udføre på efterfølgende indenfor-sæt tilbageløbsspærrer 20; iv) bedre ydeevne i EDSRe forhold til EDS. Denne roman ID / ED operon opgave præsenterer alle disse funktioner, i overensstemmelse med tidligere undersøgelser i primater ved hjælp af Cantab ID / ED-opgave, og hos gnavere ved hjælp af manuelle "grave" version 12,13. Desuden blev hvert trin i denne automatiserede opgave lært i et tilsvarende antal forsøg, uanset den relevante / irrelevante dimension, der anvendes (dvs. lugt, tekstur og lys) 19. Dette viste, at alle de stimuli, der bruges har lignende prominens og er egnet til opmærksomhedsgraden set-dannelse og / eller forskydning. Vores eksperimenter viser, at det er vanskeligt at løse EDS også er fremhævet af stigningen i respons latenstider. Behandlingstidstiger for at opretholde en optimal nøjagtighed under hårdere forskelsbehandling 21. Således overvejer latenstiden til at reagere som et indeks for hastigheden af informationsbehandling, beslutningstagning og problemløsning 18, kan de langsommere latency under EDS afspejler en strategi for at imødegå problemer med at løse set-skift.
Vi har vist, at vores nye apparat kan bruges effektivt med den mere klassiske opmærksomhedsgraden sæt skiftende paradigme anvender kun to dimensioner under hele testen (dvs. to-dimension) eller med en fast-i-sæt paradigme, herunder brug af tre dimensioner. Afhængigt af den kognitive domæne af interesse, er det muligt at vælge den mest hensigtsmæssige protokol. Begge disse paradigmer tidligere har været anvendt i mennesker, primater og gnavere 7,12-17. Men den stak-i-sæt procedure er i stand til at skelne mellem forskellige elementer i set-shifting og er ammalm selektiv foranstaltning af frontallappen funktion i humane patienter 7,22. Endvidere er der et problem, der måtte opstå i todimensionalt paradigme er lært irrelevans, der kan justere resultaterne. Lært irrelevans perseveration refererer til den manglende evne til at deltage til og lære om oplysninger, der tidligere var irrelevant 7. Denne situation kan opstå i EDS fase af to-dimensionen paradigme, som emne er forpligtet til at flytte opmærksomheden til den tidligere irrelevante dimension. I dette tilfælde er det dybest set umuligt at skelne, om en EDS underskud skyldes manglende evne til at flytte opmærksomheden væk fra en tidligere relevant dimension og / eller manglende evne til nu flytte opmærksomheden til en tidligere irrelevant dimension. Nedskrivning kan så bare afspejle den aktive hæmning af at reagere på en dimension tidligere gjort irrelevante ved sin tilfældige association med forstærkende feedback. I modsætning hertil i fast-i-sæt conbetingelse, kan undladelse af at skifte til den nye relevante dimension ikke tilskrives nogen realkompetencer om denne dimension, da det ikke var blevet oplevet tidligere. Manglende afspejler derfor perseveration til den tidligere relevante dimension. Konklusionen er, at selv om det i normale vildtypemus den "hængende-in-sæt" og "to-dimension" opmærksomhedsgraden set-skiftende paradigmer kan producere lignende resultater, udtrykkeligt foretrækker vi fast-i-sæt perseveration af de grunde drøftet over.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 | 3x3 cm | ||
| Reinforcement pellets | TestDiet | 5TUL 14mg | For mice |
References
- Keeler, J. F., Robbins, T. W. Translating cognition from animals to humans. Biochemical pharmacology. 81 (12), 1356-1366 (2011).
- Milner, B. Effects of Different Brain Lesions on Card Sorting. Arch Neurol. 9, 100-110 (1963).
- Roberts, A. C., Robbins, T. W., Everitt, B. J. The effects of intradimensional and extradimensional shifts on visual discrimination learning in humans and non-human primates. The Quarterly journal of experimental psychology. B, Comparative and physiological psychology. 40 (4), 321-341 (1988).
- Barnett, J. H., Robbins, T. W., Leeson, V. C., Sahakian, B. J., Joyce, E. M., Blackwell, A. D. Assessing cognitive function in clinical trials of schizophrenia. Neuroscience and biobehavioral reviews. 34 (8), 1161-1177 (2010).
- Hill, E. L. Executive dysfunction in autism. Trends in Cognitive Sciences. 8 (1), 26-32 (2004).
- Ceaser, A. E., Goldberg, T. E., Egan, M. F., McMahon, R. P., Weinberger, D. R., Gold, J. M. Set-shifting ability and schizophrenia: a marker of clinical illness or an intermediate phenotype. Biological psychiatry. 64 (9), 782-788 (2008).
- Owen, A. M., Roberts, A. C., Hodges, J. R., Robbins, T. W. Contrasting mechanisms of impaired attentional set-shifting in patients with frontal lobe damage or Parkinson's disease. Brain. 116 (5), 1159-1175 (1993).
- Head, D., Bolton, D., Hymas, N. Deficit in cognitive shifting ability in patients with obsessive-compulsive disorder. Biological Psychiatry. 25 (7), 929-937 (1989).
- Chamberlain, S. R., et al. Translational approaches to frontostriatal dysfunction in attention-deficit/hyperactivity disorder using a computerized neuropsychological battery. Biological psychiatry. 69 (12), 1192-1203 (2011).
- Gilmour, G., et al. Measuring the construct of executive control in schizophrenia: Defining and validating translational animal paradigms for discovery research. Neuroscience and biobehavioral reviews. , 1-16 (2012).
- Barch, D. M., Braver, T. S., Carter, C. S., Poldrack, R. A., Robbins, T. W. CNTRICS final task selection: executive control. Schizophrenia bulletin. 35 (1), 115-135 (2009).
- Dias, R., Robbins, T. W., Roberts, A. C. Dissociation in prefrontal cortex of affective and attentional shifts. Nature. 380 (6569), 69-72 (1996).
- Birrell, J. M., Brown, V. J. Medial Frontal Cortex Mediates Perceptual Attentional Set Shifting in the Rat. The Journal of Neuroscience. 20 (11), 4320-4324 (2000).
- Bissonette, G. B., Martins, G. J., Franz, T. M., Harper, E. S., Schoenbaum, G., Powell, E. M. Double dissociation of the effects of medial and orbital prefrontal cortical lesions on attentional and affective shifts in mice. The Journal of Neuroscience. 28 (44), 11124-11130 (2008).
- Papaleo, F., et al. Genetic dissection of the role of catechol-O-methyltransferase in cognition and stress reactivity in mice. The Journal of Neuroscience. 28 (35), 8709-8723 (2008).
- Garner, J. P., Thogerson, C. M., Würbel, H., Murray, J. D., Mench, J. A. Animal neuropsychology: validation of the Intra-Dimensional Extra-Dimensional set shifting task for mice. Behavioural brain research. 173 (1), 53-61 (2006).
- Owen, A. M., Roberts, A. C., Polkey, C. E., Sahakian, B. J., Robbins, T. W. Extra-dimensional versus intra-dimensional set shifting performance following frontal lobe excisions, temporal lobe excisions or amygdalo-hippocampectomy in man. Neuropsychologica. 29 (10), 993-1006 (1991).
- Robbins, T. W. The 5-choice serial reaction time task: behavioural pharmacology and functional neurochemistry. Psychopharmacology. 163 (3-4), 362-380 (2002).
- Scheggia, D., Bebensee, A., Weinberger, D. R., Papaleo, F. The ultimate intra-/extra-dimensional attentional set-shifting task for mice. Biological psychiatry. 75 (8), 660-670 (2014).
- Machkintosh, N. J. The effects of overtraining on a reversal and a nonreversal shift. Journal of Comparative and Physiological Psychology. 55 (4), 555-559 (1962).
- Abraham, N. M., Spors, H., Carleton, A., Margrie, T. W., Kuner, T., Schaefer, A. T. Maintaining accuracy at the expense of speed: stimulus similarity defines odor discrimination time in mice. Neuron. 44 (5), 865-876 (2004).
- Cools, R., Rogers, R., Barker, R. A., Robbins, T. W. Top-down attentional control in Parkinson's disease: salient considerations. Journal of cognitive neuroscience. 22 (5), 848-859 (2010).
