Introduction
Oppmerksomhets set-giring er et mål på kognitiv fleksibilitet og eksekutive funksjoner 1. Det refererer til evnen til å veksle mellom vilkårlige interne regler ("kognitive-oppmerksomhetssett"). De mest brukte nevropsykologiske oppgaver for måling oppmerksomhets set-giring og kognitiv fleksibilitet hos mennesker er Wisconsin Card Sorting Test (WCST) to og en nyere og mer raffinert utgave: den intra- og ekstra-dimensjonale oppmerksomhets set-skiftende (ID / ED) av Cambridge Nevropsykologisk Test Automated Battery (Cantab) 3,4. Disse oppgavene har blitt brukt til å identifisere spesifikke kognitive avvik i et bredt spekter av psykiske lidelser, inkludert autisme 5, schizofreni 6, Parkinsons sykdom 7, obsessive compulsive lidelser 8 og attention-deficit / hyperaktiv lidelser 9. Den kliniske relevansen og solid metodisk tilnærming av WCST og ID / ED tester har attracted interesse i gjennomføringen av lignende tester i preklinisk forskning 10,11. Disse oppgavene gir mulighet for selektiv måling innenfor samme gjenstand for ulike kognitive evner som diskriminerende læring, reversering læring, dannelse av en oppmerksomhets sett, skiftende oppmerksomhet innenfor samme dimensjon (. Dvs. intra-dimensjonale shift: IDS) og mellom ulike perseptuelle dimensjoner (dvs. ekstra-dimensjonale skiftet.: EDS). Dette er avgjørende fordi distinkte hjernen kretser, samt nevropatologi kan endre disse ulike kognitive funksjoner på forskjellige måter. For eksempel har en dobbel dissosiasjon eller funksjonell spesialisering effekt er påvist mellom den laterale (hos aper og mennesker) / medial (hos gnagere) og orbital regioner av PFC i oppmerksomhets set-skiftende oppgaver. Mens orbitofrontal cortex er mer involvert i reversering faser av disse oppgavene, styrer lateral / medial PFC region de ekstra-dimensjonale skift etapper12-14.
Gnager versjoner av disse oppmerksomhets set-skiftende tester for primater har blitt generert 13-16. Imidlertid har enkelte aspekter av disse gnager versjoner blitt begrense sine søknader og bruk. For eksempel er disse oppgavene manuelt drevet og derfor meget arbeidskrevende og vanskelig å standardisere. Videre kan tilstedeværelsen av mat forsterkere inne stimuli resultere i en tvetydig tolkning av dyre svar og potensielle skjevheter i valg-making 10. Disse egenskapene har begrenset gjennomstrømningen av testing og, enda viktigere, deres anvendelse i store genetiske og / eller narkotika-screening studier.
For å overvinne disse begrensningene og å forbedre den potensielle anvendelser av ID / ED skift paradigmer i gnagere, presenterer vi her en ny to-kammer operant basert oppgave å teste kognitiv fleksibilitet i mus. Denne romanen oppgaven etterligner nøye ID / ED oppgaven brukes i menneskelige og ikke-menneskelige primater og omgår problemene med tidligere gnager versjoner.
Protocol
Alle prosedyrer ble godkjent av det italienske helsedepartementet og lokale Animal bruk komité og ble gjennomført i samsvar med Guide for omsorg og bruk av forsøksdyr i Det europeiske fellesskap rådsdirektiver.
Merk: Figur 6 viser en tidslinje for hele prosedyren av protokollen for å teste ID / ED oppgave.
1. Apparat
Figur 1. De to-kammer "Operon" apparat. (A) Se fra toppen av hele anordningen, og (B) vis fra forsiden av et enkelt kammer ligne mus point-of-view under testen. 1: visuelle stimuli (LED); 2: food magazine; 3: nese-rote hull; 4: taktil stimulans (tekstur); 5: olfactory stimulans; 6: automatisk skyvedør; 7: hus -lys; 8: infrarød photobeam for døren kontroll. Kamre (16 x 16 x 16 cm 3) er adskilt av en gjennomsiktig plasthuset (6). Infrarøde photobeams (8) sporet dyret bevegelser og kontrollert åpning / lukking av den automatiske døren for å tillate musen til å endre kamre. Hvert kammer presenterer to nese-rote hull (3) med infrarøde photobeams, og mellom dem, en food magazine (2) med photobeams hvor en pellet dispenser levert maten forsterkning. Et hus-lys (7) er plassert over hver av de to mat blader. Hver nese-rote hull er utstyrt med en rekke utskiftbare stimuli som kan variere i tre ulike perseptuelle dimensjoner (lukt, syn, takt). Opprinnelig publisert i "The ultimate intra- og extradimensional oppmerksomhets Set-Shifting Task for Mus '19. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
innhold "> Merk: Operon apparat (figur 1) består av to identiske kamre med Plexiglass vegger og en aluminiumgulv (16 x 16 x 16 cm 3 for hvert kammer) kamre er adskilt av en gjennomsiktig pleksiglass dele dør som kan være automatisk. kontrolleres slik at musen for å få tilgang til enten kammeret. Hvert kammer har to nese-rote hull med infrarøde photobeams, og mellom dem, en mat magasin med photobeams hvor en pellet dispenser levert maten forsterkning. En vifte og et hus-lys er plassert over hver av de to mat blader.- Utstyre hver nese-rote hullet med en rekke utskiftbare stimuli (tabell 1) som varierer i tre ulike perseptuelle dimensjoner (dvs. lukt, syn, taktile). Merk: stimuli foreslått i tabell 1 har blitt valgt for å unngå eventuelle problemfaktor og / eller skjevhet på grunn av unngåelse eller preferanse. Fem par eksempler for hver dimensjon at en medi-faget testing av alle skift, med nye stimuli på hvert skift.
- Å levere olfactory stimuli inn i nese-rote hull, bruk en fortynning olfactometer, som betingelse innkommende luft til nese-rote hull ved automatisk desiccating, filtrering, rehydrering og styre presentasjonen av par av dufter.
- Bruk en olfactometer å styre to nese-rote hull. Regulering av luftstrømmen ved hjelp av en luftpumpe og et vakuum for fjerning av lukt i nese-stikke hull. Koble luftpumpe til innløpet av den olfactometer og vakuum til de utsalgssteder som er montert på nesen-rote-enhet. Deretter kobler du utløp for lukt levering til hver nese-rote innløpet. Regulere strømningshastigheten til 1,5 l pr minutt.
- Fortynne lukt dufter 01:20 i mineralolje og fylle flasker av olfactometer.
- For visuelle stimuli, sted lysdioder (LED) på toppen av hver nese-rote hull og fest dem i metallet panel av kammeret (se detaljer i Figur 1 og Tabell 1). Koble dem til utgangsgrensesnittet.
- For taktile stimuli, montere utskiftbare gulv teksturer foran hver nesen rote hull. Montere de forskjellige teksturer på skyvestøtte og bevege dem ved hjelp av rammer på undersiden av gulvet, slik at de blir presentert i samsvar med en liten åpning (3 x 3 cm 2) på gulvet i fronten av hver nese-rote hullet.
- Å levere olfactory stimuli inn i nese-rote hull, bruk en fortynning olfactometer, som betingelse innkommende luft til nese-rote hull ved automatisk desiccating, filtrering, rehydrering og styre presentasjonen av par av dufter.
- Styr presentasjon av stimuli som bruker programvaren i henhold til produsentens instruksjoner for å automatisk endre stimuli av forskjellige dimensjoner under forsøket.
- Plasser et kamera på toppen av apparatet for å registrere basal veksling og bevegelsesaktivitet ved hjelp av atferds overvåking programvare (f.eks., Ethovision, Anymaze), som kan bidra til å eliminere dyr som har problemer relatert til kognitive funksjoner.
| LUKTER | Tekstur | LIGHTS |
| fersken v. salvie | velcro v. film | lysene på v. lys av |
| vanilje v. lavendel | grovt sandpapir v. fint sandpapir | rød v. grønn |
| jordbær v. kanel | glatt papp v. ridged papp | blå v. gul |
| grapefrukt v. oregano | svamp v. glatt plast | oransje v. hvit |
| sitron v. aprikos | honeycomb papir v. aluminiumsfolie | fikse lys v. blinkende lys |
Tabell 1. forbilder som brukes i ID / ED Operon oppgave. Sammensatte diskriminering er basert på faste kombinasjoner av par eksempler (se figur 2 for et eksempel på rekkefølgen av diskriminering). Eksemplet parene fra ulike dimensjoner presenteres i tilfeldige kombinasjoner. Nøytrale stimuli for de ulike dimensjonene er: air flux uten duft; hvitt papir; ingen lys stimuli. Tabell opprinnelig publisert i "The Ultimate intra- og extradimensional oppmerksomhets Set-Shifting Task for Mus '19.
2. Animal Forberedelse
Merk: De representative resultatene som presenteres her ble hentet fra mannlige C57BL / 6J mus, 3 til 7 måneder gammel, i lys fasen.
- Veie mus, enkeltvis-huset og deretter håndtere for 1 min på treannenhver dag.
- Etter en ukes akklimatiserings av til enkelt boliger, record kroppsvekt og 24-timers næringsinntak i tre påfølgende dager for å bestemme grunnlinjevekten og matinntak.
- Påfør en liten mat deprivasjon diett for en uke før trening for testen. Kontroller dyrenes vekt hver dag, mens mat begrenset gjennom hele forsøket for å opprettholde 90% av baseline fri-mating kroppsvekt. For tre dager før tilvenning treningsfase, gi mus i sitt hjem buret også ≈20 mat forsterknings pellets. Disse er de pellets som vil bli brukt i etterfølgende testing.
Merk: Mat begrensning brukes til å øke dyrenes motivasjon til å jobbe i oppgaven, men ikke overstige 10% av vekttap under noen fase av hele prosedyren som det kan føre til unormal atferd og mye stress for musene, som kan påvirke resultatene.- Alternativt, for å unngå enkelt hus, leave musene gruppe-huset (2 til 4 hver bur), og gi tilgang til ad libitum mat for en bestemt periode etter testing. Kontroller dyrenes vekt hver dag, mens mat begrenset gjennom hele forsøket for å opprettholde 90% av baseline fri-mating kroppsvekt.
3. Tilvenning
- Trene musene i en en-dagers sesjon på 40 min å flytte inne i apparatet uten døren skillelinjen, hvor en nese-rote i noen nese-rote hull resulterer i en pellet levering i maten beholder. I denne fasen må du bare bruke nøytrale stimuli (tabell 1) for alle ulike dimensjoner (tilvenning 1).
- På den følgende dag, tog dyrene i 40 min for å bevege seg fra et kammer til det andre ved slutten av hvert forsøk (Tilpassing 2). Bruk bare nøytrale stimuli for alle ulike dimensjoner. Også i denne fasen, en nese-rote i noen av de nese stikke hull resulterer i en pellet levering i maten magasinet.Når musen henter belønning i maten magasinet, senk skille dør til å gi musen tilgang til det andre kammeret for neste rettssak.
- På den tredje dagen (Tilvenning 3), trene dyr til å utføre to enkle diskrimi (SD1 og SD2,. F.eks, borrelås vs film;. Lys kø på vs lys kø av; fersken vs salvie.) Til et kriterium av 8 riktige svar ut av 10 sammenhengende studier. Ikke bruk disse forbilder på nytt i løpet av de neste fasene av testen.
- For å starte, plasserer du muse i et kammer med nøytrale stimuli, mens i det andre kammeret stimuli signaler er slått på; senk døren for å gi musen tilgang til kammeret med de aktiverte stimuli signaler. Musen har å lære å velge nese-rote hull der riktig stimulus presenteres. Sessions vare i 40 min.
- Belønne en nese-dytt i riktig hull med en pellet levering og når musen kommer inn i maten magasinet, senk skille dørfor å gi adgang til musen det andre kammeret for den neste prøveperiode. Ikke belønne en nese-rote i feil hull og slå på huset lys i 5 sek. Deretter senkes døren for å gi musen adgang til det andre kammeret for den neste prøveperiode.
- Gjennomføre de første ti forsøk med hvert trinn som forme forsøk: Hvis musen velger feil hull, ta opp en feil, men ikke avslutte rettssaken før musen kakker også i riktig hull. I senere studier om musen kakker i feil hull, ta opp en feil og slå av alle dimensjonale stimuli for å avslutte rettssaken.
- Avslutte hver økt etter 40 min, eller hvis en mus ikke klarer å gjøre noen respons i fem sammenhengende minutter, avhengig av hva som kom først. Hvis musen ikke når kriteriet i én økt, fortsette testen på neste dag.
- Hvis en mus ikke kan nå kriterium i SD1 eller SD2 av Tilvenning 3 etter 5 økter, slutte å teste musen og eliminere den fra studien, fordi deter ikke i stand til å pålitelig utføre grunnleggende diskriminering som kan deretter påvirke resultatene av ID / ED oppgave.
Figur 2. Eksempel på ID / ED oppgave. Et eksempel på ID / ED "sittende fast-i-set" og "to-dimensjonale 'paradigmer er vist. Tilpasset fra 'The ultimate intra- og extradimensional oppmerksomhets Set-Shifting Task for Mus' 19. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
4. "Stuck-in-set 'ID / ED Paradigm Prosedyre
NB: For denne fremgangsmåten, som tidligere ble brukt i begge primater og gnagere 7,15,16, er det nødvendig å manipulere tre forskjellige dimensjoner for perseptuellehver enkelt muse testet. Som for tilvenning faser, alle test daglige økter starter ved å plassere musen i ett av de to kamrene hvor alle stimuli er nøytrale. Før begynnelsen av en rettssak, er stimulanse signaler slås på i motsatt kammeret. Da deledøren senket for å gi musen adgang til det andre kammer, hvor stimulerings signaler er på.
- For å trene dyret for å utvikle et sett eller skjevhet, mot et bestemt perseptuell dimensjon (. F.eks, lukt, lys eller gulv tekstur), utsette musene til følgende diskrimi som presenteres i denne rekkefølge (se også eksempel i figur 2):
- For Simple diskriminering (SD), introdusere mus til en dimensjon (lukt, lys eller tekstur, se figur 2) som er relevant i alle oppgavene frem til EDS. Det vil si at den aktuelle dimensjon er en som angir hvor riktig respons er. Følgende eksempel på figur 2, presentere to lukt, som vaNilla (O1) og lavendel (O2), og velg O1 som det riktige svaret.
- For forbindelsen diskriminering (CD), innføre en andre dimensjon, for eksempel lys, noe som er irrelevant (dvs. ikke var noe som indikerer riktig respons). Presentere to lys (L1 og L2) sammen med lukt (O1 og O2) for å ha to mulige diskriminering (se eksempel i figur 2). De riktige og uriktige forbilder er de samme som i SD.
- For reversering av Compound diskriminering (CDRe), la forbilder og relevant dimensjon uendret, men har dyrene lære at den tidligere riktig stimulans er nå feil. Velg for eksempel lavendel som riktig respons, med vanilje blir nå feil valg. De samme forholdene vil bli funnet for de andre reversering faser (dvs. IDSRe, IDS2Re og EDSRe).
- Etter det, velg en Intra-dimensjonale shift (IDS) der nye forbilder brukes til både relevantog irrelevante dimensjoner (en total endring design). Bruk for eksempel jordbær og kanel (O3 og O4) som lukt og blått og gult lys (L3 og L4) som lysene. Men, pass på at testing fagene holde følge samme relevant dimensjon for å finne riktig svar. De samme forhold vil bli funnet for det andre intradimensional shift (dvs. IDS2).
- Som for tidligere diskriminering, har musene utføre reversering av Intra-dimensjonale shift (IDSRe). Bruk de samme vilkår som i CDRe.
- For Intra-dimensjonale skiftet 2 (IDS2), bruker de samme vilkår som i IDS.
- På samme måte bruker de samme betingelser som i CDRe for Intra-dimensjonale skiftet reversering 2 (IDSRe2).
- I Extra-dimensjonale shift (EDS), har musene velge riktig hull etter en nylig presentert stimulus dimensjon. Presentere et par av stimuli fra en ny dimensjon, som er den struktur. For eksempel bruke grovt sandpapir (T1) som den riktige response og fint sandpapir (T2) som feil, og presentere dem med to nye lukt, for eksempel sitron og aprikos (O7 og O8). Den tidligere relevant dimensjon har nå blitt irrelevant. Ikke presentere tidligere irrelevant dimensjon lenger.
- For Extra-dimensjonale reversering (EDSRe), bruker de samme vilkår som i CDRe.
- Måle resultatene av musene til de når et kriterium av 8 riktige valg ut fra 10 påfølgende forsøk for å fullføre hver scene. Sette programmet (se tabell of Materials) til å automatisk gå videre til neste trinn etter kriteriet er nådd. Stopp en daglig økt etter 40 min, eller hvis en mus ikke klarer å gjøre noen respons i 5 påfølgende minutter, avslutte økten og fortsette neste dag med musen på samme scene der den slapp.
- For hvert trinn, måle tiden til å nå kriteriet. Hvis en mus ikke når kriteriet i én økt, oppsummere den totale tiden tatt i påfølgende økter. Tilhvert forsøk, måle tiden fra presentasjon av stimuli (lukt, lys, teksturer) til en nese-rote respons (latency å svare).
- På slutten av hver økt, tørke ned apparatet med 70% alkohol.
- Bruk alltid den samme rekkefølgen på den forskjellsbehandlingen. Imidlertid tilfeldig endre stimulerings dimensjonene og parene av forbilder som brukes og like representere dem innenfor eksperimentelle grupper og en motvekt dem mellom gruppene.
- Sørg for å like motvekt perseptuelle dimensjoner som brukes i og mellom hver forsøksgruppe slik at hver mulig ED skift er representert (dvs. lys til lukt, lys tekstur, lukt til lys, lukt til tekstur, tekstur til lys, tekstur til lukt) . Kombinasjonene av forbilder er for mange å tillate fullt avbalansering; derfor å redusere antall frihetsgrader, bruk alltid forbilder i par; for eksempel vanilje stimulus med lavendel etc. (se tabell 1).
Merk: En annen betingelse for å måle oppmerksomhets set-skiftende evne, brukes både i primater 12,17 og gnagere 13, er "to-dimensjon 'paradigme. I dette tilfelle er det kun to perseptuelle dimensjoner anvendes gjennom hele testen.
- For denne protokollen, bruker rekkefølgen på den forskjellsbehandlingen og prosedyren for å følge som beskrevet for "stuck-in-set" protokollen opp til EDS scenen (se et eksempel i figur 2):
- For SD og følgende etapper, bruke de samme parene av "stuck-in-set", inntil IDS2Re. Som vist i eksempelet i figur 2, anvende to lukt (O1 og O2, O1 bruk som korrekt stimulus).
- For CD, som i "fast-i-set" protokoll, innføre en ny dimensjon (for eksempel lys, L1 og L2), som er irrelevant og vil tjene som en confounder.
- Den CDRe er lik som jegn 'stuck-in-set "protokollen, og dermed la forbilder og relevant dimensjon uendret, men har dyrene lære at den tidligere riktig stimulans er nå feil (f.eks O1).
- I IDS, bruker alltid nye par av stimuli for begge målene (O3 og O4, L3 og L4, hvor O3 er riktig stimulans).
- For IDSRe, har musene utføre reversering av IDS. Velg riktig eksemplar som er den som var feil under IDS (f.eks O4).
- For IDS2, introdusere nye par av stimuli for begge målene (O5 og O6, L5 og L6).
- Som i de foregåreverseringstrinn i IDS2Re, har dyrene lærer at den tidligere riktig stimulus er nå feil (f.eks, O5).
- For den "to-dimensjon 'protokollen, EDS, musene må velge riktig respons etter blir tidligere irrelevant dimensjon nå den aktuelle dimensjon. Dermed er lys den nye relevant dimensjon, WHIch indikerer riktig respons. Spesielt er rødt lys (L7) riktig respons. Motsatt er de tidligere aktuell dimensjon (i eksempelet, lukt) nå en irrelevant.
- Etter EDS, for reversering (EDSRe), bruke samme betingelser som i CDRe. Det aktuelle dimensjon er den samme som i EDS, men de riktige og feilaktige eksemplarer blir invertert. Derfor, for eksempel, er grønt lys (L8) nå riktig respons.
6. Data Analysis
- Måle ytelsen ved: antall forsøk for å oppnå kriteriet; tid for å nå kriteriet (i minutter); tid fra presentasjon av stimuli til en nese-rote respons (latency å svare).
- For statistisk analyse, bruke ANOVAs med de ulike stadier (SD, CD, CDRe, IDS, IDSRe, IDS2, IDSRe2, EDS, og EDSRe) som en innen-faget faktor å undersøke antall forsøk som kreves for å nå de kriterier, timing trengs å fullføre hver scene og ventetid for å svare. Conduct post-hoc-analyser ved hjelp av Newman-Keuls test. Merk: Den aksepterte verdi for betydning er p <0,05.
Representative Results
Figur 2 viser et eksempel på ID / ED oppgave. Par av stimuli (enten 'Diskriminering 1' eller 'Diskriminering 2') er tilfeldig presentert i hvert trinn, og musen må velge riktig stimulans i hvert par. I dette eksempelet tabellen, er riktig eksemplar rapportert i fet skrift. I den første fasen (SD eller enkle diskriminering), de stimuli som presenteres i de to nese-rote hull skilte seg i en av tre dimensjoner (f.eks O1: Vanilla vs. O2: Lavendel) og musen blir belønnet for å velge riktig eksemplar (f.eks O1). Når faget når kriteriet i denne fasen, den neste fasen (CD eller sammensatt diskriminering) begynner, hvor de samme forbilder i den aktuelle dimensjonen presenteres overleggs tilfeldig av eksempler av et sekund, men irrelevant dimensjon, innført som en problemfaktor ( f.eks L1. blått lys vs.L2: gult lys). To forskjellige diskriminering er mulig i denne fasen (either 'Diskriminering en' eller 'Diskriminering 2'). I den neste fasen (CDRe eller sammensatt diskriminering reversering), er belønning situasjoner snudd men forbilder og den aktuelle dimensjon er uendret: musen har å lære at tidligere riktig stimulans er nå feil (f.eks, er lavendel lukt nå belønnet). I den neste fasen (IDS eller intra-dimensjonale shift), nye forbilder (både lukt og lys) er innført, men relevant dimensjon (lukt i dette eksempelet) forblir den samme (for eksempel er jordbær riktig valg). I den neste fasen (IDR eller intra-dimensjonal reversering), er belønning situasjoner reversert. Etter en andre intra-dimensjonalt skift (IDS2 og dens reversering), er nye eksempler innføres for å teste den ekstra-dimensjonale skift (EDS), hvor den aktuelle dimensjonen endres. I "stuck-in-set" EDS, har musen til å fokusere på den nye dimensjonen (f.eks Texture, T1: grovt sandpapir vs. T2: fine sandpaper), mens den tidligere aktuelle dimensjonen (i dette tilfellet, lukt) er nå irrelevant dimensjon. I "to-dimensjon 'EDS, er det tidligere irrelevant dimensjonen (i dette tilfellet lys) nå den aktuelle dimensjon. I den siste fasen (EDSRe eller ekstra-dimensjonale reversering), er belønning situasjoner reversert.
For å oppnå pålitelige resultater, stimulerings dimensjoner som anvendes i oppgaven skal være like godt lært. Som vist i figur 3, visuelle, taktile og luktdiskrimi i denne nye anordning som kreves lignende tid (F (2,64) = 0,36; p = 0,69), og tilsvarende antall forsøk (F (2,64) = 0,059; p = 0,94) for å nå kriterium, noe som tyder på at dyr som er i stand til å utføre enkle diskrimi uavhengig dimensjon presenteres.
Hvis en pålitelig oppmerksomhets sett har blitt utviklet gjennom testing faser av oppgaven, p-ytelse av en normal villtype-mus skulle være dårligere i EDS trinnet sammenlignet med tidligere og følgende faser, som rapportert i tidligere studier hos gnagere og primater 12,13. Spesielt bør en robust økning av tid og forsøk som behøves for å nå kriteriene bli funnet i EDS forhold til IDS etapper. Som illustrert i figur 4, i vårt eksperiment med "fast-i-set 'protokoll, analyse av ytelsen til mus avslørte en diskriminering effekt for antallet forsøk (F (8,168) = 9,23; p <0,0001) og tid ( F (8,168) = 8,62; p <0,0001) som kreves for å nå kriterier. Faktisk, mus trengs flere studier og mer tid til å løse EDS scenen i forhold til CD, IDS, IDS2 og EDSRe stadier (p <0,05; 4A-B). Tilsvarende analyse av ytelsen undersøkt med "to-dimensjon 'protokoll (figur 5) viste en signifikant diskriminering effekt for antallet forsøk (F (8,72) = 30,66; p <0,005) og tid (F (8,72) = 4,65; p <0,0005) som er nødvendig for å nå kriterier. Faktisk viser vi at mus som kreves flere forsøk (p <0,05) og mer tid (p <0,05) for å løse EDS sammenlignet med CD, IDS, IDS2 og EDSRe (figur 5A-B). Ingen forskjeller i skiftende evner bør observeres mellom mus testet med forskjellige dimensjoner.
I en normal villtype-mus, den første reversering læring (f.eks., CDRe) er vanskeligere enn den opprinnelige diskriminering (dvs. CD). I overensstemmelse, som det fremgår av figurene 4 og 5, mus trengte mer forsøk (p <0,05; fig 4-5A) og mer tid (p <0,05; figur 4-5B) for å fullføre dette trinn. Videre bør reversering ytelsen forbedres fra CDRe til IDSRe til IDS2Re, som vi viser i vårt eksperiment med begge de "stuck-in-set" og "to-dimensjonale 'protokoller. Disse results styrke ytterligere bevis for dannelsen av en oppmerksomhets sett gjennom oppgaven.
Gjennom den oppgave, bør musene øke deres hastighet til å reagere i løpet av etterfølgende trinn. Følgelig analyse av latens til å reagere viste en signifikant diskriminering effekt (F (8,200) = 42,59; p <0,0001). Spesielt, som demonstrert av representative resultatene i Figur 4C ventetid for å rote i IDS2 scenen er redusert i forhold til at i de IDS, CD og SD-etapper (p <0,0005). Videre ventetid til å svare økte i EDS scenen i forhold til forrige IDS2 og IDS2Re og påfølgende EDSRe stadier (p <0,05). I samsvar med disse resultatene, for analyse av latens reagere i løpet av den "to-dimensjon 'oppgave viste også en signifikant effekt av diskriminering (F (7,63) = 9,98; p <0,0005). Som vist i figur 5C, til ventetid gjøre et valg wsom økte i løpet av EDS i forhold til forrige IDS2 og IDS2Re og påfølgende EDSRe (p <0,05). Siden latens til å reagere har vært ansett som en indeks på decisional behandling 18 Disse resultatene tyder videre på at musene støtt på noen problemer å behandle de nye discriminative regelen under EDS. Basert på den atferdsmessige utførelsen av villtype mus (Figur 4-5), fant vi ut at det minimale antallet utvalgsstørrelse (ved R maktanalyse) for hver forsøksgruppe bør være åtte.
Figur 3. Enkle diskriminering av lys, lukt og tekstur er likeverdige. (A) Antall forsøk og (B) tid som kreves for å nå kriteriet på enkle diskrimi med bare lys, lukt eller tekstur stimuli. Verdiene representerer gjennomsnitt ± SEM hele figur 2-4. Data originally publisert i "The ultimate intra- og extradimensional oppmerksomhets Set-Shifting Task for Mus '19.
Figur 4. Wild-type C57BL6J hannmus ytelse i "stuck-in-set 'ID / ED operon oppgaven. (A) Trials, (B) (i minutter) og dager for å nå kriteriet i de ulike fasene av ID / ED Operon oppgave å bruke en "stuck-in-set 'ID / ED paradigme. (C) Tid (i sekunder) medgått mellom åpningen av skille døren og en nese-rote respons (latens til å reagere) under de forskjellige stadier av oppgaven. Totalt 26 mus ble testet; 4 mus ble ekskludert fordi de ikke var pålitelig poking å hente maten forsterkning under trening eller ikke var i stand til å fullføre entire prosedyre. 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. Legg merke til at mus var i stand til å fullføre hele oppgaven i 5-9 dager i alle forsøk som er rapportert i figurene 3-4. Dataene opprinnelig publisert i "The ultimate intra- og extradimensional oppmerksomhets Set-Shifting Task for Mus '19. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5. Wild-type C57BL6J hannmus ytelse i "to-dimensjon 'ID / EDOperon oppgave. (A) Trials, (B) (i minutter) og dager for å nå kriteriet i de ulike fasene av ID / ED operon oppgave å bruke en to-dimensjon paradigme. (C) Tid (i sekunder) medgått mellom åpningen av skille døren og en nese-rote respons (latens til å reagere) under de forskjellige stadier av oppgaven. Totalt 13 mus ble testet; 3 mus ble ekskludert fordi de ikke var pålitelig poking å hente maten forsterkning under trening eller ikke var i stand til å fullføre hele prosedyren. 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. Dataene opprinnelig publisert i "The ultimate intra- og extradimensional oppmerksomhets Set-Shifting Task for Mus '19. Klikk her for åse en større versjon av dette tallet.
Figur 6. Tidslinjen av hele prosedyren av protokollen for å teste ID / ED oppgave.
| Scene | Beskrivelse | Flere merknader | Referanser |
| Enkelt Diskriminering (SD) | |||
| Forbindelse Diskriminering (CD) | Stimuli varierer i to perseptuelle dimensjoner, for eksempel farge og form for visuelle stimuli i den menneskelige oppgaven, eller mellom tekstur og lukt stimuli for gnagere | ||
| Tilbakeføring læring (CDRe - IDSRe - IDS2Re - EDSRe) | To eksemplars innenfor en perseptuell dimensjon har sine forsterkningsbetingelser snudd slik at det som tidligere var riktig er så feil, og vice versa) | I serie reversering læring, forbedrer ytelsen med påfølgende innenfor-set føringer. Dermed reversering etapper (ie., CDRe, IDSRe, IDS2Re) ikke bare vurdere funksjon av ulike kortikale områder, men også tjene 1) å danne kognitiv oppmerksomhets sett utfordret av EDS scenen, og 2) for å hindre overtroisk condition til utilsiktede aspekter av stimulus | - Skader på orbitofrontal cortex i mus (Bissonette et al, 2008.) Og monkyes svekket Tilbakeføring læring (Dias et al, 1996). - FMRI under ytelse på Tilbakeføring læring viste aktivering av orbitofrontal cortex (Hampshire og Owen, 2006) |
| Intradimensional shift (IDS - IDS2) | Nye eksempler er innført, men det samme dimensjon er forsterket | IDS stadier sErve som en avgjørende intern kontroll (f.eks., bør EDS være vanskeligere enn IDS), og også bidra til å danne den kognitive-oppmerksomhets set | Dopamin uttømming i PFC svekket oppmerksomhets sett dannelse (Robbins og Roberts, 2007). 6-OHDA lesioned aper viste ikke den klassiske reduksjon reduksjonen i feil fra første (IDS1) til den siste (IDS5) diskriminering, som skal gjenspeile kjøp av oppmerksomhets sett |
| Extradimensional shift (EDS) | "stuck-in-set 'protokoll: tidligere irrelevant stimulus dimensjon er erstattet av en ny stimulans dimensjon som umiddelbart blir relevant | unnlatelse av å skifte til den nye relevant dimensjon ikke kan henføres til noen tidligere læring om denne dimensjonen, siden det ikke hadde vært tidligere opplevd. Svikt, og derfor reflekterer perseverasjon til den tidligere aktuelle dimensjon | - Skader på hav MPFCe vært show å svekke EDS i mus (Bissonette et al., 2008), og mokeys (Dias et al., 1996) - Frontallappen pasienter er svekket i stuck-in-set "perseverasjon 'tilstand, men ikke i" to dimensjonen "tilstand (. Owen et al, 1993) - Dopamin i MPFC modulert EDS ytelse i mus (Papaleo et al, 2008;.. Scheggia et al, 2014) og rotter (Tunbridge et al., 2004) |
| 'to dimensjoner' protokoll: den tidligere irrelevant dimensjonen forsterkes | en tilsynelatende manglende skifte oppmerksomhets sett kan oppstå når en gjenstand er i stand til å skifte oppmerksomheten bort fra en tidligere relevant dimensjon (når det blir irrelevant), men er likevel ikke i stand til å refokusere oppmerksomheten på den nylig relevant dimensjon | - Lesjon i MPFC hos rotter (birrell og Brown, 2000) svekket EDS shift - FMRI under ytelse på EDS har vist aktivering av ventro-lateral PFC (Hampshire og Owen, 2006)60; |
Tabell 2: Stadier av ID / ED O peron oppgave beskrivelse av stadier av oppgaven, inkludert referanser til lesjon og farmakologiske studier som tar for seg rollen som hjerneområder som er involvert i de ulike konstruksjonene testet under oppgaven..
Discussion
I denne studien presenterer vi en ny automatisert to-kammer ID / ED "Operon" oppgave for mus som er i stand til å pålitelig måle kognitiv fleksibilitet gjennom reversering læring, oppmerksomhets sett formasjon og skiftende. Dette paradigmet er analog til WCST og ID / ED oppgaver som vanligvis brukes i humane og ikke-humane primater og overvinner de store begrensningene i de tidligere versjoner for gnagere. Dette Operon paradigmet kan brukes som et nytt effektivt verktøy for store medikament og / eller genetiske screenings relevante for kognitive (dys) funksjoner hos mus med høy relevans til translasjonell medisin.
Denne automatiserte oppgaven har følgende fordeler fremfor tidligere brukt ID / ED oppgave for gnagere: (1) det har mindre arbeidskrevende prosedyrer enn de manuelle versjoner (f.eks programvaren regulerer alle faser av oppgaven, i stor grad redusere intervensjoner ved. eksperimentator); (2) det eliminerer enhver kilde av subjektivitet i den målte Paramemeterne (for eksempel er eksperimentator ikke nødvendig å bedømme hvorvidt dyret faktisk har gjort et valg respons); (3) den eliminerer enhver mulighet for at musene kunne følge armeringsrelaterte signaler for å foreta en respons (dvs. belønningen alltid automatisk leveres i sentrum magasin); (4) den unngår vilkårlige miljøforhold (f.eks bruk av labyrinter og apparater av forskjellige størrelser / materialer, bruk av manuelt forberedt cue stimuli); (5) det tillater manipulering av tre forskjellige dimensjoner med et stort spekter av ulike stimuli, i henhold til de tilsvarende menneskelige oppgaver som brukes i klinisk setting. Her presenterer vi data bare fra mus, men lignende fordeler kan forventes også for rotter.
Det er viktige trinn i oppgaven, som er interne konstruksjonen-validitet parametere som kan brukes for å identifisere areliable oppmerksomhets set-skiftende ytelse: i) dårligere ytelse i EDS komparativeed til tidligere stadier ii) en generell forbedring fra IDS til IDS2; iii) en bestemt forbedring i påfølgende reversering etapper, som mer et dyr er opplært i løpet innstilte føringer, jo bedre skal utføre på påfølgende innen sett føringer 20; iv) bedre ytelse i EDSRe sammenlignet med EDS. Denne romanen ID / ED operon oppgaven presenterer alle disse funksjonene, i samsvar med tidligere studier i primater bruker Cantab ID / ED oppgave og hos gnagere ved hjelp av manuell "grave" versjon 12,13. Dessuten ble hver fase av denne automatiske oppgave lært på et tilsvarende antall forsøk uavhengig av den aktuelle / irrelevant dimensjon brukes (dvs. lukt, tekstur og lys) 19. Dette viser at alle de stimuli som benyttes har lignende salience og er egnet for oppmerksomhets set-dannelse og / eller forskyvning. Våre forsøk viser at vanskeligheten i å løse EDS er også fremhevet av økningen i respons ventetider. Behandlingstidøker for å opprettholde optimal nøyaktighet under hardere diskriminering 21. Dermed vurderer ventetid for å svare som en indeks på hastigheten på informasjonsbehandling, beslutningstaking og problemløsning 18, kanskje tregere ventetider i løpet av EDS reflektere en strategi vedtatt å møte vanskeligheter med å løse set-giring.
Vi har vist at vår nye apparat kan brukes effektivt med mer "klassisk" oppmerksomhets set-skiftende paradigme ved anvendelse av bare to dimensjoner gjennom hele testen (dvs. to-dimensjon) eller med en fast-i-set paradigmet, noe som innebærer bruken av tre dimensjoner. Avhengig av kognitive domenet av interesse, er det mulig å velge den mest passende protokoll. Begge disse paradigmer har tidligere blitt brukt i mennesker, primater og gnagere 7,12-17. Imidlertid er den fast-i-satt fremgangsmåte i stand til å skille mellom ulike komponenter av set-giring og er ammalm selektiv mål på frontallappen funksjon hos mennesker 7,22. Videre er et problem som kan oppstå i de to-dimensjonen paradigmet den lærde irrelevans som kan påvirke resultatene. Lært irrelevans perseverasjon viser til manglende evne til å ivareta og lære om opplysninger som tidligere var irrelevant 7. Denne situasjonen kan oppstå i EDS fase av to-dimensjonen paradigmet, som emnet er nødvendig for å forskyve hensyn til den tidligere irrelevant dimensjon. I dette tilfelle er det i utgangspunktet mulig å skjelne om en EDS underskudd skyldes den manglende evne til å skifte fokus fra et tidligere aktuell dimensjon og / eller manglende evne til å nå forskyve fokus på et tidligere irrelevant dimensjon. Funksjon kan da bare reflektere aktiv hemming av å svare på en dimensjon tidligere gjort irrelevant ved sin tilfeldig tilknytning forsterkende tilbakemeldinger. I motsetning til dette, i fast-i-set condition, kan unnlatelse av å skifte til den nye relevant dimensjon ikke tilskrives noen realkompetanse om denne dimensjonen, siden det ikke hadde blitt opplevd tidligere. Svikt, og derfor reflekterer perseverasjon til den tidligere aktuelle dimensjon. I konklusjonen, selv om det i normale villtype mus den "stuck-in-set" og "to-dimensjon 'oppmerksomhets set-skiftende paradigmer kan produsere lignende resultater, vi uttrykkelig foretrekker stuck-in-set perseverasjon av grunner diskutert 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).
