Introduction
Uppmärksamhets set-växling är ett mått på kognitiv flexibilitet och exekutiva funktioner 1. Den hänvisar till möjligheten att byta mellan godtyckliga interna regler ("kognitiva-uppmärksamhets set"). De mest använda neuropsykologiska uppgifter för att mäta uppmärksamhets set-shifting och kognitiv flexibilitet hos människor är Wisconsin Card Sorting Test (WCST) 2 och en nyare och mer förfinad version: den intra- och extra-dimensionell uppmärksamhets set-växling (ID / ED) i Cambridge Neuropsychological Test Automated Battery (Cantab) 3,4. Dessa uppgifter har använts för att identifiera specifika kognitiva avvikelser i ett brett spektrum av psykiska sjukdomar inklusive autism 5, schizofreni 6, Parkinsons sjukdom 7, tvångssyndrom 8 och uppmärksamhet-deficit / hyperaktiva störningar 9. Den kliniska relevansen och fast metodik för WCST och ID / ED tester har ATTracted intresse för genomförandet av liknande tester i preklinisk forskning 10,11. Dessa uppgifter gör det möjligt att selektivt mätning inom samma ämne olika kognitiva förmågor såsom diskriminerande lärande, återföring lärande, bildandet av en uppmärksamhets uppsättning, förskjutning av uppmärksamhet inom samma dimension (. Dvs intra-dimensionell skift: IDS) och mellan olika perceptuella dimensioner (dvs extra-dimensionell skift. EDS). Detta är viktigt eftersom olika hjärnkretsar, samt neuropatologi kan förändra dessa olika kognitiva funktioner på olika sätt. Till exempel har en dubbel dissociation eller funktionell specialisering effekt påvisats mellan den laterala (i apor och människor) / medial (hos gnagare) och omloppsbanor regioner i PFC i uppmärksamhets set skiftande uppgifter. Medan orbitofrontal cortex är mer engagerade i återföring faser av dessa uppgifter, i sidled / mediala PFC region styr extra-dimensionskiftstegen12-14.
Gnagare versioner av dessa uppmärksamhets set skiftande tester för primater har framgångsrikt genererat 13-16. Dock har vissa aspekter av dessa gnagare versioner varit att begränsa sina program och användning. Till exempel, är dessa uppgifter manuellt köra och därför mycket arbetskrävande och svåra att standardisera. Dessutom kan förekomsten av livsmedels förstärkare inuti stimuli resulterar i en tvetydig tolkning av djur svar och potentiell bias i val fattandet 10. Dessa egenskaper har begränsat genomströmning av att testa och, ännu viktigare, deras tillämpning i storskaliga genetiska och / eller drog screening studier.
För att övervinna dessa begränsningar och för att förbättra de potentiella tillämpningar av ID / ED skift paradigm i gnagare, presenterar vi här ett nytt två-kammar operant baserad uppgift att testa kognitiv flexibilitet hos möss. Denna nya uppgift efterliknar nära ID / ED uppgift som används inom human- och icke-mänskliga primater och kringgår problemen med tidigare gnagare versioner.
Protocol
Alla förfaranden godkändes av det italienska hälsoministeriet och lokala djur användning kommittén och genomfördes i enlighet med vägledningen för vård och användning av försöksdjur i rådets EG-direktiven.
Obs: Figur 6 visar en tidslinje över hela proceduren av protokollet för att testa ID / ED uppgift.
1. Apparat
Figur 1. De två kammare "Operon" apparat. (A) Utsikt från toppen av hela apparaten och (B) framifrån av en enda kammare imitera musen point-of-view under testet. 1: visuella stimuli (LED); 2: mattidning; 3: nose-säcken hål; 4: taktil stimulus (konsistens); 5: lukt stimulans; 6: automatisk skjutdörr; 7: hus -ljus; 8: infraröd photobeam för dörrstyrning. Kamrarna (16 x 16 x 16 cm 3) är åtskilda av en genomskinlig plast dörr (6). Infraröd photobeams (8) spårade djurförflyttningar och kontrollerade öppning / stängning av den automatiska dörren för att låta musen för att ändra kammare. Varje kammare presenterar två näsa-peta hål (3) med infraröda photobeams, och mellan dem, en tidskrift livsmedel (2) med photobeams där en pellet dispenser levererade maten förstärkning. Ett hus-ljus (7) är belägen ovanför var och en av de två livsmedels tidningar. Varje näsa-säcken hål är utrustad med en rad utbytbara stimuli som kan variera i tre olika perceptuella dimensioner (lukt, syn, takt). Ursprungligen publicerad i "Den ultimata Intra- och extradimensional uppmärksamhets Set-Shifting uppgift för möss" 19. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
innehåll "> Obs! Operon apparaten (Figur 1) består av två identiska kammare med plexiglas väggar och en aluminiumgolv (16 x 16 x 16 cm 3 för varje kammare) Chambers skiljs åt av en transparent plexiglas delande dörr som kan vara automatiskt. regleras för att låta musen för att få tillgång till den ena kammaren. Varje kammare har två näsa-peta hål med infraröda photobeams, och mellan dem, en mattidning med photobeams där en pellet dispenser levererade maten förstärkning. En fläkt och ett hus-ljus finns ovanför var och en av de två livsmedels tidningar.- Utrusta varje näsa-säcken hål med ett antal utbytbara stimuli (Tabell 1) som varierar i tre olika perceptuella dimensioner (dvs., lukt, syn, taktila). Obs: De stimuli som föreslås i tabell 1 har valts ut för att undvika eventuella confounding faktorn och / eller partiskhet på grund av skatteundandragande eller önskemål. Fem par förebilder för varje dimension tillåta en medi-föremål testning av alla skift, med nya stimuli på varje skift.
- Att leverera lukt stimuli i näsan-peta hål, använd en utspädnings olfaktometer, vilket tillstånd inkommande luft till näsan-peta hål genom att automatiskt uttorkande, filtrering, återfuktande och styra presentationen av par av dofter.
- Använd en olfaktometer att styra två näsa peta hål. Reglera luftflöde medelst en luftpump och ett vakuum för att avlägsna doften i näsan-peta hål. Anslut luftpumpen till inloppet av olfaktometem och vakuumet till utloppen monterade på näsan-säcken anordning. Anslut sedan utlopp för lukt leverans till varje näsa-säcken inlopp. Justera flödeshastigheten till 1,5 L per minut.
- Späd lukt dofter 1:20 i mineralolja och fylla flaskor av olfaktometem.
- För visuella stimuli, plats lysdioder (LED) på toppen av varje näsa säcken hål och fäst dem i metall panel av kammaren (se detaljer i figur 1 och tabell 1). Anslut dem till utgången gränssnittet.
- För taktila stimuli, montera utbytbara golv texturer framför varje näsan poke hål. Montera de olika texturer på glidstöd och flytta dem med ramar under golvet, så att de presenteras i överensstämmelse med en liten öppning (3 x 3 cm 2) på golvet framför varje näsa-säcken hål.
- Att leverera lukt stimuli i näsan-peta hål, använd en utspädnings olfaktometer, vilket tillstånd inkommande luft till näsan-peta hål genom att automatiskt uttorkande, filtrering, återfuktande och styra presentationen av par av dofter.
- Styr presentationen av stimuli med hjälp av programmet enligt tillverkarens anvisningar för att automatiskt ändra stimuli av olika dimensioner under experimentet.
- Placera en kamera på toppen av apparaten för att spela basal växling och rörelseaktivitet med hjälp av beteendeövervakning programvara (t ex., Ethovision, Anymaze) att, som kan hjälpa till att eliminera djur som har problem som saknar samband med kognitiva funktioner.
| Lukter | TEXTURES | LJUS |
| persika v. salvia | kardborreband v. film | lamporna på v. belysningen |
| vanilj v. lavendel | grovt sandpapper v. fint sandpapper | röd v. grön |
| jordgubb v. kanel | slät kartong v. räfflade kartong | blå v. gul |
| grapefrukt v. oregano | svamp v. mjuk plast | apelsin v. vit |
| citron v. aprikos | honeycomb papper v. aluminiumfolie | fixa ljus v. blinkande lampor |
Tabell 1. förebilder som används i ID / ED Operon uppgift. Sammansatta diskriminering är baserade på fasta kombinationer av par av exemp (se figur 2 för ett exempel på den sekvens av diskriminering). De exempel par från olika dimensioner presenteras i slumpmässiga kombinationer. Neutrala stimuli för de olika dimensionerna är: luft flux utan doft; vitt papper; inga ljusstimuli. Tabell ursprungligen publicerats i "The Ultimate Intra och extradimensional uppmärksamhets Set-Shifting uppgift för möss" 19.
2. Animal Förberedelse
Obs: De representativa resultat redovisas här erhölls från manliga C57BL / 6J möss, 3 till 7 månader gammal, under den ljusa fasen.
- Väg möss, var för sig internt och sedan hantera för 1 min på trealternativa dagar.
- Efter en vecka av acklimatisering till enkel bostäder, rekord kroppsvikt och 24-tim födointag tre dagar i rad för att bestämma baslinjen vikt och födointag.
- Applicera en liten brist på mat skur för en vecka före träning för testet. Kontrollera djurens vikt varje dag medan livsmedel begränsas under hela experimentet för att upprätthålla cirka 90% av deras baseline fritt utfodring kroppsvikt. För tre på varandra följande dagar före tillvänjning träningsfasen, ger möss i deras hem bur också ≈20 mat förstärknings pellets. Dessa är de mat pellets som kommer att användas i efterföljande testning.
Obs: Mat begränsning används för att öka djurens motivation att arbeta i arbetet, dock inte överstiga 10% av viktminskning under någon fas av hela förfarandet eftersom det kan leda till onormala beteenden och överdriven stress för möss, som kan påverka resultaten.- Alternativt, för att undvika enda hölje, leave mössen hålls i grupp (2-4 varje bur) och ger tillgång till ad lib mat för en viss tid efter provning. Kontrollera djurens vikt varje dag medan livsmedel begränsas under hela experimentet för att upprätthålla cirka 90% av deras baseline fritt utfodring kroppsvikt.
3. Tillvänjning
- Tåg mössen i en 1-dagars session på 40 min för att röra sig inuti anordningen utan dörr delaren, där en näsa-säcken i någon näsa-peta hål resulterar i en pellet leverans i livsmedelsbehållaren. Under denna fas, endast använda neutrala stimuli (tabell 1) för alla olika dimensioner (tillvänjning 1).
- Dagen därpå, träna djuren under 40 minuter att gå från en kammare till den andra i slutet av varje försök (Tillvänjning 2). Använd bara neutrala stimuli för alla olika dimensioner. Även i denna fas, en näsa-peta i något av näsa-peta hål resulterar i en pellet leverans i livsmedels magasinet.När musen hämtar belöningen i mattidning, sänka skiljedörren för att ge musen tillgång till den andra kammaren för nästa försök.
- På den tredje dagen (Tillvänjning 3), träna djuren att utföra två enkla diskriminering (SD1 och SD2,. T.ex., kardborrband vs film,. Ljus kö på vs ljus kö utanför, persika vs salvia.) Till ett kriterium 8 korrekta svar av 10 på varandra följande försök. Använd inte dessa förebilder igen under de kommande faser av testet.
- För att starta, placera musen i en kammare med neutrala stimuli, medan i den andra kammaren stimuli signaler är påslagna, sänk sedan dörren för att ge musen tillgång till kammaren med de aktiverade stimuli signaler. Musen måste lära sig att välja näsan-säcken hål där rätt stimulans presenteras. Sessioner pågå i 40 minuter.
- Belöna en näsa-säcken i rätt hål med en pellets leverans och när musen kommer in i livsmedels tidningen sänka skiljedörrenför att ge musen tillgång till den andra kammaren för nästa försök. Inte belöna en näsa-säcken i fel hål och slå på huset ljus i 5 sek. Sänk sedan dörren för att ge musen tillgång till den andra kammaren för nästa rättegång.
- Genomför de första tio prövningar av varje steg som forma prövningar: om musen väljer fel hål, spela ett fel men inte avsluta rättegången tills musen petar också i rätt hål. I efterföljande prövningar om musen petar i fel hål, spela ett fel och stäng av alla dimensionella stimuli för att avsluta rättegången.
- Avsluta varje session efter 40 minuter eller om en mus inte göra något svar under fem minuter, beroende på vilket som kom först. Om musen inte når kriteriet i en session, fortsätter testet på nästa dag.
- Om en mus inte kan nå kriteriet i SD1 eller SD2 av Tillvänjning 3 efter 5 sessioner, sluta testa musen och eliminera det från studien, eftersom detinte kan tillförlitligt utföra grundläggande diskriminering som därefter kan påverka resultatet av ID / ED uppgift.
Figur 2. Exempel på ID / ED uppgift. Ett exempel på ID / ED "fastnat-i-set" och "två-dimension" paradigm visas. Anpassad från "Den ultimata Intra- och extradimensional uppmärksamhets Set-Shifting uppgift för möss" 19. Klicka Vänligen här för att se en större version av denna siffra.
4. Stuck in-set "ID / ED Paradigm Förfarande
OBS: För denna procedur, som tidigare använts i både primater och gnagare 7,15,16, är det nödvändigt att manipulera tre olika perceptuella dimensioner förvarje enskild mus testas. Som för tillvänjningsfaserna, all testning dagliga sessioner börjar genom att placera musen i en av de två kamrarna, där alla de stimuli är neutrala. Före början av en rättegång, är stimulans ledtrådar påslagen i motsatt kammaren. Då skiljedörren sänks för att ge musen tillträde till den andra kammaren där stimulans ledtrådar är på.
- Att träna djuret att utveckla en uppsättning, eller partiskhet, mot en viss perceptuell dimension (. T.ex. lukt, ljus eller golv konsistens), utsätter möss följande diskriminering som presenteras i denna ordning (se även exempel i Figur 2):
- För Simple diskriminering (SD), införa möss till en dimension (lukt, ljus eller struktur, se figur 2) som är relevant i alla uppgifter tills EDS. Det vill säga, det relevanta måttet är en som indikerar var det korrekta svaret är. I likhet med figur 2, två nuvarande lukter, såsom vanilla (O1) och lavendel (O2) och välj O1 som det korrekta svaret.
- För föreningen diskriminering (CD), införa en andra dimension, exempelvis ljuset, vilket är irrelevant (dvs inte indikerar var det korrekta svaret är). Nuvarande två lampor (L1 och L2) tillsammans med lukter (O1 och O2) för att ha två möjliga diskriminering (se exempel i Figur 2). Rätt och felaktiga exemplar är desamma som i SD.
- För återföring av föreningen diskriminering (CDRe), lämnar förebilder och relevant dimension oförändrad, men har djuren lära sig att den tidigare rätt stimulans är nu felaktig. Välj till exempel lavendel som det korrekta svaret, med vanilj är nu felaktigt val. Samma villkor kommer att hittas för de andra återföring faserna (dvs IDSRe, IDS2Re och EDSRe).
- Därefter väljer du ett Intra-dimensionell shift (IDS) där nya exemplar används för både den relevantaoch irrelevanta dimensioner (en total förändring design). Använd till exempel jordgubbar och kanel (O3 och O4) som lukter och blå och gula lampor (L3 och L4) som lamporna. Men se till att test ämnen fortsätter följa samma relevanta dimension för att hitta det rätta svaret. Samma villkor kommer att hittas för andra intradimensional shift (dvs IDS2).
- När det gäller den tidigare diskriminering, har mössen utföra återföring av Intra-dimensionell shift (IDSRe). Använd samma villkor som i CDRe.
- För Intra-dimensionell skift 2 (IDS2), använda samma betingelser som i IDS.
- Likaså använder samma villkor som i CDRe för Intra-dimensionella skift återföring 2 (IDSRe2).
- I Extra-dimensionella shift (EDS), har mössen välja rätt hål efter en nyligen presenterade stimulus dimension. Presentera ett par av stimuli från en ny dimension, som är texturen. Till exempel använder grovt sandpapper (T1) som rätt resPonse och fint sandpapper (T2) som felaktig, och presentera dem med två nya lukter, till exempel citron och aprikos (O7 och O8). Den tidigare relevant dimension har nu blivit irrelevant. Inte presentera tidigare irrelevant dimension längre.
- För extra dimensionella vändning (EDSRe), använda samma betingelser som i CDRe.
- Mäta prestanda hos mössen tills de når ett kriterium 8 korrekta val av 10 försök i rad för att slutföra varje steg. Ställa in programmet (se tabell för Material) för att automatiskt gå vidare till nästa steg efter det att kriteriet nåtts. Stoppa en daglig session efter 40 minuter, eller om en mus inte göra något svar under 5 minuter i följd, avslutas sessionen och fortsätta nästa dag med musen på samma scen där den slutade.
- För varje steg, mäta tiden för att nå kriteriet. Om en mus inte når kriteriet i en session, summera den totala tid det tar i konsekutiva sessioner. Förvarje försök, mäta tiden från presentationen av stimuli (lukter, ljus, texturer) på en näsa-säcken svar (latens att svara).
- Vid slutet av varje session, torka av apparaten med 70% alkohol.
- Använd alltid samma ordningsföljd diskriminering. Men slumpmässigt ändra stimulans mått och paren av förebilder som används och lika företräda dem i försöksgrupper och motvikt dem mellan grupper.
- Se till att lika uppväga de perceptuella dimensioner som används inom och mellan varje försöksgrupp så att varje möjlig ED skift representeras (dvs ljus till lukt, ljus textur, lukt ljus, lukt struktur, textur till ljus, textur till lukt) . Kombinationerna av förebilder är alltför många för att möjliggöra fullständig motvikten; Därför, för att minska frihetsgrader, alltid använda exemplar i par; exempelvis vanilj stimulans med lavendel etc. (se tabell 1).
Obs: Ett annat villkor för att mäta uppmärksamhets set skiftande förmåga, används både i primater 12,17 och gnagare 13, är "två dimensioner" paradigm. I detta fall är endast två perceptuella dimensioner användas i hela testet.
- För detta protokoll, använda ordningen på diskriminering och förfarandet att följa som beskrivits för "fast-in-set" protokoll fram till EDS scenen (se ett exempel i figur 2):
- För SD och de följande stegen, använda samma par av "fastnat-i-set", tills IDS2Re. Som framgår av exemplet i figur 2, använda två lukter (O1 och O2, använd O1 korrekta stimulus).
- För CD, som i "fastnar-in-set" protokoll, införa en ny dimension (till exempel ljus, L1 och L2), som är irrelevant och skulle tjäna som en confounder.
- Den CDRe är lika som in "fastnat-i-set" protokoll, alltså lämna förebilder och relevant dimension oförändrad, men har djuren lära sig att den tidigare rätt stimulans är nu felaktig (t.ex. O1).
- I IDS, använd alltid nya par av stimuli för båda dimensionerna (O3 och O4, L3 och L4, där O3 är rätt stimulans).
- För IDSRe har mössen utföra återföring av IDS. Välj korrekt exemplaren som är en som var felaktig under IDS (t.ex. O4).
- För IDS2, införa nya par av stimuli för båda dimensionerna (O5 och O6, L5 och L6).
- Liksom i de tidigare återföring steg, i IDS2Re, har djuren lära sig att den tidigare rätt stimulans är nu felaktig (t.ex. O5).
- För "två dimensioner" protokoll, EDS, mössen måste välja rätt svar efter den tidigare irrelevant dimensionen blir nu den aktuella dimensionen. Således är ljus ny relevant dimension, which visar det korrekta svaret. I synnerhet är rött ljus (L7) det korrekta svaret. Omvänt är det tidigare relevanta dimensionen (i exemplet, lukt) nu den irrelevanta en.
- Efter EDS, för återföring (EDSRe), använder samma villkor som i CDRe. Den relevanta dimensionen är densamma som i EDS men korrekta och felaktiga exemplar inverteras. Sålunda kan exempelvis, är grönt ljus (L8) nu det korrekta svaret.
6. Dataanalys
- Mät prestanda genom: antal försök att nå kriteriet; tid för att nå kriteriet (i minuter); tiden från presentation av stimuli till en nos-säcken svar (latens att svara).
- För statistisk analys använder ANOVA med de olika stadierna (SD, CD, CDRe, IDS, IDSRe, IDS2, IDSRe2, EDS, och EDSRe) som inom individer faktor för att undersöka antalet försök som krävs för att nå de kriterier, timing behövs för att slutföra varje scen och latensen att svara. Lurakanal post-hoc-analyser med hjälp av Newman-Keuls test. Obs: Den accepterade värdet för signifikans är p <0,05.
Representative Results
Figur 2 visar ett exempel på ID / ED uppgift. Par av stimuli (antingen "diskriminering 1 'eller' Diskriminering 2) slumpmässigt presenteras i varje steg, och musen måste välja rätt stimulans i varje par. I det här exemplet tabellen är rätt exemplar redovisas i fetstil. I det första steget (SD eller enkel diskriminering), de stimuli som presenteras i de två näsa-peta hål skilde sig i ett av tre dimensioner (t.ex. O1: Vanilla vs. O2: Lavender) och musen belönas för att välja rätt exemplar (t.ex. O1). När ämnet når kriterium i detta skede, nästa steg (CD eller förening diskriminering) börjar, där samma exemplar av den aktuella dimensionen presenteras överlagrade på måfå genom förebilder av en sekund, men irrelevant dimension infördes som en confounding faktor ( t.ex. L1. blått ljus vs.L2: gult ljus). Två olika diskriminering är möjligt i detta skede (either "Diskriminering 1 'eller' Diskriminering 2). I nästa steg (CDRe eller förening diskriminering återföring), är belöning oförutsedda omvända men förebilder och relevant mått är oförändrade: musen har att lära sig att den tidigare rätt stimulans är nu felaktig (t.ex. är lavendel lukt nu belönas). I nästa steg (IDS eller intra-dimensionell skift), nya exemplar (både lukt och ljus) införs men relevant dimension (lukt i det här exemplet) förblir densamma (t.ex., är jordgubbar rätt val). I nästa steg (IDR eller intra-dimensionell omkastning), är belöning oförutsedda omvända. Efter en andra intra-dimensionell shift (IDS2 och dess reversering), är nya exemplar införts för att testa extra-dimensionella shift (EDS), i vilken den aktuella dimensionen ändras. I "fastnat-i-set" EDS har musen för att fokusera på den nya dimensionen (t.ex. Texture, T1: grovt sandpapper vs. T2: fine sandpaper), medan den tidigare relevant dimension (i detta fall, lukt) är nu irrelevant dimension. I "två dimensioner" EDS, är den tidigare irrelevant dimension (i detta fall, ljus) nu aktuella dimensionen. I slutskedet (EDSRe eller extra-dimensionell omkastning), är belöning oförutsedda omvända.
För att få tillförlitliga resultat, stimulans dimensioner som används i arbetet bör lika väl lärt sig. Som visas i figur 3, visuell, taktil och lukt diskriminering i denna roman apparat krävs liknande tid (F (2,64) = 0,36; p = 0,69) och lika många studier (F (2,64) = 0,059; p = 0,94) för att nå kriteriet, vilket tyder på att djuren har möjlighet att utföra enkla diskriminering oavsett dimensionen presenteras.
Om en tillförlitlig uppmärksamhets uppsättning har utvecklats under testfaserna uppgiften, pULLGÖRANDE av en normal vildtyp mus bör vara sämre i EDS skede jämfört med tidigare och följande etapper, som rapporterats i tidigare studier på gnagare och primater 12,13. Framför allt bör finnas en robust ökning av tid och försök som krävs för att nå kriterier i EDS jämfört med IDS etapper. Såsom visas i figur 4, i vårt experiment med "fast-in-set" protokoll, analys av prestanda hos möss visade en diskrimineringseffekt för antalet försök (F (8168) = 9,23; p <0,0001) och tid ( F (8168) = 8,62, p <0,0001) som krävs för att nå kriterier. I själva verket, möss behövs fler studier och mer tid att lösa EDS scenen jämfört med CD, IDS, IDS2 och EDSRe steg (p <0,05; Figur 4A-B). På samma sätt, analys av prestanda testas med "två dimensioner" protokoll (Figur 5) visade en signifikant diskriminering effekt för antalet försök (F (8,72) = 30,66; p <0,005) och tid (F (8,72) = 4,65; p <0,0005) behövs för att nå kriterier. I själva verket, visar vi att möss som krävs fler studier (p <0,05) och mer tid (p <0,05) för att lösa EDS jämfört med CD, IDS, IDS2 och EDSRe (Figur 5A-B). Inga skillnader i skiftande förmåga bör observeras mellan möss som testats med olika dimensioner.
I en normal vildtyp mus, lärande den första återföring (dvs., CDRe) är svårare än den initiala diskriminering (ex CD-skiva). I samförstånd, som framgår av figurerna 4 och 5, möss behövs fler studier (p <0,05; Figur 4-5a) och mer tid (p <0,05, Figur 4-5B) för att slutföra det här skedet. Dessutom bör återföring prestanda förbättras från CDRe till IDSRe till IDS2Re, som vi visar i vårt experiment med både "fastnat-i-set" och "två-dimension" protokoll. Dessa Results ytterligare stärka bevisen för bildandet av en uppmärksamhets uppsättning genom uppgiften.
Under hela uppdraget bör mössen förbättra sin hastighet för att svara under påföljande etapper. Följaktligen analysen av latensen att svara visade en signifikant diskriminering effekt (F (8200) = 42,59, p <0,0001). I synnerhet, såsom visas genom representativa resultat i figur 4C latensen att peta i IDS2 steget minskas jämfört med den i de IDS, CD och SD steg (p <0,0005). Dessutom, för att latensen svara ökade under EDS stadium jämfört med föregående IDS2 och IDS2Re och successiva EDSRe steg (p <0,05). I linje med dessa resultat, att analysen av fördröjningen svara under "två dimensioner" uppgift visade också en signifikant effekt av diskriminering (F (7,63) = 9,98; p <0,0005). Såsom visas i fig 5C, till latens göra ett val wsom ökade under EDS jämfört med föregående IDS2 och IDS2Re och successiva EDSRe (p <0,05). Eftersom latensen att svara har ansetts vara ett index på beslutsbearbetning 18, tyder dessa resultat ytterligare att mössen stött på en del problem bearbeta den nya urskiljande regeln under EDS. Baserat på den beteende prestanda hos vildtypsmöss (Fig 4-5) och fastställt att den minimalt antal provstorlek (med R effektanalys) för varje experimentgrupp bör vara åtta.
Figur 3. Enkla diskriminering av ljus, lukt och konsistens är likvärdiga. (A) Antal försök och (B) tid som krävs för att nå kriteriet på enkla diskriminering med bara ljus, lukt eller konsistens stimuli. Värden representerar medelvärde ± SEM hela figurerna 2-4. Data orimarginellt publicerats i "Den ultimata Intra- och extradimensional uppmärksamhets Set-Shifting uppgift för möss" 19.
Figur 4. Wild-typ C57BL6J hanmöss prestation i "fastnar-in-set" ID / ED Operon uppgift. (A) försök, (B) tid (i minuter) och dagar som behövs för att nå kriteriet i de olika stadierna av ID / ED Operon uppgift med hjälp av en "fast-in-set" ID / ED paradigm. (C) Tid (i sekunder) förflutit mellan öppnandet av delar dörr och en näsa-säcken svar (latens att svara) under de olika stegen i uppgiften. Totalt 26 möss testades; 4 möss uteslöts eftersom de inte var tillförlitligt peta att hämta maten förstärkning under utbildning eller inte kunde avsluta entire förfarande. A: * p <0,05 jämfört med CD, IDS, IDS2, IDS2Re och EDSRe; B: * p <0,05 jämfört med CD, IDS2, IDS2Re och EDSRe. A och B: #p <0,05, ## p <0,005 kontra CD, IDSRe och IDS2Re. C: * p <0,05 kontra IDS2, IDS2Re och EDSRe. Observera att mössen kunde slutföra hela uppgiften i 5-9 dagar i alla experiment som rapporteras i figurerna 3-4. Data publicerades ursprungligen i "Den ultimata Intra- och extradimensional uppmärksamhets Set-Shifting uppgift för möss" 19. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5. Wild-typ C57BL6J hanmöss prestation i "två dimensioner" ID / EDOperon uppgift. (A) försök, (B) tid (i minuter) och dagar som behövs för att nå kriteriet i de olika stadierna av ID / ED Operon uppgift med hjälp av en tvådimensionell paradigm. (C) Tid (i sekunder) förflutit mellan öppnandet av delar dörr och en näsa-säcken svar (latens att svara) under de olika stegen i uppgiften. Sammanlagt 13 möss testades; 3 möss uteslöts eftersom de inte var tillförlitligt peta att hämta maten förstärkning under utbildning eller inte kunde avsluta hela förfarandet. A och B: #p <0,05 jämfört med CD och IDS2Re, * p <0,05 jämfört med CD, IDS, IDS2, EDSRe. C: * p <0,05 kontra IDS2, IDS2Re och EDSRe. Data publicerades ursprungligen i "Den ultimata Intra- och extradimensional uppmärksamhets Set-Shifting uppgift för möss" 19. Klicka här för attse en större version av denna siffra.
Figur 6. Tidslinje av hela proceduren av protokollet för att testa ID / ED uppgift.
| Etapp | Beskrivning | Ytterligare anmärkningar | Referenser |
| Enkel diskriminering (SD) | |||
| Förening Diskriminering (CD) | Stimuli varierar i två perceptuella dimensioner, såsom färg och form för visuella stimuli i den mänskliga uppgift, eller mellan struktur och lukt stimuli för gnagare | ||
| Återföring lärande (CDRe - IDSRe - IDS2Re - EDSRe) | Två exemplars inom en perceptuell dimension har sina förstärkningsoförutsedda vändas så att det var tidigare rätt är då felaktig och vice versa) | I serie återföring lärande, förbättrar prestanda med varandra inom-set återföringar. Sålunda återföring steg (dvs.., CDRe, IDSRe, IDS2Re) inte endast bedöma funktion av olika kortikala områden, men också tjäna en) för att bilda kognitiv uppmärksamhets uppsättningen utmanas av EDS scenen, och 2) för att förhindra vidskeplig konditionering till oavsiktlig aspekter av stimulans | - Skador av orbitofrontal cortex hos möss (Bissonette et al, 2008). Och monkyes försämrad Återföring lärande (Dias et al, 1996). - FMRI under prestanda på Återföring lärande visade aktivering av orbitofrontal cortex (Hampshire och Owen, 2006) |
| Intradimensional shift (IDS - IDS2) | Novel exemp införs, men samma dimension förstärks | IDS stadier sErve som en avgörande intern kontroll (dvs., bör EDS vara svårare än IDS), samt bidra till att forma den kognitiva-attentional set | Dopaminbrist i PFC nedsatt uppmärksamhets set bildning (Robbins och Roberts, 2007). 6-OHDA skadade apor visade inte den klassiska minskningen minskningen av fel från den första (IDS1) till den sista (IDS5) diskriminering, som bör återspegla förvärvet av en uppmärksamhets set |
| Extradimensional shift (EDS) | "fastnat-i-set" protokoll: tidigare irrelevant stimulans dimension ersätts av en ny stimulans dimension som omedelbart blir relevant | misslyckande att flytta till den nya relevanta dimension kan inte tillskrivas någon reell kompetens om denna dimension, eftersom det inte tidigare hade upplevt. Fel, speglar därför persevera till den tidigare relevant dimension | - Skador av mPFC have varit visa att försämra EDS hos möss (Bissonette et al., 2008), och mokeys (Dias et al., 1996) - Frontalloben patienter försämras i fastnat-i-set "persevera" fall, men inte i "två dimensioner" tillstånd (. Owen et al, 1993) (Tunbridge et al, 2004.) Och råttor, dopamin i mPFC modul EDS prestanda hos möss - (Scheggia et al, 2014 Papaleo et al, 2008..) |
| "två dimensioner" protokoll: den tidigare irrelevant dimensionen förstärks | en uppenbar underlåtenhet att flytta uppmärksamhets set kan uppstå när en patient kan skifta uppmärksamheten bort från en tidigare relevant dimension (när det blir irrelevant), men är ändå inte att rikta uppmärksamheten på den nyligen aktuella dimensionen | - Lesion av mPFC hos råttor (Birrell och Brown, 2000) nedsatt EDS shift - FMRI under prestanda på EDS har visats aktivering av ventro-lateral PFC (Hampshire och Owen, 2006)60; |
Tabell 2: Stages of ID / ED O peron uppgift Beskrivning av stegen för uppgiften, inklusive hänvisningar till skada och farmakologiska studier som behandlar den roll som områden i hjärnan som är involverade i de olika testade under uppgiften konstruktioner..
Discussion
I denna studie presenterar vi en ny automatiserad två kammare ID / ED "Operon" uppgift för möss som kan tillförlitligt mäta kognitiv flexibilitet genom återföring lärande, uppmärksamhets set bildning och växling. Detta paradigm är analogt med WCST och ID / ED uppgifter som vanligen används i humana och icke-humana primater och övervinner de stora begränsningarna i tidigare versioner för gnagare. Denna Operon paradigm kan användas som ett nytt effektivt verktyg för stora läkemedel och / eller genetiska filmvisningar är relevanta för kognitiva (dys) funktioner i möss med hög relevans för translationell medicin.
Denna automatiska uppgift har följande fördelar jämfört med tidigare använt ID / ED uppgift för gnagare: (1) det har mindre arbetsintensiva förfaranden än de manuella versionerna (t ex programvaran reglerar alla faser av uppgiften, kraftigt minskande interventioner från. experimentator); (2) den eliminerar någon källa av subjektivitet i den uppmätta Paramerar (t.ex. är försöksledaren krävs inte att bedöma om eller inte djuret verkligen har gjort ett val svar); (3) den eliminerar alla möjligheter att möss kan följa armeringsrelaterade ledtrådar för att lämna ett svar (dvs belöningen är alltid automatiskt levereras i mitten tidningen); (4) den undviker godtyckliga miljöförhållanden (t ex användning av labyrinter och apparater av olika storlekar / material, användning av manuellt framställda cue stimuli); (5) det tillåter manipulation av tre olika dimensioner med ett stort utbud av olika stimuli, i enlighet med motsvarande mänskliga uppgifter som används i klinisk miljö. Här presenterar vi uppgifter endast från möss, men liknande fördelar kan förväntas även för råttor.
Det finns viktiga steg i uppgiften, som är interna konstruktion-giltighets parametrar som kan användas för att identifiera areliable uppmärksamhets set skiftande prestanda: i) sämre prestanda i EDS Compared tidigare stadier ii) en allmän förbättring från IDS till IDS2; iii) en särskild förbättring av återföring steg i följd, som mer ett djur tränas in inom fastställda återför, desto bättre ska utföra vid efterföljande inom-set återföringar 20; iv) bättre prestanda i EDSRe jämfört med EDS. Denna nya ID / ED operon uppgiften uppvisar alla dessa funktioner, som överensstämmer med tidigare studier i primater med hjälp av Cantab ID / ED uppgifter och gnagare som använder handboken "gräva" version 12,13. Dessutom har varje steg i detta automatisk uppgift lärt sig i ett motsvarande antal rättegångar oberoende av den relevanta / irrelevanta dimension används (dvs, lukt, konsistens och lätt) 19. Detta visade att alla de stimuli som används har liknande framträdande och är lämpliga för uppmärksamhets uppsättning-bildning och / eller förskjutning. Våra experiment visar att det är svårt att lösa EDS också understryks av den ökade svars latenser. Handläggningstidenökningar för att bibehålla optimal noggrannhet under hårdare diskriminering 21. Således, med tanke på latensen att svara som ett index för hastighet informationsbehandling, beslutsfattande och problemlösning 18, de långsammare latenser under EDS kan återspegla en strategi för att möta svårigheten att lösa set-växling.
Vi har visat att vår nya anordningen kan användas effektivt med mer "klassiska" uppmärksamhets set skiftande paradigm som använder endast två dimensioner under hela testet (dvs två dimensioner) eller med en fast-in-set paradigm, vilket innebär användning av tre dimensioner. Beroende på den kognitiva domän av intresse, är det möjligt att välja den mest lämpliga protokoll. Båda dessa paradigm har tidigare använts i människor, primater och gnagare 7,12-17. Men kan skilja mellan olika delar av set-växling och är am fastnat-in-set förfarandemalm selektiv åtgärd av frontalloben funktion i humanpatienter 7,22. Dessutom, ett problem som kan uppstå i de två dimensioner paradigm är de lärde irrelevans som kanske partiskhet resultaten. Lärt irrelevans persevera hänvisar till oförmågan att sköta och ta reda på information som tidigare irrelevant 7. Denna situation kan uppstå i EDS fasen av två dimensioner paradigm, eftersom ämnet är skyldig att flytta uppmärksamheten mot den irrelevanta dimension. I det här fallet, är det i princip omöjligt att urskilja om en EDS underskott beror på oförmåga att flytta uppmärksamheten bort från en tidigare relevant dimension och / eller oförmåga att nu flytta uppmärksamheten till en tidigare irrelevant dimension. Nedskrivning kan då bara återspeglar den aktiva hämning av att svara på en dimension som tidigare gjort irrelevant genom sin slumpmässig association med förstärkande feedback. Däremot i den fast-i-set consättning, underlåtenhet att övergå till den nya, relevanta dimension kan inte tillskrivas någon reell kompetens om denna dimension eftersom det inte hade upplevt tidigare. Fel, speglar därför persevera till den tidigare relevant dimension. Sammanfattningsvis, även om det i normala vildtyp möss "fastnat-in-set" och "två dimensioner" uppmärksamhets set-shifting paradigm kan ge liknande resultat, vi uttryckligen föredrar fast-in-set persevera av de skäl som diskuteras ovan.
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).
