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Behavior

Formação Abordagem Condicionada pavloviano em Ratos

doi: 10.3791/53580 Published: February 4, 2016

Abstract

Pistas que são contingentemente emparelhado com incondicionados, estímulos gratificantes pode adquirir-se propriedades de recompensa por meio de um processo conhecido como a atribuição de relevância de incentivo, ou a transformação de estímulos neutros em atraente, "queria" estímulos capazes de motivar comportamento. Abordagem condicionado de Pavlov (PCA) desenvolve-se após a apresentação independente de resposta de um estímulo condicionado (CS; por exemplo, uma alavanca) que prevê a administração de um estímulo não condicionado (US, por exemplo, uma pastilha de comida) e pode ser utilizado para medir incentivo saliência durante a formação, três padrões. respostas da condicionado (CRS) pode desenvolver:. comportamento de rastreamento de sinal (CS-dirigido CR), o comportamento de rastreamento de meta (US-dirigido CR), e uma resposta intermediária (ambos CRs) Registe-trackers atribuir incentivos relevância para recompensar-relacionada pistas e são mais vulneráveis ​​a reintegração induzida por sugestão de drogas que procuram, bem como outros comportamentos relacionados com a dependência, tornando PCA um poteprocedimento entially valiosa para estudar a vulnerabilidade vício. Aqui, descrevemos os materiais e métodos utilizados para provocar um comportamento PCA de ratos, bem como analisar e interpretar o comportamento PCA em experiências individuais.

Introduction

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A transição do uso de drogas ao vício envolve interações complexas entre 1,2 aprendizagem pavloviano e instrumental. Durante consumo de drogas e drogas de procura de comportamentos, ações e resultados são aprendidas através de processos instrumentais; no entanto, as relações entre estímulos (por exemplo, sugestões relacionadas com a droga) e recompensas também são aprendidas através de processos de Pavlov. Pistas de Pavlov adquirir valor preditivo, mas eles também podem adquirir incentivo valor motivacional 3, em que eles se tornam atraente, desejável, e capaz de promover e manter o comportamento recompensa-seeking 4.

Muitos procedimentos que investigam recompensa aprendizagem em animais, no entanto, não permitir a disentanglement de preditivo em relação a aprendizagem motivacional incentivo. Em procedimentos de auto-administração de drogas, por exemplo, ambas as contingências instrumentais e pavlovianas são normalmente empregadas, de tal forma que os ratos aprendem a executar uma ação (por exemplo, nariz-poking, pressionando-alavanca, etc), a fim de receber um resultado (isto é, infusão intravenosa de drogas). O resultado gratificante também está emparelhado com estímulos de Pavlov (por exemplo, a iluminação de um porto nariz puxão, apresentação luz de sinalização, o som da bomba de infusão, sensação interoceptiva de fornecimento de fluido para a corrente sanguínea, etc.). Nem sempre é claro nestes procedimentos se pistas estão apoiando ações dirigidas a objetivos simplesmente por causa de sua relação preditiva com a recompensa, ou se sinais adquiriram propriedades motivacionais de incentivo da sua própria.

Para isolar experimentalmente o valor motivacional incentivo do valor preditivo de estímulos de Pavlov, nosso laboratório usa um procedimento pavloviano abordagem condicionado (PCA), a fim de identificar os ratos que atribuem incentivos relevância para recompensar-relacionados pistas. Durante uma sessão de treinamento, um estímulo condicionado (CS; por exemplo, uma alavanca) resposta de forma independente prevê a Delivery de um estímulo não condicionado (US, por exemplo, uma pastilha de alimento). Ao longo de várias sessões de treino, três fenótipos desenvolver: Sinal de rastreamento (resposta condicionada CS-dirigido [CR]), a meta-tracking (CR US-dirigido), e uma resposta intermediária (ambos CRs). Para meta-trackers (GTs), o CS é utilizado como um preditor de entrega de recompensa; No entanto, para sign-trackers (STs), o CS é atribuído com saliência incentivo, tornando-se atraente e desejável. Nesta revisão, descrevemos o equipamento, instalação e processamento de dados necessários para realizar um procedimento de PCA. Além disso, nós fornecemos resultados representativos de treinamento PCA, traçar considerações experimentais importantes, e discutir a utilidade putativa de procedimentos PCA em investigar a dependência e outros transtornos neuropsiquiátricos.

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Protocol

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Todos os procedimentos foram aprovados pelo Comitê da Universidade sobre o Uso e tratamento dos animais (UCUCA; Universidade de Michigan, Ann Arbor, MI).

1. Equipamentos e Software

  1. Obter câmaras operativas comerciais e dispositivos. Veja a Tabela de Materiais.
  2. Realizar treinamento em ratos câmaras de condicionamento operante (largura 24,1 cm × 20,5 cm de profundidade x 29,2 cm de altura), situada em armários de atenuação de som com ventiladores para fornecer o ruído ambiente.
  3. Equipar cada câmara, com uma revista pelete (receptáculo), localizado centralmente na 21.6 cm de largura da parede frontal da câmara de operante 3 cm acima do chão de grelha de aço inoxidável. Certifique-se de que a revista pellet contém um sensor infravermelho que é capaz de detectar as entradas de cabeça para dentro do dispositivo.
  4. Ligue a revista pellet a um distribuidor da pelota, que oferece pelotas de alimentos com sabor de bananas (45 mg).
  5. De uma forma contrabalançada, posição um retrátil leVer (CS) de aproximadamente 2,5 cm de cada lado do recipiente de ressuspensão (esquerda ou direita) 3 cm acima do chão de grelha de aço inoxidável.
  6. Certifique-se de que a alavanca contém uma luz de sinalização LED dentro dele para fazer a alavanca estendida visualmente mais evidente.
  7. Se usando uma alavanca retráctil, calibrar a alavanca, colocando um peso de calibração 10 g na parte superior da alavanca, e depois ajustando o parafuso de calibração (localizado na parte superior do dispositivo) com uma chave de porca sextavada até que o peso por si só, é capaz de deprimir a alavanca.
  8. Equipar uma casa de luz vermelha no topo da câmara na parede oposta do recipiente revista.
    Nota: Uma casa de luz vermelha é utilizado para aumentar a perceptibilidade da alavanca iluminado.

2. Formação PCA

  1. -House par adulto ratos Sprague Dawley (250-300 g) no momento da chegada e deixá-los sem ser perturbado por pelo menos dois dias na colônia de habitação, que é mantido em um 12 hr ciclo claro / escuro.
  2. Gentilmente lidar com EACH rato durante pelo menos 1 min por dia durante dois dias, a fim de se aclimatar os ratos ao contacto humano. Fornecer ratos acesso ad libitum a comida e água na colônia habitacional.
  3. Conhecimento ratos com as pelotas de alimentos com sabor de bananas, colocando pelotas do alimento nas suas gaiolas (aproximadamente 15 pelotas por rato) por dois dias, começando três dias antes do treino PCA.
    Nota: Se os ratos são alojados em pares, que é útil para dividir os peletes uniformemente sobre os dois lados da gaiola de origem.
  4. Programa pré-treinamento
    Nota: Toda a nossa programação é realizada utilizando MEDState Notation (para Med Associates, software), eo manual está disponível online (mednr.com/pdf/doc003_MedPCProgramr.pdf). Programas são escritos como documentos de texto sem formatação (por exemplo, ASCII ou texto DOS) usando MedState notação, salvo com a extensão adequada (ou seja, [nome do arquivo] .mpc), então traduzido usando o programa MED-PC, Trans IV. Todos estes passos são fornecidos em maior detalhe na acima referida prógramação manual.
    1. Criar um programa de pré-treinamento que oferece cinqüenta pelotas do alimento em um tempo variável (VT) de programação 30 seg 5 min após o início do programa (ou seja, um pellet comida é entregue em média a cada 30 segundos, mas a entrega real varia aleatoriamente entre 0- 60 seg).
    2. Escreva o programa pré-treinamento de tal forma que a casa da luz vermelha está acesa, mas a alavanca permanece retraída para a duração do programa (cerca de 25 min).
    3. Realizar pré-treinamento e toda a experimentação subsequente durante o ciclo de luz.
    4. Um dia antes do treino PCA, coloque cada rato em uma câmara operante, feche e tranque a porta da câmara, e fechar a porta do armário de atenuação do som.
    5. Inicie o programa de pré-treinamento o mais rapidamente possível após a colocação de cada rato, na sua câmara.
    6. Remover cada rato da sua câmara tão rapidamente quanto possível após o programa termina.
    7. Registe o número de pelotas consumidas e excluir os ratos que não consumir todo opelotas de novos testes.
  5. Criar um programa de formação de APC que proporciona 25 ensaios em aproximadamente 40 minutos, começando 1 min após o início do programa.
    1. Escrever o programa para que, durante cada ensaio a alavanca é estendido para a câmara e iluminada por 8 s.
    2. Programa retração alavanca para ser imediatamente seguido pela entrega independente de resposta de um pellet de alimentos para a revista pellet.
    3. Separe cada teste em uma programação sec VT 90 (ie, extensão da alavanca e subsequente entrega pellet alimentos ocorre em média a cada 90 segundos, mas a entrega real varia aleatoriamente entre 30-150 seg).
    4. Coloque cada rato numa câmara de condicionamento, feche e tranque a porta da câmara, e fechar a porta do armário de atenuação do som.
    5. Inicie o programa de formação APC tão rapidamente quanto possível após a colocação de cada rato, na sua câmara.
    6. Remover cada rato da sua câmara tão rapidamente quanto possível após o programa termina.
    7. Eratos xclude que não consomem todas as pelotas de mais testes.

3. Processamento de Dados

  1. Transferir informações de saída para uma folha de cálculo (por exemplo, um documento de planilha).
  2. Criar um perfil que extrai informações de identificação (número de registro assunto, data de início, hora de início e número de caixa), bem como informações de saída (número e latência de prensas de alavanca e entradas de revistas).
    Nota: Nas experiências, as entradas do compartimento não-CS também são extraídas pelo perfil. Definir entradas de revistas não-CS como entradas para a revista que ocorrem fora do período sec CS 8 e durante o (ou seja, 60-120 seg) período VT 90 segundos durante o qual a alavanca não é estendido.
  3. Além disso processar os dados, nivelando as apertar a alavanca e revistas latências entrada em 8 segundos (ou seja, a duração da apresentação CS). Isto pode ser conseguido por meio de folha de cálculo da função IF: IF (X> 8,8, X).
  4. calcular a pontuação depara viés de resposta (ou seja, o número total de pressões da alavanca e entradas de revista para uma sessão; [alavanca prensas - entradas revista] / [pressões da alavanca + entradas de revista]), pontuação de latência (ou seja, a latência média para executar uma imprensa alavanca ou entrada de revista durante uma sessão; [latência entrada revista - alavanca de imprensa latência] / 8), ea diferença de probabilidade (ou seja, a proporção de pressões da alavanca ou entradas de revista; [alavanca de imprensa probabilidade - revista entrada probabilidade]) 5.
    Nota: Com estas fórmulas, todas as pontuações deve variar entre 1,0 e -1,0.
  5. Calcule a pontuação do índice PCA para cada rato pela média de seu viés de resposta, pontuação de latência, e a diferença de probabilidade dentro de cada sessão individual.
    Nota: A pontuação do índice PCA deve variar entre 1,0 e -1,0.

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Representative Results

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Verificou-se que 5-7 sessões diárias de formação PCA é suficiente para ratos fenótipo por STS, GT, e respondedores intermédios (IRS), embora os ratos podem ser formados ainda com base nas necessidades de um laboratório particular ou experiência. Fenotipagem é baseado nos resultados de índice PCA, que são calculados pela média do viés de resposta, a pontuação de latência, ea diferença probabilidade de sessões individuais como anteriormente descrito no protocolo. Fenótipos são determinados pela média das pontuações do índice PCA das duas últimas sessões de treino PCA (ie, Sessões 4 e 5, se houver um total de cinco sessões de treinamento PCA). O comportamento escores do índice PCA de 1,0 (sinal de rastreamento absoluto) para -1.0 (meta-tracking absoluto), com 0 representando nenhuma polarização (resposta intermediária absoluto). Porque a tendência de signo-vs. meta-track varia ao longo de um continuum, cut-offs são necessários para identificar fenótipos, e nosso laboratório geralmente usa PCA índice SCORe pontos de corte de -0,5 e 0,5. Em outras palavras, a STS tem PCA pontuações do Índice ≥0.5, IRs têm pontuações índice PCA entre -0,5 e 0,5, e GTs têm PCA pontuações do Índice ≤-0.5. Com base nas necessidades da experiência individual, no entanto, diferentes PCA pontuação do índice de cut-off pode ser utilizado. A Figura 1 mostra uma progressão típica do número, a latência, e probabilidade de pressões da alavanca e as entradas do compartimento ao longo das sessões de treino de PCA em três fenótipos . A Figura 2 mostra as distribuições típicas de pontuação do índice PCA (média entre sessões 4 e 5) e índice médio de PCA em todo sessões de treinamento PCA após ratos foram fenotipada. Como pode ser visto em ambas as figuras, o comportamento APC estabiliza entre sessões 4-5.

Além destes dados, as entradas do compartimento não-CS (isto é, entradas de revistas realizadas durante os intervalos de inter-ensaio em que a alavanca está recolhida) podem também ser analisados. Estes dados podem ser parteicularly úteis para determinar se uma manipulação afeta totais condicionada responder (não apenas condicionado de responder durante o período CS) ou altera o calendário de condicionado a responder. Análises adicionais, tais como latência de recuperação de pelete (ou seja, o tempo para entrar no compartimento e recuperar o sedimento após o período de CS) ou omissões (isto é, não exerça qualquer CR durante o período CS) pode também ser calculado com base nas necessidades do indivíduo experimentos.

figura 1
Figura 1. Número, latência e probabilidade de pressões da alavanca e revistas entradas em cinco sessões diárias de abordagem condicionada formação pavloviano (PCA) em sign-trackers (STs), respondedores intermediários (IRS), e meta-trackers (GTS). Em neste experimento, os ratos Sprague Dawley (n = 48; 275-300 g à chegada) foram ordenados a partir de Harlan Laboratories (Barreira 206) e Charles River (Barreiras C72, R04 e R09). Dados apresentados como média ± SEM Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2
Figura 2. (A) A distribuição dos escores do índice de Pavlov abordagem condicionado (PCA) na média entre as duas sessões de treino PCA finais. As pontuações são calculados para cada sessão pela média o viés do número, latência e probabilidade de pressões da alavanca e entradas de revistas em todos os ensaios dentro de uma sessão individual. (B) marca índice PCA (média das duas últimas sessões de treinamento PCA) são usados ​​para fenótipo sign-trackers (STs), intermediários (IRS), e meta-trackers (GTS). A média de pontuação do índice PCA de Sessões 4 e 5 são usados ​​para classificar ratos por STS (pontuação≥0.5), IRs (-0,5 <score <0,5), ou GTs (pontuação ≤-0.5). Dados apresentados como média ± SEM Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

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formação PCA pode ser usado para determinar a variação individual na tendência de atribuir incentivos relevância aos estímulos condicionados, que tem sido argumentado ser um componente importante de vulnerabilidade vício. Por exemplo, ele já havia sido demonstrado que STs atribuir incentivos relevância para ambos os alimentos e medicamentos pistas 6, e ambos géneros e sugestões relacionadas com as drogas ativam regiões cerebrais semelhantes dentro de um circuito amígdalo-estriato-tálamo na STS-7. Além disso, a STS são mais impulsivos 8, vulnerável a reintegração induzida por sugestão do comportamento droga-seeking 7,9, e procurar pistas relacionadas com a droga apesar das conseqüências adversas 10.

Ao executar um processo de APC, a selecção de ratos representa um passo crítico na optimização diversidade fenotípica. Por exemplo, há diferenças marcantes na aquisição de comportamento PCA em linhagens puras de ratos (por exemplo, Lewis e Fischer F344) 11. Mesmo em UOstocks tbred (por exemplo, Sprague Dawley), existe uma considerável heterogeneidade na aquisição de comportamento PCA entre fornecedores (por exemplo, Harlan Laboratories contra Charles River) e as instalações individuais onde os ratos são criados (ou seja, Charles River R04 e instalações R09 em Raleigh, NC) 12. Para aumentar a diversidade fenotípica, ratos Sprague-Dawley podem ser encomendados a partir de vários fornecedores e barreiras, desde que a fonte exacta de cada rato é cuidadosamente documentado. A idade e o sexo dos ratos, também deve ser considerado. Por exemplo, os adultos (em comparação com adolescentes) e mulheres (em comparação aos homens) tendem a expressar mais o comportamento 13,14 sinal de rastreamento.

É importante notar que as condições de alojamento e os parâmetros de condicionamento pode limitar a capacidade de este procedimento para se obter o nível desejado de diversidade fenotípica durante a aquisição de comportamento APC. No que diz respeito a condições de habitação, privação de alimento e alt isolamento socialer a aquisição de comportamento APC, que também depende da idade do rato 15. Se privação de alimento é necessária (por exemplo, para o condicionamento operante subsequente), deve ser realizada a seguir à formação do APC. Além disso, enriquecimento ambiental reduz assinar de rastreamento de comportamento e deve ser levado em consideração quando executar procedimentos PCA 16.

parâmetros condicionado também afetam a aquisição de comportamento PCA, e nós cuidadosamente adaptados cada parâmetro de nossas sessões para promover distribuições iguais dos Santos, irs, e GTs. Por exemplo, a duração da apresentação CS e sua proximidade espacial com os EUA podem comportamento viés em direção do sinal ou meta-tracking, de tal forma que mais curtas apresentações CS 17 e menor CS-US distâncias 18 promover um comportamento de rastreamento de sinal. Além disso, a modalidade CS pode afectar o comportamento de aquisição de rastreamento de sinal. No exemplo, os ratos não são facilmente inscrever-track para os portos nariz puxão ou tons auditivos 21,22 dependente de dopamina, torna-se independente-23 da dopamina e que possam afectar os resultados das manipulações farmacológicas. Além disso, premiar incerteza (ie, diminuindo a probabilidade de entrega de recompensa após a apresentação CS) aumenta comportamento sinal de rastreamento, que podem interagir com a proximidade espacial do CS e US (por exemplo, preconceitos aumentando recompensa incerteza sinal de rastreamento no sentido distal, em vez de proximal CSS) 24,25. Finalmente, o intervalo inter-ensaio (isto é, o tempo entre as apresentações CS), e se ele é fixo ou variável, pode ter impacto na respondendo 26 condicionada.

APC oferece algumas vantagens distintas sobre outros testes de comportamentos relacionados com a recompensa. Por exemplo, PCA uniquely permite a medição separada da relevância de incentivo e as propriedades de previsão de pistas associadas à recompensa. comportamento APC também pode ser usado para identificar indivíduos vulneráveis ​​a certos comportamentos de dependência, como evitando o confundem experimental de exposição a drogas psicoactivas. As desvantagens do processo de APC incluem a multiplicidade de variáveis ​​acima descritas que podem afectar o comportamento de APC sujeitos experimentais. Reprodutibilidade dos resultados depende da contabilidade para estes muitas fontes de variância, alguns dos quais, como a variabilidade genética e diferenças sutis na criação de condições nas instalações de fornecedores comerciais, pode ser tudo, mas impossível para experimentadores para controlar. Além disso, as bases neurobiológicas do comportamento PCA não são bem entendidas como aquelas de outros comportamentos apetitivas amplamente estudados.

Além de investigar vulnerabilidade vício, APC também tem sido usado para explorar a variação individual de vulnerability a outros transtornos neuropsiquiátricos, como transtorno de estresse pós-traumático. Por exemplo, a STS são mais vulneráveis ​​a cued expressão medo 27 e mostrar incubação de medo cued seguinte medo prolongado condicionado 28. Portanto, os procedimentos PCA pode ser usado para modelar a variação individual no comportamento dirigido-cue que podem ter relevância para vários distúrbios neuropsiquiátricos e até mesmo comorbidades (por exemplo, apego e transtorno de estresse pós-traumático). Além disso, parece que GTs são mais vulneráveis ​​a reintegração induzida pelo contexto de 29 seguinte cocaína auto-administração em busca de cocaína e expressão medo contextual seguinte medo condicionado 27. procedimentos PCA pode ser útil para avaliar essas variações únicas na aprendizagem associativa (cued contra aprendizagem contextual), que pode melhor informar investigações sobre os substratos neurais e vias de sinalização que podem estar subjacentes vulnerabilidades separadas para diso neuropsiquiátricarders em subpopulações únicas dos indivíduos. Portanto, os procedimentos PCA são potencialmente valiosos ensaios de comportamento para investigar a atribuição de relevância incentivo, cued contra processamento contextual e variação individual na vulnerabilidade aos transtornos neuropsiquiátricos.

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
Standard Modular Operant Test Chamber with Modified Top for Rat Med Associates, Inc. ENV-008CT Top has access slot for drug delivery leashes or other harness systems; comes with ENV-008CTC (Cover Insert) for access slot
Expanded PVC Sound Attenuating Cubicle Med Associates, Inc. ENV-022V
PCI Operating Package for up to Sixteen Chambers Med Associates, Inc. MED-SYST-16 Based on the number of operant chambers, MED-SYST-8 (PCI Operating Package for up to Eight Chambers) is also available
SmartCtrl Med Associates, Inc. DIG-716P2
Universal Cable, 25′ (7.6 m) Med Associates, Inc. SG-210CB Based on individual needs, SG-210CB-50 (Universal Cable, 50′ [15.2 m]) is also available
18″ (45.7 cm) 3-Pin Mini-Molex Med Associates, Inc. SG-216A Based on individual needs, SG-216A-2 (2′ [61.0 cm] 3-Pin Mini-Molex) is also available
Power Cable, 25′ (7.6 m)  Med Associates, Inc. SG-210CP-25
Stainless Steel Grid Floor for Rat Med Associates, Inc. ENV-005 Based on preference, ENV-005A (Stainless Steel Grid Floor for Mouse) is also available 
Reusable Waste Pan Med Associates, Inc. ENV-007-P3
Filler Panel Package for Standard Modular Test Chamber Med Associates, Inc. ENV-008-FP
Modular Pellet Dispenser for Rat, 45 mg Med Associates, Inc. ENV-203M-45
Pellet Receptacle, Trough Type Med Associates, Inc. ENV-200R2M Based on preference, ENV-200R1M (Pellet Receptable, Cup Type) is also available 
Retractable Lever Med Associates, Inc. ENV-112CM Calibrated to 25 g; needs to be adjusted to 10 g before Pavlovian conditioned approach training
Retractable Lever Cue Light Med Associates, Inc. ENV-112CML
House Light for Rat Med Associates, Inc. ENV-215M
100 mA Replacement Bulbs, Pack of 10 Med Associates, Inc. SG-800R Red-colored; for use with ENV-215M (House Light for Rat)
Pellets, 45 mg, Primate Purified Diet, Banana Flavor Bio-Serv F0059 50,000/box 

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References

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Fitzpatrick, C. J., Morrow, J. D. Pavlovian Conditioned Approach Training in Rats. J. Vis. Exp. (108), e53580, doi:10.3791/53580 (2016).More

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