Summary
Denne artikel introducerer et automatiseret T-maze apparat, som vi har opfundet, og en protokol baseret på dette apparat til at analysere forsinkelse-baserede beslutninger og indsats-baserede beslutningstagning i fri bevægelige gnavere.
Abstract
Mange neurologiske og psykiatriske patienter påvise vanskeligheder og/eller underskud i beslutningsprocessen. Gnavere modeller er nyttige til at producere en dybere forståelse af de neurobiologiske årsager ligger til grund for de besluttende problemer. En cost-benefit-baseret T-maze opgave bruges til at måle beslutningstagning som gnavere vælge mellem en høj belønning arm (HRA) og en lav belønning arm (LRA). Der er to paradigmer af T-maze besluttende opgave, hvor omkostningerne er en tidsforskydning og den anden, hvor det er fysisk anstrengelse. Begge paradigmer kræver en kedelig og arbejdskrævende ledelse af forsøgsdyr, flere døre, pellet belønning og arm valg optagelser. I den nuværende arbejde, vi har opfundet et apparat, der er baseret på traditionelle T-maze med fuld automation for pellet levering, døren forvaltning og valg optagelser. Dette automatiseret installation kan bruges til vurdering af begge forsinkelse - og indsats-baserede beslutningstagning i gnavere. Med protokollen beskrevet her, undersøgt vores lab den besluttende fænotyper af flere genmodificerede mus. I de repræsentative data viste vi at mus med ablated mediale habenular viste aversioner både forsinkelse og indsats og en tendens til at vælge den umiddelbare og ubesværet belønning. Denne protokol bidrager til at mindske variabiliteten forårsaget af eksperimentatoren intervention og øge eksperiment effektivitet. I tilføjelse, kronisk silicium sonde eller mikroelektrode optagelse, kan fiber-optiske billeddannelse og/eller manipulation af neurale aktivitet let anvendes under de beslutningstagende opgave ved hjælp af konfigurationen som beskrevet her.
Introduction
Mennesker og andre dyr vurdere omkostningerne (herunder forsinkelse, indsats og risiko) for at få en belønning, og derefter gøre deres beslutning om at vælge en bestemt fremgangsmåde. Beslutningstagningen underskud vises i talrige neuropsykiatriske lidelser, herunder skizofreni (SZ), opmærksomhed underskud hyperaktivitet lidelse (ADHD), obsessiv-kompulsiv sygdom (OCD), Parkinsons sygdom (PD) og afhængighed1. Undersøgelser på mennesker og aber afslørede at flere centrale hjernen regioner er involveret i beslutningen om at gøre2,3,4. Selvom primater engagere sig i mere kompliceret beslutning makings, er gnavere blevet rapporteret til at kunne foretage adaptive beslutninger for at overleve i et miljø, hvor belønning uforudsete udgifter ændres hyppigt. Derudover kan neurale kredsløb mekanismer og molekylære mekanismer bag beslutningstagning blive grundigt undersøgt i musemodeller på grund af tilgængeligheden af chemogenetic værktøjer, optogenetic værktøjer og gensplejsede mus. Der er flere opgaver anvendes ved bedømmelsen af gnavere besluttende adfærd, herunder opgaven attentional sæt-shift, effortful eller forsinkelse-baserede T-maze opgave, Iowa gambling task, visuelle forskelsbehandling tilbageførsel læring opgave5, osv. Analoge T-maze costbenefit protokoller blev oprindeligt udviklet af Pierre gruppe6 og har været brugt til at undersøge virkningerne af to typer af beslutning omkostninger (forsinkelse og indsats) på gratis bevægelige gnavere7,8, 9,10. Den særlige fordel, at denne opgave er, at dyr ikke behøver at være uddannet til at presse løftestænger eller grave i en skål. I stedet, dyr at vælge mellem en høj belønning høje omkostninger mulighed i én arm (HRA) eller en lav belønning lave omkostninger mulighed i anden arm (LRA). Denne opgave er derfor meget lettere at udføre.
I den forsinkelse-baserede paradigme, er en krydset dør indført når det eksperimentelle dyr ind en af de mål, således at dyret er holdt i mål arm. Hvis dyret vælger LRA, mål døren på LRA er trukket straks og en lille mængde af mad er leveret. Hvis dyret vælger HRA, mål døren på HRA er trukket tilbage efter den nødvendige forsinkelse og en stor mængde af mad pellets leveres (figur 1A). I den indsats-baserede paradigme, HRA er blokeret af en barriere og dyr skal klatre over det for at opnå en stor mængde af pellets (figur 1B). Generelt, den forsinkelse-baserede paradigme er meget nyttigt at teste impulsivitet af dyremodeller og indsats-baserede sig kunne hjælp hen til regne ud apatisk dyr2,4,11,12, 13. Hitherto forskere har udøvet denne analyse af manuelt tælle tidsforsinkelsen, indsætte og hæve døre, manøvrering indsats barriere, tælle pellet antallet, placere pellets ind i position, markedsføring og returnere dyr , og registrering af dyrenes valg for hvert forsøg. Disse arbejdskraft og tid omkostninger udgør en alvorlig eksperimentelle flaskehals for forskere, hæmmer udbredt brug af denne adfærdsmæssige assay. I nuværende arbejde udviklede vi en T-maze baseret opsætning for at vurdere forsinkelse - eller indsats-baserede beslutningstagning af gnavere, med fuld automation, standardisering og høj overførselshastighed kapacitet.
Apparater
I samarbejde med en kommerciel producent (Se Tabel af materialer), udviklede vi et modificeret automatiseret T-maze apparater der anvendte programmel-baseret instrument kontrol (figur 2). Navnlig, indført vi en "bagdør" og "back måde" i forhold til den traditionelle T-maze (figur 2), således at dyrene kunne gå tilbage til start pege sig og begynde en ny retssag. T-maze er mat grå farvet, og når eksperimentet tilstand og software er indstillet korrekt, både sorte og hvide mus kan påvises. Det består af tre våben: en start arm og to mål arme, hver 410 mm i længden med V-formede vægge af 155 mm i højde, en base af 30 mm i bredden og en åben top af 155 mm i bredden. Den V-formede korridor kan effektivt forhindre mus i springning. Derudover gør den V-formede korridor det lettere at anvende i vivo optagelse med kabler. En start boks er knyttet til slutningen af start arm. Et mål boks er fastgjort til enden af hvert mål arm. En automatisk mad dispenser er installeret i hver mål for at levere et foruddefineret antal søde fødevarer pellets. Pellet indtag er opdaget af en infrarød sensor og registreres automatisk af en computer. Hvert mål boksen er forbundet med boksen start af en glat korridor. Dyr kan selvstændigt returnere til boksen via korridoren når de er færdig med en retssag. Der er skydedøre 155 mm i højden på indgang og udgang i boksene start og mål. Derudover er en skydedør beliggende ved indgangen til hvert mål arm til at forhindre dyrene i at flytte bagud efter et valg (figur 2A). Alle skydedøre kan styres af en computer og automatisk åbnet og lukket. En høj følsomhed 1/2" charge koblede enhed (CCD) monokel kameraet er indstillet over apparatet til at spore dyrenes adfærd. Brændvidden af linsen er 2,8-12 mm. Placeringen af kameraet er omkring 1,9 m høj. Da højden af labyrinten er 0,5 m fra gulvet, er afstanden mellem kameraet og labyrinten omkring 1,4 m (figur 2B). Tracking oplysninger indhentet fra CCD kamera bruges til live-kontrol T-maze, åbning og lukning af specifikke døre når dyr angiver visse regioner af interesse (ROIs). De hindringer, der anvendes for den indsats-baserede paradigme er i form af en tre-dimensionel retvinklet trekant (figur 2 c), som passer perfekt ind i de V-formede vægge, og er omkring 155 mm i højden. Dyr skal skalere den lodrette side men er i stand til at gå ned en 45° hældning. Apparatet er belyst på 100 lux under eksperimentet. Sukker pellets anvendes i forsøget (Se Tabel af materialer), og silica-gel (Se Tabel af materialer) bruges til at holde tørt, pellets.
Protocol
Alle eksperimentelle protokoller blev godkendt af Animal Care og brug udvalg af RIKEN hjernen Science Institute.
1. animalsk forberedelse
- Vælge køn, alder, genotype og farmakologiske behandlinger af eksperimentelle mus (eller rotter) afhængigt af de eksperimentelle formål.
Bemærk: Her vi vist udførelsen af fire mandlige C57B/6 mus på 2 måneder gamle. - Hus mus i et værelse, opretholdes under standardbetingelser (12 h lys/12 h mørke cyklus, lys på mellem 8:00 og 8:00 PM, 22 ± 1° C).
Bemærk: Hvis formålet er at sammenligne forskellen mellem to genotyper, gruppe 4 mus pr. bur og omfatter 2 mus af hver genotype. - Håndtere mus for 2 min/dag i 5 dage at orientere dem om menneskelig kontakt. Fodre dem med målte rationer, således at deres kropsvægt opretholdes groft omkring 80-85% af den frie fodring vægt hele eksperimentet. Give vand ad libitum.
- Habituate mus til den eksperimentelle værelse ved at overføre alle mus fra musen bolig plads til den eksperimentelle værelse 30 min før forsøget hver dag.
- Starte eksperimenter på samme tid hver dag til at undgå virkningerne af døgnrytmen på animalsk ydeevne.
2. animalske tilvænning til labyrinten
- Start tilvænning til labyrinten samtidigt med musen håndtering (2 min/dag). Holde alle døre åbne på dette stadie. Udføre tilvænning til et samlet beløb på 5 dage.
- På dag 1, scatter mad pellets i hele labyrinten.
- På dag 2 og 3, scatter pellets langs to mål våben.
- På dage sætte 4 og 5, piller kun på boksene to mål.
- Hverdagen, efter at placere pellets, placere mus i boksen start i T-maze i grupper på fire og tillade mus at udforske labyrint i 10 min.
Bemærk: Habituating mus i grupper på fire vil hjælpe dem med at lære af hinanden og fremskynde uddannelse.
3. dyrs forskelsbehandling af HRA fra LRA
Bemærk: Denne protokol omfatter både forsinkelse og indsats-baserede besluttende tests. Imidlertid afhængigt af formålet, kan forskere teste kun én af dem, eller begge dele. Kontrol software (Tabel af materiale) bruges til at automatisk kontrollere opsætningen T-maze til følgende trin. Hvis indsats-baserede beslutningstagning vil blive testet, indføre barrierer både HRA og LRA i tvungen arm indrejse fase. Derefter vil dyr trænes til både diskrimination og barriere klatring samtidigt. De sultende mus forcere aktivt barriererne og efter denne fase, alle af dem kan klatre dygtigt. Det er derfor ikke nødvendigt at starte fra en lavere barriere med denne protokol.
-
Tvungen arm indrejse fase
- Åbn vinduet parameter registrering af kontrol software og konfigurere parametre som følger (figur 3).
- Vælg indstillingen"fase". Angive "retssag" til 10, således at hvert dyr vil gå gennem 10 forsøg om dagen i 5 sammenhængende dage.
Bemærk: Man kan vælge et andet forsøg nummer i sine egne eksperimenter. - Indstil "Varighed" til 900 s så at uddannelsen af en mus pr. dag ikke vil overstiger 900 s. sæt "standard start delay time" til 3 s, således at start døren vil åbne 3 s efter at dyret er fundet i startområdet.
- Angive nummeret"pille" for HRA og LRA, så 4 pellets udleveres altid automatisk i HRA og 1 pellet er udleveret i LRA.
Bemærk: I vores eksperimenter, vi fandt, at 1:4 er den bedste forhold når 10 mg sukker pellets anvendes. Hvis vi bruger 6 til 10 pellets, musene kan ikke færdig med at spise dem alle, og der vil være udeladelse sker. - Sæt "forsinkelsestid" til 0 Sørensen, således at der bliver ingen forsinkelser for både HRA og LRA i denne fase.
- Vælg indstillingen"fase". Angive "retssag" til 10, således at hvert dyr vil gå gennem 10 forsøg om dagen i 5 sammenhængende dage.
- Åbn vinduet "ID registrering" af kontrol software. Register-ID for hver enkelte mus til software efter placeringen af HRA, enten venstre eller højre side. (Figur 4).
Bemærk: Placeringen bør afbalanceres med hensyn til genotype grupper. 50% af hver gruppe, genotype, HRA er altid til venstre og LRA er altid til højre. For de andre 50%, HRA er altid til højre og LRA er altid til venstre. - Åbne vinduet anvendelse af softwaren, Vælg "Beslutningsprocesser" fra dropdown "Opgave" liste. Indgang emne-ID, og vælg "Fase 2" fra "Fase" dropdown liste. Vælg Dagnummer rullelisten "Dag". Tryk på "OK"-knappen for at åbne vinduet eksperiment interface.
- Tryk på "GetBG" i vinduet eksperiment interface til at registrere baggrundsoplysninger af labyrinten, så dyret spores præcist uanset baggrund af miljøet. Tryk på knappen "SESSION begynder" (figur 5).
- Placere musen i boksen start og indlede træningen ved at trykke på "start" knappen på fjernbetjeningen.
- Bemærk, at start døren, én junction dør (enten venstre eller højre) vil automatisk åbne efter 3 s; når musen træder området junction, lukkes start døren automatisk.
- Konstatere, at når musen ind området forsinkelse (enten venstre eller højre side), junction døren lukkes automatisk og mål døren åbnes automatisk.
- Iagttage, at når musen tager pellet, bagdør og pre-start døren åbnes automatisk. Når musen ind i ryggen, lukke bagdøren automatisk.
- Konstatere, at når musen ind boksen, pre-start døren lukkes automatisk, og en ny retssag vil starte.
Bemærk: Inden for 10 forsøg med hver dag i denne uddannelse fase, softwaren automatisk sikrer, at hver mus besøg HRA for 5 forsøg og LRA til 5 forsøg.
- Ren labyrinten grundigt hver dag.
- Åbn vinduet parameter registrering af kontrol software og konfigurere parametre som følger (figur 3).
-
Frie arm indrejse fase
- Registrer parametre og emne-ID på samme måde som gjort i fasen tiltvinge sig adgang (trin 3.1.1 og 3.1.2). Vælg indstillingen "" fase ". Angive "retssag" til 20, således at hvert dyr vil gå gennem 20 forsøg, om dagen i 7 sammenhængende dage.
- Vælg "Fase 3" fra "Fase" dropdown listen i programvinduet. Angive andre parametre som pr trin 3.1.3.
- I vinduet eksperiment interface skal du oprette værdien af "Succesrate" som 80%, således at uddannelsen vil automatisk fortsætte indtil musen vælger HRA i 80% af forsøg, eller når musen færdig 20 forsøg pr. dag (som er registreret i parametre opsætning). Anvende andre operationer pr trin 3.1.4.
- Tillad musen til at vælge frit ene arm, enten HRA eller LRA.
- Bemærk at døren start to junction døre åbnes automatisk efter 3 s; når musen træder området junction, lukkes start døren automatisk.
- Konstatere, at når musen vælger én arm og indtaster området forsinkelse (enten venstre eller højre side), junction døren lukkes automatisk og mål døren åbnes automatisk.
- Iagttage, at når musen tager pellet, bagdør og pre-start døren åbnes automatisk. Når musen ind i ryggen, lukke bagdøren automatisk.
- Konstatere, at når musen ind boksen, pre-start døren lukkes automatisk, og en ny retssag vil starte.
4. forsinkelse-baserede beslutningstagning Test
- Registrer parametre og emne-ID på samme måde som gjort i den frie arm indrejse fase (trin 3.2.1). Angive "forsinkelsestid" til 5, 10,15 s på dag 1, dag 2 og dag 3 henholdsvis, så at der bliver 5 s forsinkelse for HRA på dag 1, 10 s forsinkelse for HRA på dag 2 og 15 s forsinkelse for HRA på dag 3.
- Vælg "Fase 4" fra "Fase" dropdown listen i programvinduet. Andre parametre er angivet i på samme måde som i 3.2.2.
- I vinduet eksperiment interface gælde alle operationer pr trin 3.2.3.
-
Tillad musen til at vælge frit ene arm, enten HRA eller LRA.
- Bemærk at døren start to junction døre åbnes automatisk efter 3 s; når musen træder området junction, lukkes start døren automatisk.
- Iagttage, at når musen vælger én arm og indtaster området forsinkelse (enten venstre eller højre side), junction døren vil automatisk lukke.
Bemærk: Hvis musen vælger LRA, mål døren åbnes automatisk straks. Men hvis musen vælger HRA, mål døren åbnes automatisk efter 5 s, 10 s, og 15 s på dage 1, 2, 3 henholdsvis. - Iagttage, at når musen tager pellet, bagdør og pre-start døren åbnes automatisk. Når musen ind i ryggen, lukke bagdøren automatisk.
- Konstatere, at når musen ind boksen, pre-start døren lukkes automatisk, og en ny retssag vil starte.
Bemærk: Her, vi uddannet mus i 5-7 dage med hver forsinkelse tilstand. Men, baseret på vores erfaring om at afprøve flere linjer af transgene eller muterede mus, 1 dag (20 forsøg) er helt nok til at se forskellen mellem mus af forskellige genotyper og der er ingen mening at udvide træningstid (Se figur 6 som et eksempel). Derfor, i øjeblikket vi kun anvender 1 dag for hver forsinkelsestidsrum og det fungerer godt. Der vil være noget problem, hvis forskere ønsker at langstrakt uddannelsesdage afhængigt af deres egne formål.
- Valgfrit: Udfør testen med HRA vendt. For at teste, hvis musens valg er resultatet af en orientering præference, omdirigere HRA og LRA (som kan ske automatisk af softwaren) venstre / højre stilling og tillade mus til frit at vælge én arm som i 4.4.
- Valgfrit: Udfør en forsinkelse kontrol test. At teste, om eventuelle underskud observeret er et resultat af ændrede rumlig hukommelse eller belønning følsomhed og ikke resultatet af ændringer i beslutningsprocesser, indføre en 15 s forsinkelse til LRA samt HRA, og tillade mus til frit at vælge én arm som i 4.4.
5. indsats-baserede beslutningstagning Test
- Præsentere barrieren for HRA, som vist i diagram (fig. 1).
- Angive alle parametrene og anvende alle operationer pr trin 3.2 — fri arm indrejse fase og forsøgsdyr for 3 sammenhængende dage.
- Tillad mus til frit at vælge én arm, enten HRA eller LRA.
Bemærk: Her, vi uddannet mus i 14 dage. Men, baseret på vores erfaring om at afprøve flere linjer af transgene eller muterede mus, 3 dage er helt nok til at se forskellen mellem mus af forskellige genotyper og der er ingen mening at udvide træningstid (Se figur 6 som eksempel ). Derfor i øjeblikket anvender vi kun 3 dage til indsats-baserede test og det fungerer godt. Der vil være noget problem, hvis forskere ønsker at langstrakt uddannelsesdage afhængigt af deres egne formål. - Valgfrit: Udfør testen med HRA vendt. For at teste, hvis musens valg er resultatet af en orientering præference, omdirigere HRA og LRA (som kan ske automatisk af softwaren) venstre / højre stilling og tillade mus til frit at vælge én arm som i trin 5.3.
- Valgfrit: Udfør indsats kontrol test. At teste, om eventuelle underskud observeret er et resultat af ændrede rumlig hukommelse eller belønning følsomhed og ikke resultatet af ændringer i beslutningstagningen, indføre en barriere til LRA samt HRA, og tillade mus til frit at vælge én arm som i trin 5.3.
6. dataanalyse
-
Få data og resultater direkte fra kontrol software.
- Bemærk, at softwaren automatisk vil registrere eksperimentelle dato, start og slut tid, varighed, retssag nummer, placeringen af HRA, pellet antallet i HRA, LRA, position (X, Y) og den bevægelige spor osv., af hver mus i mappen "Data" .
- Kontrollere, at softwaren har automatisk analysere følgende elementer og registrere dem i mappen "Resultat" under hvert dyr ID: varighed, retssag HRA valg nummer LRA valg nummer, HRA valg procentdel, LRA valg procentdel, og samlede bevægelse afstand, og samlet junction tid.
- Udføre statistisk analyse på data fra alle eksperimenter af en blandet ANOVA (split-plot ANOVA), med dag/session som inden for emnet faktor og gruppe faktor (genotype gruppe eller grupper med forskellige forsøgsbetingelser) som mellem emne faktor.
- Analysere hovedeffekten af gruppe faktor, hvis der er ingen interaktion mellem dag/session med gruppen faktor. Gælde post hoc parvise sammenligninger, hvis der er en betydelig interaktion mellem dag/session med gruppen faktor.
Representative Results
Et eksempel på forsinkelse- og indsats - baseret besluttende opgave udført af mediale habenular ablated mus (mHb:DTA mus)14 med deres vildtype littermate kontrol mus (CT mus) er vist i figur 6. To mHb:DTA mus og mus, to CT var Co opstaldet i et bur efter fravænning.
I den forsinkelse-baserede besluttende test (figur 6A) var der ingen betydelig interaktion mellem genotype og session i alle faser, herunder forskelsbehandling uddannelse fase (da forsinkelsestiden for HRA var 0) og forsinkelse-baserede besluttende test fase (da forsinkelsestiden for HRA var 5 s, 10 s, og 15 s, henholdsvis). Hovedeffekten af genotype ikke var væsentlig når tidsforsinkelsen var 5 s. Dog når tidsforsinkelsen blev forlænget til 10 s og 15 s, mHb:DTA mus viste en betydelig reduktion i andelen af HRA besøg i forhold til CT mus. Disse resultater viste, at ablation af mHb faldt præferencen af mus til at vente på en større belønning, og i stedet vises en tendens til at vælge en lille belønning straks, når ventetiden var 10 sekunder eller endog længere. Dataene, der foreslog at mHb kunne være en vigtig hjerne struktur i impulsivitet og/eller cost-benefit evaluering, rendering dyr mere tilbøjelige til at tolerere forsinket adgang for at få en stor belønning.
I den indsats-baserede besluttende test (fig. 6B), procentdelen af HRA var besøg faldt betydeligt i mHb:DTA mus når en barriere var placeret i HRA, uanset den venstre/højre lokalisering af HRA (1 x barriere og tilbageførsel fase ). Det betyder, at Fænotypen af mHb:DTA mus ikke var på grund af et underskud i rumlige præference og hukommelse. I forsøg på kontrol test, barrierer blev placeret i begge mål arme (2 × barrierer fase) og både LRA og HRA var forbundet med en høj indsats. Derfor var indsats prisen den samme for dyr at vælge enten lav belønning eller høj belønning. MHb:DTA mus besøgte HRA hyppigere end LRA, og nåede en sammenlignelig HRA besøg nummer på den sidste session (session 5). Dette resultat tyder på at belønne følsomhed og rumlig hukommelse i mHb:DTA mus var intakt. Dataene belyst, mHb kan spille en vigtig rolle i indsatsen cost-benefit evaluering, så dyr at sætte i mere arbejde at erhverve større belønninger.
Figur 1: skematisk diagram over den traditionelle T-maze apparater til beslutningstagning test. (A) forsinkelse-baserede besluttende test apparater. Dyrene blev placeret i start arm og vælger mellem to mål våben, HRA og LRA. Når dyr valgte HRA, måtte de vente (afhængigt af forsinkelsestiden i sekunder) at få et større belønning. Forskere skal manuelt håndterer dyr, pellets og døre for hvert forsøg. (B) indsats-baserede besluttende test apparater. Dyrene blev placeret i start arm og vælger mellem to mål våben, HRA og LRA. Når dyr valgte HRA, havde de at klatre over en trekantet barriere for at få en større belønning. Forskere skal manuelt håndterer dyr, pellets, døre og barrierer for hvert forsøg. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: automatiseret T-maze setup for beslutningstagning test. (A) Top view af den automatiserede installation. (B) Side se på i den automatiserede setup. (C) den 3D retvinklet trekant barriere bruges til indsats-baserede besluttende test, fra venstre mod højre, er henholdsvis visningen side, visningen modsatte side og sidekig hypotenusen. Oprindelige tekniske billeder er redigeret med tilladelse fra den kommercielle producent. GBL: mål boks (venstre), GBR: mål boks (højre), GDL: mål døren (venstre), GDR: mål dør (til højre), DAL: forsinke område (venstre), DAR: forsinke område (højre), JDL: krydset dør (venstre), JDR: krydset dør (til højre), BDL: bagdøren (venstre), BDR: bagdøren (til højre), CCD: afgift kombineret enhedens kamera). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: The Parameter registrering vindue. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: emne id-registrering vindue. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5: vinduet eksperiment grænseflade. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6: forsinkelse- og indsats-baserede beslutningstagning i mHb:DTA mus. (A) forsinkelse-baserede besluttende test i mHb:DTA mus (mus var 12-14 måneder-gamle, n = 8/genotype). Procentdelen af HRA valg var sammenlignelig mellem genotyper når tidsforsinkelsen var 0 og 5 s, men faldt betydeligt i mHb:DTA mus, når tidsforsinkelsen var 10 s og 15 s. Når tidsforsinkelsen var 5 s, genotype × dag interaktion: F(1,14) = 0.594, p = 0.236; effekten af genotype: F(1,14) = 0,61, p = 0,45; Når tidsforsinkelsen var 10 s: genotype × dag interaktion: F(1,14) = 37,5, p = 0.346; effekten af genotype: F(1,14) = 32.4, p < 0.0001; Når tidsforsinkelsen var 15 s: F(1,14) = 38,7, p = 0,243; effekten af genotype: F(1,14) = 31,6, og p ≤0.0001. (B) indsats-baserede besluttende test i mHb:DTA mus (mus var 12-14 måneder-gamle, n = 9/genotype). Under 1 x barriere fase, der var en betydelig interaktion mellem genotype og session (genotype × dag interaktion: F(1,16) = 2.11, p = 0,015), og den post hoc parvise sammenligning viste at HRA % af mHb:DTA mus betydeligt faldt i alle sessioner. Fasen vending der var ikke signifikant Vekselvirkning mellem genotype og session (genotype × dag interaktion: F(1,16) = 1,61, p = 0,08). mHb:DTA mus besøgte HRA betydeligt mindre end CT mus (vigtigste genotype effekt: F(1,16) = 8.18, p = 0.01). 2 × barrierer fase, der var en betydelig interaktion mellem genotyper og sessioner, og en betydelig forskel i session 3 og session 4 (2 x barrierer fase: genotype × dag interaktion: F(1,16) = 3,9, p = 0.0067). MHb:DTA musene nåede en HRA besøg tal sammenlignes med CT mus på den sidste session, session 5. Data repræsenterer gennemsnit ± SEM. ** p < 0,01; p < 0,001. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 7: flowchart for beslutningstagning test (delay - eller indsats-baseret).
Discussion
Beslutningsprocessen er en kognitiv proces meget bevaret under evolution15. Mennesker og dyr kan vurdere omkostningerne ved konkurrerende handlemuligheder i forhold til den potentielle belønning og derefter træffe deres valg. Patienterne lider af en række neurologiske sygdomme og psykiske lidelser demonstrere underskud i forskellige former for beslutningstagning16. Det er derfor vigtigt at undersøge de underliggende beslutningsprocessen neurobiologiske og patofysiologiske mekanismer. I de seneste år forskning forsinkelser og indsats-baserede beslutningstagning tiltrækker mere og mere interesse. Desuden, gnavere, især rotter har været flittigt brugt til at studere disse to former for beslutningstagning17.
Mange undersøgelser har ført til interessante opdagelser ved hjælp af en opførsel opgave, der involverer et T-maze apparat med en HRA og LRA2,6,7,8,9,10, 18 , 19 , 20 , 21 , 22. i opgaven, HRA associates store belønninger med enten en gang forsinkelsen eller indsats anstrengelse. På LRA, kan dyr erhverve en lille belønning straks uden forsinkelse og fysisk anstrengelse. Den traditionelle tilgang er baseret på menneskelige eksperimentatoren manuel indgriben. I hvert forsøg, har brug for eksperimentatoren at tælle pellets og placere dem i måltidsbakkerne HRA og LRA, placere mål døre på både HRA og LRA, og derefter placere dyret i slutningen af start arm. Når dyret ind enten af armene, skal en krydset døren placeres for at begrænse dyret til mål arm. Afhængigt af protokollen skal eksperimentatoren regne tid og åbne mål døren efter en Indstil forsink. Når dyret træder målfeltet og opnår pellet(s), bør eksperimentatoren tilbage til buret, og optage dyrets arm valg og adfærd. Derefter skal eksperimentatoren forberede den næste retssag T-maze døre og pellet. Hele træning og test processer er gevaldig tid og arbejdskraft-intensive. Desuden, mangel på standardisering på tværs af forskellige labs er en anden bekymring.
I dette papir præsenterede vi en protokol baseret på en modificeret automatiserede T-maze apparater med en video-tracking system (figur 7) for at løse problemerne med traditionelle protokoller. Ved at indføre en "bagdør" og "back korridor" til de traditionelle T-maze, opnåede vi labyrint med en "gennemskæres isoceles trekant" form. Fordelene ved denne opsætning er (1) fuld automatisering af den adfærdsmæssige uddannelse og eksaminering. Dette fjerner virkningerne af eksperimentatoren subjektivitet og minimerer menneskelige tid og arbejde forpligtelser. Vi har fire opsætninger i laboratoriet, så at fire mus kunne være uddannet eller testes samtidigt af én eksperimentatoren, hvilket er umuligt at være udført ved hjælp af traditionelle protokoller. (2) der er software fleksibilitet som control software tillader eksperimentatorer til frit definere flere parametre, herunder pellet antallet, forsinkelsestiden, dør åbning og lukning, retssag tal, varighed og trace-tilstand. Derfor, dette system kan opfylde forskellige former for eksperimenterende behov. (3) der er bred kompatibilitet, som alle skydedøre på T-maze er designet til at blive gemt under bunden af labyrinten, når de er åbne. Derfor, setup kan let integreres med forskellige fysiologiske systemer, herunder optogenetic/optisk manipulation, in vivo Elektrofysiologi optagelse og mikrodalyse. Derudover anbefaler vi for at udelukke muligheden for, at musene valgte HRA på grund af en position præference, anvende en kontrol test for både forsinkelse- og indsats - baseret analyse. Af equalizing omkostninger i to mål våben, har dyr mulighed for at opleve både belønning resultater til samme pris. Valget kan gøres blot på grundlag af belønningen differentiale, dermed fjerne behovet for at integrere både omkostninger og fordele, før de beslutter. Dette tester også, om enhver ændring i dyrenes valg er resultatet af en manglende evne til at skalere omkostningerne eller belønning, eller hukommelse underskud i stedet for en ændring i den måde, hvorpå de vurderet deres beslutninger.
I vores laboratorium, har vi analyseret omkring 10 stammer af mus med denne opsætning. Et eksempel var vist i det repræsentative data, mHb:DTA mus viste en robust fænotype i både forsinkelse- og indsats-baserede beslutninger. Det vil sige, er belønning værdi stærkt diskonteret med tid og kræfter i mHb:DTA mus. Resultatet viste den vigtige rolle af mHb på impulsivitet kontrol. Derudover har vi anvendt silicium sonde optagelser på frie bevægelse mus under beslutningsprocessen (ikke-offentliggjorte data). Alle eksperimenterne fastsatte mulighed for den automatiserede setup validering benchmarks. Den standardiserede protokol for T-maze baseret beslutningstagning med automatiseret apparatet er således egnet til påvisning af genetiske virkninger, farmakologiske virkninger og neurale kredsløb effekter på forsinkelse og indsats diskontering af gnavere. Sammenfattende har opsætningen mange fordele ved at tjene som et ideelt system til de forsinkelse - og indsats-baserede besluttende assays.
Disclosures
Forfatterne har ikke noget at oplyse.
Acknowledgments
Vi vil gerne takke Dr. Matthew F S Rushworth (Institut for eksperimentel psykologi, University of Oxford) og Dr. Sakagami Masamichi (hjernen Science Research Center, Tamagawa Universitet) for deres værdifulde råd om indledningen af projektet og på detaljerne af protokoller. Vi takker Dr. Lily Yu for kritiske kommentarer og redigering håndskriftet. Dette projekt blev støttet af RIKEN incitament forskningsprojekt (100226201701100443) til Q.Z, hjernen videnskab projekt, Center for roman science initiativer, nationale institutter for naturvidenskab (BS291003) til Q.Z, RIKEN Aging projekt ( 10026-201701100263-340120) til Q.Z og JSP'ER Kakenhi licensbetaling for unge forskere (B) (17841749) til Q.Z.
Forfattere bidrag: Q.Z udtænkt og iværksat projektet, Q.Z, Y.K og Harrestrup udført eksperimenter og dataanalyse, Harrestrup koordineret arbejdet mellem lab og O'HARA & Co, Ltd, Q.Z og Y.K skrev manuskriptet, S.I overvåget projektet.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| automated t-maze for decion making testing | O’HARA & Co.,ltd | no catalog number, customorized | Address requested by the reviewer: 4-28-16 Ekoda, Nakano-ku, Tokyo 165-0022 TEL: 81-3-3389-2451 FAX:81-3-3389-2453 |
| slica gel | Nacalai Tesque | 1709155 | |
| AIN-76A Rodent Tablet 10mg | Test Diet | 1811213(5TUL) | Manufactured for Japan,SLC |
| Time TM1 software | O’HARA & Co.,ltd | no catalog number | |
| SPSS statistics V21.0 | IBM |
References
- Frank, M. J., Scheres, A., Sherman, S. J. Understanding decision-making deficits in neurological conditions: insights from models of natural action selection. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences. 362 (1485), 1641-1654 (2007).
- Prevost, C., Pessiglione, M., Metereau, E., Clery-Melin, M. L., Dreher, J. C. Separate valuation subsystems for delay and effort decision costs. J Neurosci. 30 (42), 14080-14090 (2010).
- Kennerley, S. W., Walton, M. E. Decision Making and Reward in Frontal Cortex: Complementary Evidence From Neurophysiological and Neuropsychological Studies. Behavioral Neuroscience. 125 (3), 297-317 (2011).
- Kurniawan, I. T., Guitart-Masip, M., Dolan, R. J. Dopamine and Effort-Based Decision Making. Frontiers in Neuroscience. 5, 81 (2011).
- Izquierdo, A., Belcher, A. M. Rodent models of adaptive decision making. Methods Mol Biol. 829, 85-101 (2012).
- Thiebot, M. H., Le Bihan, C., Soubrie, P., Simon, P. Benzodiazepines reduce the tolerance to reward delay in rats. Psychopharmacology. 86 (1-2), 147-152 (1985).
- Green, M. F., Horan, W. P., Barch, D. M., Gold, J. M. Effort-Based Decision Making: A Novel Approach for Assessing Motivation in Schizophrenia. Schizophr Bull. 41 (5), 1035-1044 (2015).
- Fatahi, Z., Sadeghi, B., Haghparast, A. Involvement of cannabinoid system in the nucleus accumbens on delay-based decision making in the rat. Behav Brain Res. 337, 107-113 (2018).
- Iodice, P., et al. Fatigue modulates dopamine availability and promotes flexible choice reversals during decision making. Sci Rep. 7 (1), 017-00561 (2017).
- Rudebeck, P. H., Walton, M. E., Smyth, A. N., Bannerman, D. M., Rushworth, M. F. Separate neural pathways process different decision costs. Nat Neurosci. 9 (9), 1161-1168 (2006).
- Bonnelle, V., et al. Characterization of reward and effort mechanisms in apathy. J Physiol Paris. 109 (1-3), 16-26 (2015).
- Hartmann, M. N., et al. Apathy but not diminished expression in schizophrenia is associated with discounting of monetary rewards by physical effort. Schizophr Bull. 41 (2), 503-512 (2015).
- Lockwood, P. L., et al. Prosocial apathy for helping others when effort is required. Nat Hum Behav. 1 (7), 017-0131 (2017).
- Kobayashi, Y., et al. Genetic dissection of medial habenula-interpeduncular nucleus pathway function in mice. Frontiers in behavioral neuroscience. 7 (17), (2013).
- Hanks, T. D., Summerfield, C. Perceptual Decision Making in Rodents, Monkeys, and Humans. Neuron. 93 (1), 15-31 (2017).
- Lee, D. Decision Making: from Neuroscience to Psychiatry. Neuron. 78 (2), 233-248 (2013).
- Carandini, M., Churchland, A. K. Probing perceptual decisions in rodents. Nature Neuroscience. 16 (7), 824-831 (2013).
- Denk, F., et al. Differential involvement of serotonin and dopamine systems in cost-benefit decisions about delay or effort. Psychopharmacology. 179 (3), 587-596 (2005).
- Walton, M. E., Bannerman, D. M., Rushworth, M. F. S. The Role of Rat Medial Frontal Cortex in Effort-Based Decision Making. The Journal of Neuroscience. 22 (24), 10996-11003 (2002).
- Bardgett, M. E., Depenbrock, M., Downs, N., Points, M., Green, L. Dopamine Modulates Effort-Based Decision-Making in Rats. Behavioral Neuroscience. 123 (2), 242-251 (2009).
- Floresco, S. B., Tse, M. T., Ghods-Sharifi, S. Dopaminergic and glutamatergic regulation of effort- and delay-based decision making. Neuropsychopharmacology. 33 (8), 1966-1979 (2008).
- Assadi, S. M., Yucel, M., Pantelis, C. Dopamine modulates neural networks involved in effort-based decision-making. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 33 (3), 383-393 (2009).
