Denne artikkelen presenterer et automatisert T-maze apparat som vi fant, og en protokoll basert på apparatet for å analysere forsinkelse baserte beslutningsprosesser og innsats-baserte beslutningsprosesser i gratis bevegelige gnagere.
Mange nevrologiske og psykiatriske pasienter demonstrere vanskeligheter og/eller underskudd i beslutningsprosesser. Gnager modeller er nyttig å produsere en dypere forståelse av nevrobiologiske årsakene underliggende beslutningstaking problemene. En kost-nytte basert T-maze aktivitet brukes for å måle beslutningsprosesser som gnagere velge mellom en høy lønn arm (HRA) og en lav belønning arm (LRA). Det er to paradigmene for aktiviteten T-maze beslutninger, der kostnadene er en tidsforsinkelse og den andre er fysisk anstrengelse. Begge paradigmer krever en kjedelig og arbeidskrevende forvaltning av forsøksdyr, flere dører, pellets belønning og arm valg innspillinger. I den nåværende arbeidet oppfant vi et apparat basert på tradisjonell T-maze med full automatisering for pellet levering, døren ledelse og valg innspillinger. Automatisert installasjonen kan brukes for vurdering av både forsinkelsen og innsats-baserte beslutningsprosesser i gnagere. Med protokollen beskrevet her, undersøkt vår lab av beslutningsprosessen fenotyper flere genmodifiserte mus. I representant dataene viste vi at mus med ablated mediale habenular viste aversions både forsinkelsen og krefter og tendens til å velge den umiddelbare og uanstrengt belønningen. Denne protokollen bidrar til å redusere variasjonen skyldes eksperimentator intervensjon og å forbedre eksperiment effektivitet. I tillegg, kronisk silisium sonde eller microelectrode innspillingen, kan fiberoptiske bildebehandling og/eller manipulasjon av nevrale aktivitet enkelt brukes under beslutningstaking oppgaven bruker oppsettet beskrevet her.
Mennesker og andre dyr vurdere kostnadene (inkludert forsinkelse, innsats og risiko) for å få en belønning, og gjør deretter deres beslutning om å velge en bestemt handling. Beslutninger underskudd vises i mange nevropsykiatriske sykdommer, inkludert schizofreni (CH), ADHD (ADHD), Tvangslidelser (OCD), Parkinsons sykdom (PD) og avhengighet1. Studier på mennesker og aper avdekket at flere viktige hjernen regioner er involvert i beslutningen om å gjøre2,3,4. Selv om primater engasjere seg i mer komplisert avgjørelse makings, er gnagere rapportert å gjøre adaptive beslutninger å overleve i et miljø der belønning situasjoner endres ofte. I tillegg kan nevrale krets mekanismer og molekylære mekanismer underliggende beslutningsprosesser bli grundig etterforsket musen modeller på grunn av tilgjengeligheten av chemogenetic verktøy, optogenetic verktøy og genmodifiserte mus. Det er flere aktiviteter brukes til å evaluere gnagere beslutningstaking atferd, inkludert aktiviteten for attentional sett-shift, effortful eller forsinkelse baserte T-maze oppgaven, Iowa gambling aktiviteten, visuell diskriminering tilbakeføringen lære aktivitet5, osv. Analoge T-maze kost-nytte protokoller ble opprinnelig utviklet av Pierre gruppe6 og har blitt brukt til å undersøke effektene av to typer beslutning pris (forsinkelse og innsats) på gratis bevegelige gnagere7,8, 9,10. Spesielle fordelen med denne oppgaven er at dyr ikke har trenes trykk spaker eller grave i en bolle. I stedet, dyr gjør et valg mellom høy belønning høy kostnad alternativ i en arm (HRA) eller lav belønning lav kostnad alternativ i den andre armen (LRA). Denne oppgaven er derfor mye enklere å utføre.
I forsinkelse baserte paradigmet introdusert en krysset dør når det eksperimentelle dyr inn ett av målet armene, slik at dyret i målet armen. Hvis dyret velger LRA, målet døren på LRA er trukket tilbake umiddelbart og en liten mengde mat leveres. Hvis dyret velger HRA, målet døren på HRA er trukket etter nødvendige forsinkelsen og en stor mengde mat pellets leveres (figur 1A). I innsats-baserte paradigmet, HRA er hindret av en barriere og dyr må klatre over det å skaffe et stort antall pellets (figur 1B). Generelt forsinkelse baserte paradigmet er svært nyttig å teste impulsivitet dyr modeller og innsats-baserte ettall kanne hjelpe for å utpønske apatisk dyr2,4,11,12, 13. Hitherto forskere har vært å utføre denne analysen av manuelt teller tidsforsinkelsen, innsetting og uttak dører, manøvrering innsats barrieren, teller hvor pellet, å plassere pellets i posisjon, plassere og tilbake dyr , og opptak dyrene valg for hver prøveversjon. Disse arbeid og tid kostnadene utgjøre en alvorlig eksperimentelle flaskehals for forskere, hindrer utbredt bruk av denne opptreden analysen. I nåværende jobb utviklet vi en T-maze basert oppsett for å vurdere forsinkelse eller innsats-baserte beslutningsprosesser av gnagere, med full automatisering, standardisering og høy gjennomstrømming kapasitet.
Apparatet
I samarbeid med en kommersiell produsent (se Tabell for materiale), vi utviklet en modifisert automatisert T-maze apparat som brukes programvare-basert maskinstyring (figur 2). Spesielt innført vi en “bakdør” og “tilbake måte” i forhold til den tradisjonelle T-maze (figur 2), slik at dyrene kunne gå tilbake til starten peker seg og starte en ny rettssak. T-maze er Matt grå farget når eksperimentet tilstanden og programvare er satt riktig, både svarte og hvite mus kan oppdages. Det består av tre armer: én arm og to mål armer, hver 410 mm i lengde med V-formet vegger av 155 mm inne høyde, en base av 30 mm i bredde og en åpen topp 155 mm i bredden. V-formet korridoren kan effektivt hindre mus fra å hoppe. I tillegg gjør V-formet korridoren det enklere å søke i vivo med kabler. En start-boksen er knyttet til slutten av start armen. En mål-boksen er knyttet til slutten av hver målet arm. En automatisk dispenser er installert i hver mål å levere et forhåndsdefinert antall søt mat pellets. Pellet inntak er oppdaget av en infrarød sensor og registreres automatisk av en datamaskin. Hvert mål-boksen er koblet til boksen av en rett korridor. Dyr kan autonomously tilbake til boksen via korridoren når de er ferdig med en rettssak. Det er skyvedører 155 mm i høyden på inngang og utgang på start og mål. I tillegg ligger en skyvedør ved inngangen til hver målet arm å forhindre dyr fra flytte bakover etter å gjøre et valg (figur 2A). Alle skyvedører kan er kontrollert av en datamaskin og automatisk åpnes og lukkes. En høy følsomhet 1/2″ charge koplede enhet (CCD) monocle kameraet er satt over apparatet spore dyrenes atferd. Brennvidden på objektivet er 2,8-12 mm. Kameraet er rundt 1,9 m høy. Siden høyden av labyrinten er 0,5 m fra gulvet, er avstanden mellom kameraet og labyrinten rundt 1.4 m (figur 2B). Sporingsdataene fra CCD kameraet brukes til live-kontroll T-maze, åpne og lukke bestemte dørene når dyr angir visse regioner av interesse (ROIs). Barrierene brukes til innsats-baserte paradigmet er i form av en tredimensjonal rettvinklet trekant (figur 2C), som passer perfekt i V-formet veggene, og er ca 155 mm inne høyde. Dyr må skalere den vertikale siden, men kan ned en 45° skråning. Apparatet lyser på 100 lux under eksperimentet. Sukker pellets brukes i eksperimentet (se Tabell for materiale), og silica gel (se Tabell for materiale) brukes til å holde pellets tørr.
Beslutningstaking er en kognitiv prosess svært bevart under utviklingen15. Mennesker og dyr kan vurdere kostnaden for konkurrerende handlingsalternativer i forhold til den potensielle belønningen og gjør sine valg. Pasienter som lider av nevrologiske sykdommer og psykiske lidelser demonstrere underskudd i ulike former for beslutningsprosesser16. Det er derfor viktig å undersøke nevrobiologiske og patofysiologiske mekanismene bak beslutningsprosessen. I de siste årene forskning forsinkelse og innsats-baserte beslutningsprosesser tiltrekker mer interesse. Videre har gnagere, spesielt rotter vært mye brukt å studere disse to formene av beslutningsprosessen17.
Mange studier førte til interessante funn med en opptreden oppgave som involverer en T-maze apparater med en HRA og en LRA2,6,7,8,9,10, 18 , 19 , 20 , 21 , 22. i aktiviteten, HRA knytter store belønninger enten en tid forsinkelsen eller innsats anstrengelse. På LRA, kan dyr få en liten belønning umiddelbart uten noen forsinkelse og fysisk anstrengelse. Den tradisjonelle tilnærmingen er avhengig av menneskelig eksperimentator manuell inngripen. I hver prøve, må eksperimentator telle pellets, og plassere dem i mat magasinene HRA og LRA, plassere mål dørene på både HRA og LRA, og plasser dyret på slutten av start armen. Når Dyret angir enten av armene, må en krysset dør plasseres for å begrense dyret mål armen. Avhengig av protokollen må eksperimentator teller tiden og åpne mål etter en angi forsinkelse. Når Dyret inn målet området og henter pellet(s), må eksperimentator returnere den til buret og dyrets arm valg og atferd. Eksperimentator må forberede T-maze dører og pellets neste rettssaken. Hele opplæring og testing prosesser er enormt tid og arbeidsintensiv. Videre er mangelen på standardisering på tvers av ulike labs en annen bekymring.
I dette papiret presenterte vi en protokoll basert på en modifisert automatiserte T-maze apparater med video-sporing system (figur 7) til å løse problemene med tradisjonelle protokoller. Ved å introdusere en “bakdør” og “tilbake korridor” til den tradisjonelle T-maze, fikk vi labyrint med en “delt i to isoceles trekant” form. Fordelene med dette oppsettet er (1) full automatisering av det opptreden trening og testing. Dette fjerner virkningen av eksperimentator subjektivitet og minimerer menneskelige tid og arbeid forpliktelser. Vi har fire oppsett i laboratoriet, slik at fire mus kan bli trent eller testet samtidig ved en eksperimentator, som er umulig å oppnås ved hjelp av tradisjonelle protokoller. (2) det er programvare fleksibilitet som Kontrollprogramvaren tillater forskere å fritt sette opp flere parametere, inkludert pellet tall, tidsforsinkelse, døren åpning og lukking, prøve tall, varighet og sporingsmodus. Derfor kan dette systemet møte ulike typer eksperimentelle behov. (3) det er bred kompatibilitet som alle skyvedører på T-maze er utformet for å lagres under bunnen av labyrinten når de er åpne. Derfor kan oppsettet enkelt integreres med ulike fysiologiske systemer, inkludert optogenetic/optisk manipulasjon, in vivo elektrofysiologi-opptak og microdialysis. I tillegg for unntatt muligheten at mus valgte HRA på grunn av en plasseringsinnstilling, anbefaler vi å bruke en kontroll test for både forsinkelsen- og innsats – basert analysen. Ved equalizing kostnadene i to mål armene, har dyr muligheten til å oppleve begge belønning resultater på samme pris. Valg kan gjøres bare på grunnlag av belønningen differensial, således fjerne behovet for å integrere både kostnader og fordeler før du bestemmer. Det tester også om noen endring i dyrenes valg er resultatet av en manglende evne til å skalere kostnaden eller belønning, eller minne underskudd snarere enn en endring i måten som de vurderer sine beslutninger.
I vår lab, har vi analysert ca 10 stammer mus med dette oppsettet. Ett eksempel ble vist i representant data, mHb:DTA mus vist en robust fenotypen både forsinkelsen – og innsats-basert beslutningsprosesser. Dvs er belønning verdi sterkt nedsatte av tid og krefter i mHb:DTA mus. Resultatet viste den viktige rollen mHb impulsivitet kontrollen. I tillegg har vi brukt silisium sonde opptak på gratis bevegelige mus i løpet av beslutningsprosessen (upubliserte data). Alle eksperimenter gitt validering benchmarks for evnen til automatiserte oppsettet. Dermed er standardisert protokollen for T-maze basert beslutningsprosesser med automatisert apparatet egnet for oppdager genetisk effekter, farmakologiske effekter og nevrale krets effekter på forsinkelsen og innsats diskontering av gnagere. Oppsummert har oppsettet mange fordeler som et ideelt system for forsinkelsen og innsats-baserte beslutninger analyser.
The authors have nothing to disclose.
Vi vil gjerne takke Dr. Matthew F S Rushworth (Institutt for eksperimentell psykologi, Universitetet i Oxford) og Dr. Sakagami Masamichi (hjernen vitenskap Research Center, Tamagawa universitet) for sine verdifulle råd på initiering av prosjektet og detaljer protokollene. Vi takker Dr. Lily Yu for kritiske kommentarer og redigering manuskriptet. Dette prosjektet ble støttet av RIKEN insentiv prosjektet (100226201701100443) til Q.Z, hjernen vitenskapsprosjekt, Center for roman science initiativ, nasjonale institusjoner av naturvitenskap (BS291003) til Q.Z, RIKEN aldring prosjektet ( 10026-201701100263-340120) Q.Z og JSP Kakenhi Grant-in-Aid for unge forskere (B) (17841749) til Q.Z.
Forfattere bidrag: Q.Z unnfanget og initiert prosjektet, Q.Z, Y.K og HG utført eksperimenter og dataanalyse, HG koordinert arbeidet mellom lab og O’HARA & Co, Ltd, Q.Z og Y.K skrev manuskriptet, S.I veiledet prosjektet.
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 |