Summary
本协议描述了使用Arduino和相关硬件以及多功能Matlab工具箱（包括用于自动行为训练的可选脚本）为啮齿动物模型开发开源5选择串行反应时间任务工具箱。这些脚本是可定制的，有助于实现不同的试验和测试设计。
Abstract
5-选择连续反应时间任务（5-CSRTT）是一种行为测试，通常用于研究啮齿动物的视觉空间注意力和冲动性。该任务要求动物将注意力分配到配备光源的五个小孔的水平阵列上，并在有限的时间内，用鼻子戳一个发光的目标孔，以便在位于腔室对面墙壁的食物杂志上获得食物奖励。该任务考虑了行为控制措施，例如响应准确性和反应时间，并允许推断选择性注意和冲动性。任务难度可以通过修改刺激持续时间和任务设计来控制。市售设备通常由实验室和指定任务参数的特定软件组成，但由于固定的硬件和软件，它们对一般实验设计和特定任务要求以及相关数据输出的变化提出了许多限制。本文介绍了一种完全可定制的替代方案，该替代方案分别基于易于使用的单板微控制器和标准电工组件、开放访问的Arduino脚本以及用于硬件控制和行为任务规范的Matlab工具箱。该工具箱包括一个可选的楼梯程序，可实现自动化的行为训练。完整的硬件设置，可以安装在定制的腔室中，以及可自由调整的软件，鼓励非标准化的任务和腔室设计。描述了系统的设计以及用于硬件控制和实验设置的开源代码。
Introduction
5-CSRTT是一种行为测试，通常用于啮齿动物研究视觉注意过程和冲动1，2，3，4，5，6，例如确定胆碱能系统在注意力中的作用以及去甲肾上腺素再摄取抑制剂对冲动行为的影响7.标准装置允许观察各种控制措施，例如响应精度，反应时间，冲动和强迫行为，运动能力和动机1，2，3，4，5。它由五个配备LED的开口的水平阵列，与孔径相对的腔室壁上的食品盒和2，5的室内灯组成。在典型的任务中，房屋的灯光被照亮，并且会议的开始以食品杂志的照明为标志，其中提供了免费的颗粒。当动物用鼻子戳弹匣以取回颗粒1时，试验过程就开始了。之后，食品杂志的光被熄灭，试验间间隔（ITI）开始，在此期间，动物应该将其注意力转向孔径。一旦ITI过去，刺激照明就会在其中一个光圈1，2，5中呈现。刺激是针对称为刺激持续时间（StD）的特定长度给出的。动物可以在刺激出现时或在性病结束后的有限时间窗口内对刺激做出反应，称为有限保持（LH）。为了做出反应，动物必须用鼻子戳目标孔径，如果操作正确，会在食品杂志1，2，5中发布奖励。否则，任何不正确的反应，以及刺激呈现之前的任何反应（预期或过早）或任何无反应（遗漏）都会导致超时（TO），在此期间，房屋灯在一定时间内关闭1，2，5 （图1）。一般来说，判别性刺激的准确性测量注意功能，而过早和坚持性反应（刺激呈现后孔径的重复反应）分别被认为是冲动行为和强迫性的衡量标准，分别为1，4，5，6。
图 1：典型 5-CSRTT 的可能试验序列。 在审间间隔之后，刺激灯在特定持续时间内打开，然后在有限保持间隔期间关闭。老鼠可以正确回答并获得奖励，也可以错误地回答并在这段时间内获得超时。如果大鼠没有及时回答，其省略会导致超时。同样，如果它在光刺激呈现之前做出反应，其过早反应会导致超时。另一个试用在收到奖励或超时期限结束后开始。 请点击此处查看此图的大图。
5-CSRTT因其灵活性而被广泛使用：通过改变试验设计的参数，可以研究不同的注意力子类别。例如，虽然动物应该将其注意力分散在五个不同的孔（视觉空间注意）上，但使用不相关的刺激（例如，听觉刺激）可以测试选择性或持续性注意1，2，5，6。为此，实验设置可以通过包括扬声器来扩展，扬声器可以用作分散注意力甚至加强刺激1，2，5，6。此外，注意负荷可以通过改变刺激呈递或随机化ITI持续时间10来直接调节。5-CSRTT不仅用于啮齿动物3，7，而且最近已被用于测试非人类灵长类动物1，7，8 和鱼类7，9，进一步证明了其可行性。完全可定制的5-CSRTT工具箱允许将标准啮齿动物范式轻松适应其他动物模型。此外，5-CSRTT工具箱的定制灵活性也鼓励使用非标准任务设计进行研究。
这里展示的完全可定制的5-CSRTT工具箱包含一个用于硬件控制的Arduino脚本，在集成开发环境中编程。它还包括一个用于实验控制的Matlab工具箱（版本R2019b或更低版本）。以下协议说明如何使用广泛使用的标准范例配置 5-CSRTT 工具箱，并显示了非标准范例的可选配置。
Protocol
该协议中的实验程序是根据欧盟关于实验动物福利的欧盟指令2010/63的建议并根据德国联邦政府颁布的《动物福利法》进行的，并得到了地方当局的批准。由于研究只需要行为训练，因此没有动物被安乐死，并且在研究完成后，所有动物都被保存在畜牧业中。该研究使用十只雄性李斯特帽大鼠（行为训练开始时4个月大）进行。
1. 动物住房、畜牧业和搬运
- 根据动物福利委员会的建议，家鼠和最多五只幼崽一起放在一个标准笼子里，并配有合适的垫料。
- 将大鼠保存在通风室中，控制温度为20±2°C，相对湿度最高为50%，光照/黑暗循环为12：12小时，或按照动物福利委员会的建议。限制获取食物（每只大鼠每天12克，见 材料表），并提供不受限制的用水。
- 使用永久性无毒墨水标记动物的尾巴。
- 在开始行为实验之前，处理大鼠至少一周，直到它们习惯于被实验者处理，并将大鼠引入有益的食物颗粒以减少食物新恐惧症。
2. 硬件和控制软件的准备
- 打开免费提供的集成开发环境 （IDE） 软件（请参见 材料表）。单击 “文件>打开 ”，然后单击硬件控制的脚本（补充文件 1）。
- 将微控制器 USB 插入计算机。通过单击屏幕左上半部分的 “工具 ”，检查自动选择的主板和处理器信息是否与连接的微控制器板相对应。选择相应的主板和处理器信息，然后单击 端口 以选择可用端口。
- 在屏幕的左上半部分，单击“ 草图”>“包括库”>“管理库”。在新打开的库管理器窗口中，在搜索栏中键入术语“Adafruit 电机护罩 V2”，然后单击相应库上的 安装 按钮。对搜索词“Adafruit Neopixel”重复相同的过程。
- 在屏幕的左上半部分，单击“ 验证 ”（带有复选标记的按钮）以确保脚本中没有错误。单击 “上传 ”（右侧带箭头的按钮）将脚本上传到微控制器板。
3. 实验控制软件的准备
- 确保用于试验控制的所有四个脚本和函数位于同一文件夹中。
- 打开编程平台，单击屏幕上半部分的 HOME 工具栏选项卡，然后单击“ 设置路径”。单击“ 添加文件夹” ，然后选择包含所有实验控制脚本的文件夹。
- 单击“保存”并关闭“设置路径”窗口。单击屏幕上半部分 HOME 工具栏选项卡上的“打开”，然后打开以下脚本和函数：用户（补充文件 2）、楼梯（补充文件 3）和 DataProc（补充文件 4）。
- 按照下载和安装 Psychtoolbox 软件的说明启用工具箱使用的 ESC 按钮功能（有关访问链接，请参见 材料表 ）。
4. 配置 5-CSRTT 工具箱中使用的参数
- 准备工具箱以养成习惯。
注： 图2 表示用于当前研究的5-CSRTT设备。- 选择 打开的用户脚本 。确保第 7 行上的习惯化变量设置为“true”。在第8行以分钟为单位写一个数字（例如，“30”表示30分钟），以设置习惯化的时间限制。在第 9 行上，写入一个介于 0.01 和 1（全亮度）之间的数字，以选择刺激光的亮度级别。
注意：此项目中使用的亮度级别设置为 0.2。 - 进行行为实验（步骤5）。
- 选择 打开的用户脚本 。确保第 7 行上的习惯化变量设置为“true”。在第8行以分钟为单位写一个数字（例如，“30”表示30分钟），以设置习惯化的时间限制。在第 9 行上，写入一个介于 0.01 和 1（全亮度）之间的数字，以选择刺激光的亮度级别。
- 为试验会话准备工具箱。
- 选择 打开的用户脚本 。确保第 7 行上的变量定义为“false”。
- 在第 12 行，键入将自动保存实验数据的目录路径（例如，“C：\Users\trainer\Desktop\5CSRTT”）。确保存在具有此确切名称的目录。
- 在第 13 行键入主题标识（例如“red1”）。
- 确保第 14 行上的变量定义为“true”，以便生成的数据自动保存在目录路径中。
- 确保第 15 行上的变量定义为“true”，并在第 16 行和第 17 行键入一个数字，分别设置试用和时间限制（以分钟为单位），之后程序将自动停止。
- 为标准 5-CSRTT 范例配置参数。
- 检查第 32 行上的变量是否设置为“true”，以便在第一次试用之前免费交付颗粒。将第 33 行的变量定义为“true”，以确保在每次试验开始之前都有杂志条目。检查第 34 行上的变量是否设置为“已定义”，并在第 35 行键入一个数字以指定 ITI 的长度（以秒为单位）。
- 确保在第 37 行定义的变量设置为“true”，以便回答不成熟的试验不会影响会话的试验限制。在第 38 行键入一个数值，该值将定义有限保持 （LH） 长度（以秒为单位）。
- 确保第 39 行上的变量设置为“none”，并且第 40 行上的变量定义为“false”。在第 41 行键入一个数字以定义 TO 长度（以秒为单位），并确保第 42 行上的变量设置为“false”。
- 在第 45 行键入一个数值，该数值对应于可照亮的孔径数（例如，“5”）。确保第 46 行上的变量定义为“伪随机”或“随机”，并在第 47 行键入一个数字，以秒为单位设置 StD 长度。检查第 48 行上的变量是否定义为“single”，第 49 行上的数值是否为“1”。在第 50 行，键入一个数字以定义目标刺激的亮度。
- 检查第 64 行和第 65 行上的变量是否分别定义为“二进制”和“非依赖变量”。在第 71 行键入一个数值，该值对应于在正确戳鼻子后要释放的食品颗粒的数量。
- 进行行为实验（步骤5）。
- 为非标准 5-CSRTT 范例配置参数。
注：本分章中描述的所有步骤都是可选的。- 如果需要使用自动阶梯训练过程进行自动性能检查，请确保将第 18 行上的变量定义为“true”，并在第 20 行键入一个数值来定义性能检查的频率。在第21行键入一个数字，以定义在计算受试者的表现之前，在当前会话期间要完成的最小试验次数。确保将第 21 行的变量定义为“全部”，以便当前会话的所有试验都包含在性能检查中。
- 确保第 22 行上的变量设置为“true”，以便程序将更新当前会话的参数以匹配以前完成的会话。在第 23 行，键入“最新”以确定将上载最后一个会话。
注意：程序将根据“楼梯”功能中的规范更新参数，跳转到之前完成的级别。也可以通过键入以“.mat”结尾的数据文件的确切路径来选择要上载的特定数据集。 - 如果需要自动行为训练，请确保第 26 行上的变量设置为“true”。在第 27 行和第 28 行键入一个数值，分别定义要开始的训练级别和可用级别的总数。如果需要对队列进行划分，请在第 29 行键入指定组的名称（例如，“group1”）。
注意：每个组都可以使用自己的一组训练级别和标准进行级别更新。每个组的参数在“楼梯”功能中定义（步骤4.2.8）。 - 在第 34 行，如果需要随机 ITI 持续时间，请键入“随机”。键入一个数字间隔（例如，'[0，2]'）以定义包含将添加到固定 ITI 持续时间的随机数的间隔。
- 为确保反应过早的试验会影响会话的试验限制，请在第 37 行键入“false”。
- 要定义一个时间窗口，在此期间，额外的鼻子戳将计为坚持性答案，请在第 39 行键入一个数值。在第 40 行键入“true”，以便过早的答案引起超时。
- 要定义目标孔径的不同分组，请在第 48 行键入“相邻”、“移位”或“全部”。在第 49 行键入一个数值，定义目标孔径的总数。如果需要调暗的刺激，请在第51行和第52行键入一个数值，分别定义调光孔径的总数及其亮度。
- 如果需要在刺激表示之前发射短音（音调 C4，262 Hz（科学音高记数法）），请确保将第 55 行上的变量设置为“true”。在第 56、57 和 58 行键入数值，以定义说话者的音调和刺激演示之间的时间窗口（以毫秒为单位）、音调的持续时间（以毫秒为单位）和音调的音量（允许介于 0（无音调）和 1（完整音量）之间的数字）。
- 如果需要在成功探鼻后发出短音（音调 C6，1047 Hz），请确保将第 59 行上的变量设置为“true”。在第 60 行和第 61 行键入一个数值，用于定义音调的持续时间（以毫秒为单位）和音调的音量（允许介于 0（无音调）和 1（全音量）之间的数字）。
- 如果要奖励昏暗光圈中的响应，请确保将第 64 行上的变量设置为“非二进制”。在第 73 行键入一个数值，以定义在昏暗的光圈中为鼻子戳送的食物颗粒的数量。
- 如果使用多个颗粒分配器，请在第 70 行和第 72 行上键入相应的电机编号，用于目标孔径和调光光孔中的鼻戳。
注：电机编号可以是 1 或 2。相应的电机屏蔽的螺钉端子 M3 和 M4 在硬件控制脚本中定义。 - 如果需要根据反应时间对奖励进行分级，请确保将第 65 行上的变量设置为“因变量”。
- 通过在第 67 行上键入数值来定义目标孔中鼻戳的依赖性，该数值将把反应时间（以秒为单位）、电机数量和要输送的食物颗粒数量划分为不同的类别，使得特定的反应时间间隔对应于所选的电机数量和颗粒数量。
- 在第 68 行键入数字，以定义反应时间（以秒为单位）、电机数量和要在昏暗的光圈中为鼻子戳送的食物颗粒数量的不同类别。
- 按照以下步骤配置楼梯功能。
注意：此步骤是可选的。- 选择打开的 楼梯 功能。在第 4 行，键入第一个组的名称（例如“组 1”）。如果适用，请在第 77 行键入第二组的名称（例如“group2”）。
- 要更改第一组第二个训练级别的参数，请在第 17 行的性能检查中键入计算的参数之一（例如，如果条件正确回答了 30 个鼻戳，则 PerformanceCheck.NumCorrect >= 30）。
注意：使用上一个会话的自动加载（步骤 4.2.7.2.）时，不要更改参数“Config_trigger == 2”。 - 在第 19 行，键入要更新的变量和数值（如果适用）（例如，“Config.LED.StimDuration = 30”，将 StD 长度设置为 30 秒）。
注意：可以自由选择要更改的参数数量及其新值。唯一的要求是，在需要更新的每个级别中，需要在变量“UpdateTrigger = 1”之后键入要更新的参数。
- 配置“数据过程”功能。
- 选择打开的 DataProc 函数。如果需要绘制并自动保存包含会话概述的图形，请从第 83 行开始键入所需绘图的命令。
注意：第83行以后的当前命令绘制了会话结果的概述和一些必要的控制措施，例如提前回答的总数或ITI期间食物面板推送的数量。
- 选择打开的 DataProc 函数。如果需要绘制并自动保存包含会话概述的图形，请从第 83 行开始键入所需绘图的命令。
5. 行为实验
- 在习惯化或实验会议之前至少30分钟将大鼠笼从动物笼运输到实验室，以使动物熟悉到试验室。
- 对于习惯化会议，准备操作室，在每个孔中放置两个奖励食物颗粒，在杂志门上放置五个食物颗粒。按照步骤 2-4.1 配置会话的参数。
注：用于此方案的操作室是一个改良的斯金纳PVC盒，尺寸为30 x 30 x 45厘米。
注：对于第一个习惯化阶段，用胶带粘住弹匣盖盖门以保持打开状态。对于第二个习惯化阶段，取下磁带盒翻盖门上的胶带。 - 选择 打开的用户脚本 。确保第 75 行上的“COM”描述与步骤 2.2 中选定的可用端口匹配。如果不匹配，请更改实验控制脚本中的数值（例如，从“COM3”更改为“COM4”）。
- 轻轻地将老鼠放在腔室中。
- 在打开的用户脚本中，单击屏幕上半部分的 EDITOR 工具栏选项卡，然后单击绿色的播放按钮“ 运行”。通过阅读“命令窗口”信息检查程序是否正常运行。
- 要随时停止实验，请按计算机键盘上的转义键 ESC 。等待消息出现在命令窗口显示屏上。键入“y”，然后按计算机键盘上的 Enter 键以停止当前会话并保存获取的数据。
- 当达到习惯性或会话时间或试用限制（分别为步骤 4.1.1 或 4.2.5）时，请检查命令窗口显示屏上显示的消息。键入“y”，然后按计算机键盘上的 Enter 键以停止当前会话。
注意：该消息将仅在新试用版开始时显示，并将停止正在进行的会话，直到键入答案（“y”表示停止会话，“n”表示继续实验）。 - 在习惯化会议的情况下，检查大鼠是否消耗了所有食物颗粒。重复习惯化阶段，直到所有颗粒都被消耗，然后进入下一个习惯化阶段，或者在第二阶段之后，开始5-CSRTT训练。
- 会议结束后，清洁操作室的墙壁和地板，例如，用70%乙醇溶液和纸巾清洁。在引入下一只大鼠之前，等待2-3分钟，直到乙醇气味消散。
- 实验日结束后，从计算机上拔下微控制器 USB。（可选）关闭硬件和试验控制的两个脚本。
Representative Results
图2：用于当前研究的5-CSRTT设备。 该设备在配备5-CSRTT工具箱的笔记本电脑上运行，该工具箱提供用于控制微控制器和所有相关设备的脚本以及用于控制5-CSRTT实验的多个脚本。 请点击此处查看此图的大图。
完全可定制的工具箱易于使用，基于单板微控制器和标准电工组件。 图3 所示为简化电路和接线图。整个光圈由5个LED作为光刺激和5个红外传感器组成，用于检测鼻子戳。室内灯由一个带有八个LED的灯条组成，食品盒由一个带有微动开关的翻盖门的孔径制成，一个电机驱动的颗粒分配器和一个带有八个LED的灯带用于照明。该电路还举例说明了可选组件的连接，例如用于听觉反馈的无源蜂鸣器扬声器和用于音量调节的数字电位计。有关开发此工具箱时使用的设备列表，请参阅 材料表。
图 3：微控制器硬件的简化电路。 为了方便快捷地进行定制，微控制器设备 通过 试验板连接。从左上角到左下角，顺时针方向：微控制器板连接到电机屏蔽和直流电机（代表颗粒分配器电机）。右边是用于房屋和食品杂志灯的LED灯条，中间是用于刺激灯的所有五个白光LED和用于光圈的五个红外传感器对。微控制器板下方是一个简单的微动开关（代表食品杂志翻盖门中使用的开关）。最后，中间描绘了一个无源蜂鸣器扬声器和一个数字电位计。此图像是使用开源软件Fritzing制作的。 请点击此处查看此图的大图。
图 4：实验控制脚本的所有组件的链接和功能以及“代码”功能的简化图。 （A） “用户”脚本将其参数发送到“代码”函数，该函数又直接链接到“楼梯”函数，允许它在实验过程中更新“Code”函数中使用的任何参数。然后，“Code”函数在会话结束时将其结果发送到“DataProc”函数。（B）在启动实验会话之前，“Code”函数首先检查它是否应该启动习惯化协议。如果没有，它将根据“用户”脚本中选择的定义设置参数。在每次试用开始之前，该函数会检查是否按下了键盘上的 ESC 键。如果没有，它将继续进行新的试验。否则，它将停止试验会话，并将收集的数据传递给 DataProc 函数。每次试用开始之前的此关键检查允许程序在达到任何选定的时间限制之前停止。 请点击此处查看此图的大图。
不同实验对照脚本之间的相互作用如图 4A所示。“用户”脚本包括定义实验的所有参数。在那里，可以自由选择确定实验时间，照明刺激的数量和亮度，ITI持续时间等的变量。Code函数（补充文件5）包括对单个试验和所有可能结果的详细说明，在整个实验过程中都会重复这些描述，如图 4B所示。此外，它还包括动物习惯于该装置的协议。代码功能还会定期检查动物的性能。此外，楼梯功能是可选的。将受试者的表现与先前设定的标准进行比较，如果动物的表现符合这些标准，则会自动更新所需的参数。楼梯功能还可以考虑前一天会议获得的结果。在试验运行时，试验结束时的性能检查将计算已完成试验的准确性、遗漏和正确响应的总数，并将结果与级别更新的所需标准进行比较，如Staircase函数中所述。最后，DataProc 函数处理所有收集的数据，并生成简单的图形以进行快速分析。在会话结束时，工具箱会自动将所有数据保存到 *.mat 文件中，并生成一个额外的 *.xlsx 文件，其中包含实验中的基本信息。
图 5：5-CSRTT 工具箱的不同激励配置示例。 该图举例说明了目标刺激的可能组合，这些组合依赖于所选的配置。“全部”和“单”配置都用于标准范式（用于习惯化和行为实验）。“相邻”和“移位”配置显示非标准刺激配置，允许使用其他数量的照明刺激，其也可能具有与目标刺激不同的对比度。 请点击此处查看此图的大图。
协议步骤4.2.7.7提到了一个可选功能：更改目标孔径的分组。标准的5-CSRTT范式使用一个单一的目标刺激。在这里，我们举例说明所呈现的工具箱如何允许修改标准范式。 图5 显示了与所选配置有关的总共五个孔径中的一些可能的组组合。“全部”配置点亮了所有可用的光圈，因此每个光圈现在都是一个目标光圈，这在初始训练阶段可能会有所帮助。相邻配置确保（自由选择的）目标孔径数量将彼此相邻。可以指定设置，使相邻区域不会与目标光圈相同，而是以较低（甚至更高）的对比度照亮。使用具有不同照明对比度的光圈可以测试新的范例，例如在高对比度或低对比度光圈中使用不同等级的奖励来刺鼻。 图5 显示了一个具有相同照明的三个目标孔径的示例。单一配置通常用于标准5-CSRTT，其中只有单个目标被照亮。最后，移位配置扩展了邻居配置。它将相邻刺激向最后一个或第一个孔径移动，以防目标孔径分别位于第一个或最后一个位置。与相邻位置配置一样，可以自由选择相邻节点的照明强度，可以是与目标孔径相同，也可以是不同的。此外，可以自由选择整体照明刺激的数量。然后，工具箱自动计算所有可能的刺激。但是，对于此配置，参数“Config.LED.NumHighLED”必须设置为“1”。
根据方案，根据表1中介绍的训练阶段进行5-CSRTT的大鼠训练（N = 10）。
表1：5-CSRTT培训时间表和标准，以提升到一个新的水平。 （A）在每个训练水平中，试验间间隔保持在5 s不变。（B） 每个培训级别的刺激持续时间。（C） 有限保持 （LH） 时间窗口，即在刺激关闭和任何嗅探响应之间容忍的最大时间。（D） 通过相应培训级别所需的正确回答总数。（E） 准确率百分比计算为 
。（F） 遗漏误差的百分比定义为 
.此标准不包括过早反应。 请按此下载此表格。
将大鼠的表现与完成 表1中给出的每个训练水平所需的训练天数（会话）进行比较。所有动物都从训练水平1开始，每个训练的STD和LH值为60秒。然而，一些大鼠（N = 5）接受了增强的习惯训练，以测试前面报道的一些额外的刺激选择，这解释了个体动物在训练水平1中停留的次数的差异。完成这一级别的标志是总共达到30个或更多的正确答复。在以下级别中，StD和LH有所下降，而晋升到下一个训练级别的标准变得更加严格，增加了任务的注意力需求1，6。
表2 显示了一个示例大鼠在一个会话期间自动生成的*.xlsx电子表格。大鼠从训练级别5中指定的配置开始。经过四次试验，大鼠进入6级，考虑到当前会话中进行的试验以及上一会话中实现的准确性。在当前会话中至少必须执行多少次试验才能进入下一个训练级别，这在变量“Config.Experiment.MinNumTrials”中指定。在同一时段，大鼠在完成6级66次试验并达到>80%准确率和<20%遗漏的要求后，升至训练水平7。总共，使用 表1中提供的训练水平配置对大鼠进行26天的训练。每个培训级别花费的会话数如图 6A 所示。黑线显示所有受试者的平均值，每条彩色线显示一只大鼠的数据。所有大鼠在14-22个疗程内达到第八水平（图6B）。 图6C 显示了5-CSRTT设备中每个培训级别和所有培训日受试者的平均表现。黑虚线表示精度百分比，黑色直线表示省略百分比。准确性计算为正确响应数与响应总数之间的比率。遗漏计算为遗漏数量与试验总数（即正确回答，错误回答和遗漏的总和）之间的比率。灰线表示每个级别中所有试验的正确响应的平均总数。 图6D 显示了每个受试者在第八个和最后一个训练级别上实现的最终精度。
平均而言，大鼠花费5.9（±1.03 SEM）会话来完成1级，在1.5（±0.17）和3.5（±0.5）次会话之间完成2至6级，以及1.7（±0.16）次会话以完成7级，然后达到最终的8级。从 图6A中可以明显看出，受试者之间的差异在初始水平上最显着（1级SD = 3.25，2级为1.58），在后期水平下降（6级和7级分别为0.47和0.48）。在4级中，当刺激持续时间进一步减少时，平均花费的会话次数（2.6±0.52）和大鼠之间的方差（1.64）增加，两只大鼠需要5天和6天才能得出水平。
图 6：使用 5-CSRTT 工具箱进行的行为实验结果。 （A） 每个训练级别执行的会话数。黑线表示每个级别所有受试者的平均会话数（平均± SEM），彩色线表示各个受试者的数据。（B） 每门科目达到最终水平所需的绝对课程次数。（C） 整个培训期间的平均业绩计量（平均±SEM）。黑色虚线描绘了每个训练级别所有课程中所有给定响应中所有受试者的准确性，黑线显示相应的遗漏百分比。灰线表示每个培训级别上所有科目正确答案的平均绝对数量。（D） 在第八级和最后一级培训期间，每个科目的准确性。 请点击此处查看此图的大图。
表2：在一次训练期间从一只示例大鼠收集的数据。 列 A 显示会话中有关当前训练级别的试验计数，如列 B 所示。列 C 显示 ITI 持续时间，列 D 显示试验开始时间。列 E 到 I 分别以光圈 1 到 5 显示 LED 刺激的亮度级别。亮度级别为 0 表示刺激已关闭，亮度级别为 0.2 表示以最大强度的 20% 打开刺激。列 J 和 K 分别显示刺激打开和关闭的确切时间。L列显示试验结果：0表示“遗漏”，1表示“正确反应”，3表示“错误反应”（鼻子戳入非目标孔径），4表示“过早”。列M显示试验期间鼻子戳的孔径，而列N表示鼻子戳的确切时间。O列，P列和Q列分别显示颗粒分配器电机打开的时间，相应的电机编号以及大鼠打开颗粒分配器以获得奖励的时间。R 列显示试用结束时间。列 S、T、U、V 和 W 列分别显示 ITI 期间过早响应、超时、面板推送的总数、坚持不懈的答案总数以及会话的总运行时间（以分钟为单位）。 请按此下载此表格。
补充文件1：用于IDE软件硬件控制的脚本（Arduino代码）。 这包括用于控制工具箱的硬件和电工组件的所有命令。 请点击此处下载此文件。
补充文件2：实验控制软件中“用户”功能的脚本。 这包括定义实验的所有参数。 请点击此处下载此文件。
补充文件3：实验控制软件中“楼梯”功能的脚本。 这可以监控受试者的表现，并将其与先前设置的标准进行比较。如果动物的性能符合这些标准，则所需的参数会自动更新。 请点击此处下载此文件。
补充文件4：实验控制软件中“DataProc”功能的脚本。 这将处理所有收集的数据并生成简单的图形以进行快速分析。 请点击此处下载此文件。
补充文件 5：“代码”函数的脚本。这包括对单个试验和所有可能结果的详细说明，这些描述在整个实验中都会得到重申。 请点击此处下载此文件。
Discussion
本方案旨在开发和测试一种低成本且完全可定制的替代标准、市售5种选择的串行反应时间任务装置。通常，市售类型的设备根据需要提供一组有限的功能来运行标准研究5-CSRTT。因此，在特定的试验设计中进行非标准修改，例如对试验序列或目标刺激组合的更改，通常是不可能的。此外，许多可用的设备类型都带有特定的封闭式软件，这些软件可能无法提供对实验的所有行为数据的访问，例如过早和坚持不懈的答案的时间和孔径数。相比之下，这里介绍的工具箱的重要优势是 - 除了低成本 - 实施许多不同的试验设计和研究范式的可能性。目前，该工具箱支持多种刺激设计的定义，例如允许调暗的刺激，使用两个颗粒输送系统以及对反应时间的奖励依赖。它还支持使用微型扬声器进行听觉反馈。然而，主要目的是允许根据用户的目标轻松修改试验序列，例如引入昏暗的光圈和奖励决策任务的时间表或整合最先进的正强化训练方法11。此外，通过会话获取的所有原始数据都可用于进一步分析。该工具箱为自动化行为训练提供了一个Staircase功能，该功能也是完全可定制的，允许用户更改每个级别更新的标准，训练级别的数量以及要更新的参数。此外，该装置本身具有高度的适应性，并且试验设计和腔室布局的更改很容易实现，从而可以将5-CSRTT范式应用于需要与市售设备类型不同的研究设计的动物物种。
软件配置方案的特定部分对于确保工作流程顺利进行至关重要：特别是对于实验的第一天，硬件和实验控制软件的准备（步骤2和3）以及步骤5.3的配置至关重要。确保微控制器硬件、其软件和实验控制软件之间的串行端口连接正常工作对于建立功能齐全的 5-CSRTT 工具箱至关重要。在每个实验日开始时，建议重复上述三个步骤，以确保正确配置硬件和实验控制脚本。
最后，工具箱目前的局限性是它实现为一个独家编程平台，不幸的是，这损害了它作为一个完整的开源工具箱的使用。然而，原则上，工具箱应该很容易适应其他编程语言，如Python，因为一次试验的过程保持不变。
与现有的替代方法相比，这里介绍的5-CSRTT工具箱允许实施标准的5-CSRTT范式并对其进行修改，例如为坚持不懈的答案定义一个设定的时间窗口，或者引入分散注意力或加强的刺激，如扬声器或闪烁的灯光。除了易于使用和适应性强外，该设备成本低廉，易于复制，并且它鼓励使用非啮齿动物模型进行研究。
Disclosures
作者声明，他们没有相互竞争的经济利益。
Acknowledgments
这项工作由DFG WE 5469/ 3-1支持。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 1200 Ohm Resistor | Already available in the lab | ||
| 8-bit 10 kΩ digital potentiometer | Microchip | MCP42010-I/P | From Conrad.de: 1083205 |
| ARD MEGA2560 KIT Arduino - Mega 2560 R3 Lernset | JOY-IT | ARD-Set01 | From Reichelt.de: ARD MEGA2560 KIT |
| ARD SHD MOTOR Arduino Shield - Motor | Adafruit | 1438 | From Reichelt.de: ARD SHD MOTOR |
| ARDUINO STACKABLE HEADER KIT - R3 | Sparkfun Electronics | PRT-11417 | From Antratek.de: PRT-11417 |
| Chow | Altromin | 1324 N | Altromin chow products |
| Euro-Gehäuse | Hammond Electronics | 1591EBK | From Conrad.de: 520691 |
| Food pellets | Bio-Serv | F0021 | From Bio-serv.com: Dustless Precision Pellets Rodent |
| Fritzing | Interaction Design Lab Potsdam | Fritzing Software download | |
| Integrated Development Environment | Arduino | Arduino IDE download (Freely available) | |
| IR Break Beam Sensor - 3mm LEDs | Adafruit | 2167 | From Mouser.de: 485-2167 |
| Laptop or Computer | |||
| LED white round 5mm 2000mcd 20mA | TruComponents | 1573731 | From Conrad.de: 1573731 |
| Microswitch | Hartmann | MBB1 01 A 01 C 09 A | From Conrad.com: 707243 |
| NeoPixel Stick - 8 WS2812 5050 RGB LEDs | Adafruit | 1426 | From Reichelt.de: DEBO LED NP8 2 |
| Passive buzzer Speaker | Conrad Components | 93038c213a | From Conrad.de: 1511468 |
| Pellet release disk | Already available in the lab. Similar products depicted below. Keep in mind that some of these products make use of different (and stronger) motors and infrared sensors. The use of the microswitch (row 7) and the Arduino Motor Shield (row 3) need to be adapted to fit these new specifications. We recommend 3d printing the disk to work with the provided materials and software. Carbatec universal base plate Open Science Framework Open Feeder Open Ephys 3d Model Food Pellet Dispenser Campden Instruments 45mg pellet dispenser |
||
| Programming platform | Mathworks | R2019b or younger | |
| Psychtoolbox Software | V3 | Psychtoolbox-3 download | |
| Spur GEAR-MOTOR with DC brush motor | Micromotors | B138F.12.208 | Micromotos Series B138F Technical data |
References
- Bari, A., Dalley, J. W., Robbins, T. W. The application of the 5-choice serial reaction time task for the assessment of visual attentional processes and impulse control in rats. Nature Protocols. 3 (5), 759-767 (2008).
- Asinof, S. K., Paine, T. A. The 5-choice serial reaction time task: a task of attention and impulse control for rodents. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (90), e51574 (2014).
- Higgins, G. A., Silenieks, L. B. Rodent Test of Attention and Impulsivity: The 5-Choice Serial Reaction Time Task. Current Protocols in Pharmacology. 78 (1), 1-34 (2017).
- Humby, T., Wilkinson, L., Dawson, G. Assaying aspects of attention and impulse control in mice using the 5-choice serial reaction time task. Current Protocols in Neuroscience. 31 (1), 1-15 (2005).
- Robbins, T. The 5-choice serial reaction time task: behavioural pharmacology and functional neurochemistry. Psychopharmacology. 163 (3-4), 362-380 (2002).
- Amitai, N., Markou, A. Disruption of performance in the five-choice serial reaction time task induced by administration of N-methyl-D-aspartate receptor antagonists: relevance to cognitive dysfunction in schizophrenia. Biological Psychiatry. 68 (1), 5-16 (2010).
- Fizet, J., Cassel, J. C., Kelche, C., Meunier, H. A review of the 5-Choice Serial Reaction Time (5-CSRT) task in different vertebrate models. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 71, 135-153 (2016).
- Spinelli, S., et al. Performance of the marmoset monkey on computerized tasks of attention and working memory. Cognitive Brain Research. 19 (2), 123-137 (2004).
- Parker, M. O., et al. Development and automation of a test of impulse control in zebrafish. Frontiers in Systems Neuroscience. 7, 65 (2013).
- Birtalan, E., Bánhidi, A., Sanders, J. I., Balázsfi, D., Hangya, B. Efficient training of mice on the 5-choice serial reaction time task in an automated rodent training system. Scientific Reports. 10 (1), 1-8 (2020).
- Fischer, B., Wegener, D. Emphasizing the "positive" in positive reinforcement: using nonbinary rewarding for training monkeys on cognitive tasks. Journal of Neurophysiology. 120 (1), 115-128 (2018).
