Det nuvarande protokollet beskriver utvecklingen av en öppen källkod 5-val seriell reaktionstid uppgiftslåda för gnagare djurmodeller, med hjälp av Arduino och relaterad hårdvara och en mångsidig Matlab verktygslåda, inklusive ett valfritt skript för automatiserad beteendeträning. Skripten är anpassningsbara och underlättar implementeringen av olika test- och testdesigner.
5-vals seriell reaktionstidsuppgift (5-CSRTT) är ett beteendetest som ofta används för att studera visuospatial uppmärksamhet och impulsivitet hos gnagare. Uppgiften kräver att djur uppmärksammar en horisontell uppsättning av fem små öppningar utrustade med ljuskällor och, inom ett begränsat tidsfönster, näspetar en upplyst målöppning för att få en matbelöning vid matmagasinet som ligger i kammarens motsatta vägg. Uppgiften tar hänsyn till beteendekontrollåtgärder som svarsnoggrannhet och reaktionstider och gör det möjligt att härleda selektiv uppmärksamhet och impulsivitet. Uppgiftssvårigheter kan kontrolleras genom att ändra stimulansvaraktigheten och uppgiftsdesignen i allmänhet. Kommersiellt tillgängliga apparater består vanligtvis av en experimentell kammare och särskild programvara för att specificera uppgiftsparametrar, men på grund av fast hård- och programvara utgör de många begränsningar för förändringar i den allmänna experimentella designen och specifika uppgiftskrav och relaterad datautgång. Den här artikeln förklarar ett helt anpassningsbart alternativ baserat på en lättanvänd mikrokontroller med en kort och elektrotekniska standardkomponenter, ett Arduino-skript med öppen åtkomst och en Matlab-verktygslåda för hårdvarukontroll respektive beteendeuppgiftsspecifikationer. Verktygslådan innehåller en valfri trappprocedur som möjliggör automatiserad beteendeträning. Den kompletta hårdvaruinställningen, som kan installeras i anpassade kamrar, och den fritt anpassningsbara programvaran uppmuntrar icke-standardiserad uppgift och kammardesign. Systemets utformning och öppen källkod för hårdvarukontroll och experimentell installation beskrivs.
5-CSRTT är ett beteendetest, som ofta används hos gnagare för att studera visuella uppmärksamhetsprocesser och impulsivitet 1,2,3,4,5,6, såsom att bestämma det kolinerga systemets roll i uppmärksamhet och påverkan av noradrenalinåterupptagshämmare på impulsiva beteenden 7 . Standardapparaten möjliggör observation av olika kontrollåtgärder såsom svarsnoggrannhet, reaktionstider, impulsivt och tvångsmässigt beteende, motorisk förmåga och motivation 1,2,3,4,5. Den består av en horisontell uppsättning av fem LED-utrustade bländare, ett matmagasin på kammarväggarna som motsätter sig öppningarna och huslampor 2,5. I en typisk uppgift tänds husljuset, och början av en session markeras av belysningen av matmagasinet, där en fri pellets levereras. Försökskursen inleds när djuret nosar på magasinet för att hämta pelletsen1. Därefter släcks matmagasinlampan och interförsöksintervallet (ITI) startar, under vilket djuret ska rikta sin uppmärksamhet mot öppningarna. När ITI har gått presenteras en stimulansbelysning i en av öppningarna 1,2,5. Stimulansen ges för en specifik längd som kallas stimulansvaraktigheten (StD). Djuret kan reagera på stimulansen medan den presenteras eller under ett begränsat tidsfönster efter att StD är över, känd som begränsat håll (LH). För att svara måste djuret nosa på målöppningen och om det görs korrekt släpps en belöning i mattidningen 1,2,5. Annars resulterar alla felaktiga svar, liksom eventuella svar före stimulanspresentation (förutseende eller för tidigt) eller underlåtenhet att svara (utelämnande) i en timeout (TO), under vilken huslampan stängs av under en viss varaktighet 1,2,5 (Figur 1). I allmänhet mäter den diskriminerande stimulansnoggrannheten uppmärksamhetsfunktion, medan för tidiga och uthålliga svar (upprepade svar vid bländarna efter stimulanspresentation) betraktas som mått på impulsivt beteende respektive tvångsmässighet 1,4,5,6.
Figur 1: Möjliga försökssekvenser av en typisk 5-CSRTT. Efter intertrialintervallet tänds stimuluslampan under en viss varaktighet och stängs sedan av under det begränsade hållintervallet. Råttan kan antingen svara rätt och få en belöning eller svara fel och få en timeout under denna tid. Om råttan inte svarar i tid, resulterar dess utelämnande i en timeout. På samma sätt, om den svarar före presentationen av ljusstimulansen, resulterar dess för tidiga svar i en timeout. En annan utvärderingsversion startar efter insamlingen av belöningen eller slutet av tidsgränsen. Klicka här för att se en större version av denna figur.
5-CSRTT används ofta på grund av dess flexibilitet: genom att ändra parametrar för försöksdesignen kan olika underkategorier av uppmärksamhet undersökas. Till exempel, medan djuret ska dela sin uppmärksamhet över de fem olika öppningarna (visuospatial uppmärksamhet), möjliggör användningen av irrelevanta stimuli (t.ex. hörselstimuli) testning av selektiv eller ihållande uppmärksamhet 1,2,5,6. För detta ändamål kan den experimentella installationen utökas genom att inkludera högtalare, som kan användas som distraherande eller till och med förstärkande stimuli 1,2,5,6. Dessutom kan uppmärksamhetsbelastningen moduleras direkt genom att ändra stimulanspresentationen eller randomisera ITI-varaktigheten10. 5-CSRTT används inte bara hos gnagare 3,7, utan har nyligen anpassats för att testa icke-mänskliga primater 1,7,8 och fisk 7,9, vilket ytterligare visar dess genomförbarhet. En helt anpassningsbar 5-CSRTT verktygslåda möjliggör enkel anpassning av standardgnagarparadigmet till andra djurmodeller. Dessutom uppmuntrar anpassningsflexibiliteten hos 5-CSRTT-verktygslådan också forskning med hjälp av icke-standardiserade uppgiftsdesigner.
Den helt anpassningsbara 5-CSRTT-verktygslådan som presenteras här innehåller ett Arduino-skript för hårdvarukontroll, programmerat i en integrerad utvecklingsmiljö. Den består också av en Matlab-verktygslåda (version R2019b eller yngre) för experimentkontroll. Följande protokoll förklarar hur du konfigurerar verktygslådan 5-CSRTT med det allmänt använda standardparadigmet och visar valfria konfigurationer för icke-standardiserade paradigmer.
Det nuvarande protokollet syftar till att utveckla och testa ett billigt och helt anpassningsbart alternativ till den vanliga, kommersiellt tillgängliga 5-vals seriella reaktionstidsuppgiftsapparaten. Vanligtvis tillhandahåller kommersiellt tillgängliga typer av apparater en begränsad uppsättning funktioner efter behov för att köra standardforskningen 5-CSRTT. På grund av detta är icke-standardiserade modifieringar i den specifika försöksdesignen, såsom förändringar i försökssekvensen eller målstimulanskombinationerna, vanligtvis inte möjliga. Dessutom kommer många av de tillgängliga typerna av apparater med specifik, sluten programvara som kanske inte ger tillgång till alla beteendedata i experimentet, såsom tidpunkten och bländarantalet för för tidiga och uthålliga svar. Däremot är den viktiga fördelen med verktygslådan som presenteras här – förutom dess låga kostnad – möjligheten att implementera många olika försöksdesigner och forskningsparadigmer. För närvarande stöder verktygslådan definitionen av flera stimulansdesigner, såsom att tillåta nedtonade stimuli och använda två pelletsleveranssystem och belöna beroende av reaktionstid. Den stöder också användningen av en miniatyrhögtalare för hörselåterkoppling. Det primära syftet är dock att möjliggöra enkla modifieringar av testsekvensen enligt användarens mål, till exempel att införa nedtonade tända bländare och belöna scheman för beslutsfattande uppgifter eller integrera toppmoderna positiva förstärkningsträningsmetoder11. Dessutom görs alla rådata som förvärvats under sessionen tillgängliga för vidare analys. Verktygslådan tillhandahåller en trappfunktion för automatiserad beteendeträning, som också är helt anpassningsbar och gör det möjligt för användaren att ändra kriterierna för varje nivåuppdatering, antalet träningsnivåer och parametrarna som ska uppdateras. Dessutom är själva apparaten mycket anpassningsbar, och förändringar i försöksdesignen och kammarlayouten är lätt genomförbara, vilket gör det möjligt att tillämpa 5-CSRTT-paradigmet på djurarter som behöver en annan forskningsdesign än vad de kommersiellt tillgängliga typerna av apparater erbjuder.
Specifika delar av protokollet för programvarukonfigurationen är avgörande för att säkerställa ett smidigt arbetsflöde: särskilt för experimentets första dag är förberedelsen av både hårdvaru- och experimentkontrollprogramvaran (steg 2 och 3) och konfigurationen av steg 5.3 avgörande. Att säkerställa att den seriella portanslutningen mellan mikrokontrollerns hårdvara, dess programvara och experimentkontrollprogramvaran fungerar korrekt är avgörande för att upprätta en fullt fungerande 5-CSRTT-verktygslåda. I början av varje experimentdag är det lämpligt att upprepa de tre stegen som nämns ovan för att säkerställa att maskinvaru- och experimentkontrollskripten är korrekt konfigurerade.
Slutligen är den nuvarande begränsningen av verktygslådan dess implementering till en exklusiv programmeringsplattform, vilket tyvärr äventyrar dess användning som en komplett verktygslåda med öppen källkod. Ändå bör verktygslådan i princip vara lätt att anpassa till andra programmeringsspråk som Python eftersom en prövning förblir oförändrad.
I jämförelse med befintliga alternativa metoder tillåter 5-CSRTT-verktygslådan som introduceras här implementeringen av standard 5-CSRTT-paradigmet och modifieringar av det som att definiera ett inställt tidsfönster för uthålliga svar eller införa distraherande eller förstärkande stimuli som högtalare eller blinkande lampor. Förutom att den är lätt att använda och mycket anpassningsbar, är apparaten billig och kan enkelt replikeras, och den stimulerar forskning med hjälp av djurmodeller som inte är gnagare.
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete stöds av DFG WE 5469/3-1.
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 |