Summary
Den nåværende protokollen beskriver utviklingen av en åpen kildekode 5-valg seriell reaksjonstid oppgaveverktøykasse for gnagerdyrmodeller, ved hjelp av Arduino og relatert maskinvare og en allsidig Matlab verktøykasse, inkludert et valgfritt skript for automatisert atferdsopplæring. Skriptene kan tilpasses og lette implementeringen av forskjellige prøve- og testdesign.
Abstract
Den 5-valg serielle reaksjonstidsoppgaven (5-CSRTT) er en atferdstest som ofte brukes til å studere visuospatial oppmerksomhet og impulsivitet hos gnagere. Oppgaven krever at dyr tildeler oppmerksomhet til et horisontalt utvalg av fem små blenderåpninger utstyrt med lyskilder, og innen et begrenset tidsvindu, nese-poke en opplyst målåpning for å få en matbelønning på matmagasinet som ligger i motsatt vegg av kammeret. Oppgaven vurderer atferdskontrolltiltak som responsnøyaktighet og reaksjonstider og gjør det mulig å utlede selektiv oppmerksomhet og impulsivitet. Oppgavevansker kan kontrolleres ved å endre stimulusvarigheten og oppgaveutformingen generelt. Kommersielt tilgjengelig apparat består vanligvis av et eksperimentelt kammer og spesiell programvare for å spesifisere oppgaveparametere, men på grunn av fast hard- og programvare utgjør de mange begrensninger på endringer i den generelle eksperimentelle designen og spesifikke oppgavekrav og tilhørende datautgang. Denne artikkelen forklarer et fullt tilpassbart alternativ basert på en brukervennlig enkeltkorts mikrokontroller og standard elektrotekniske komponenter, et Arduino-skript med åpen tilgang og en Matlab-verktøykasse for henholdsvis maskinvarekontroll og atferdsmessige oppgavespesifikasjoner. Verktøykassen inneholder en valgfri trappprosedyre som muliggjør automatisert atferdstrening. Det komplette maskinvareoppsettet, som kan installeres i tilpassede kamre, og den fritt tilpasningsdyktige programvaren oppmuntrer til ikke-standardisert oppgave- og kammerdesign. Utformingen av systemet og åpen kildekode for maskinvarekontroll og eksperimentelt oppsett er beskrevet.
Introduction
5-CSRTT er en atferdstest, ofte brukt hos gnagere for å studere visuelle oppmerksomhetsprosesser og impulsivitet 1,2,3,4,5,6, for eksempel å bestemme kolinerge systemets rolle i oppmerksomhet og påvirkning av norepinefrinreopptakshemmere på impulsiv atferd7 . Standardapparatet gjør det mulig å observere ulike kontrolltiltak som responsnøyaktighet, reaksjonstider, impulsiv og tvangsmessig oppførsel, motorisk evne og motivasjon 1,2,3,4,5. Den består av et horisontalt utvalg av fem LED-utstyrte blenderåpninger, et matmagasin på kammerveggene som er imot blenderåpningene, og huslys 2,5. I en typisk oppgave lyser huslyset, og begynnelsen av en økt er preget av belysningen av matmagasinet, hvor en fri pellet leveres. Prøvekurset startes når dyret nese-stikker magasinet for å hentepellets 1. Deretter slukkes matmagasinlyset, og intervallet mellom rettssakene (ITI) starter, hvor dyret skal rette oppmerksomheten mot blenderåpningene. Når ITI går, presenteres en stimulusbelysning i en av blenderåpningene 1,2,5. Stimulansen er gitt for en bestemt lengde kjent som stimulusvarigheten (StD). Dyret kan reagere på stimulansen mens den presenteres eller i løpet av et begrenset tidsvindu etter at StD er over, kjent som begrenset hold (LH). For å svare må dyret nese-stikke målåpningen, og hvis det gjøres riktig, frigjøres en belønning i matmagasinet 1,2,5. Ellers resulterer feil respons, samt eventuelle svar før stimuluspresentasjon (forventningsfull eller for tidlig) eller manglende respons (utelatelse) i et tidsavbrudd (TO), der huslyset slås av i en viss varighet 1,2,5 (figur 1). Generelt måler den diskriminerende stimulusnøyaktigheten oppmerksomhetsfunksjon, mens for tidlige og utholdenhetsmessige responser (gjentatte svar på blenderåpningene etter stimuluspresentasjon) betraktes som mål på impulsiv oppførsel og tvang, henholdsvis 1,4,5,6.
Figur 1: Mulige prøvesekvenser av en typisk 5-CSRTT. Etter intertrialintervallet slås stimuluslyset på for en bestemt varighet, og deretter slås det av under intervallet for begrenset hold. Rotten kan enten svare riktig og motta en belønning eller svare feil og få et tidsavbrudd i løpet av denne tiden. Hvis rotten ikke svarer i tide, resulterer utelatelsen i en tidsavbrudd. På samme måte, hvis den reagerer før presentasjonen av lys stimulansen, resulterer dens for tidlige respons i en tidsavbrudd. En annen prøveperiode starter etter innsamlingen av belønningen eller slutten av tidsavbruddsperioden. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
5-CSRTT er mye brukt på grunn av sin fleksibilitet: Ved å endre parametrene for prøvedesignet, kan forskjellige underkategorier av oppmerksomhet undersøkes. For eksempel, mens dyret skal dele sin oppmerksomhet over de fem forskjellige blenderåpningene (visuospatial oppmerksomhet), muliggjør bruk av irrelevante stimuli (f.eks. auditive stimuli) testing av selektiv eller vedvarende oppmerksomhet 1,2,5,6. Til dette formålet kan det eksperimentelle oppsettet utvides ved å inkludere høyttalere, som kan brukes som distraherende eller til og med forsterke stimuli 1,2,5,6. Videre kan oppmerksomhetsbelastningen moduleres direkte ved å endre stimuluspresentasjonen eller randomisere ITI-varigheten10. 5-CSRTT brukes ikke bare hos gnagere 3,7, men har nylig blitt tilpasset for å teste ikke-menneskelige primater 1,7,8 og fisk 7,9, noe som ytterligere viser muligheten. En fullt tilpassbar 5-CSRTT verktøykasse gir enkel tilpasning av standard gnagerparadigme til andre dyremodeller. Videre oppmuntrer tilpasningsfleksibiliteten til 5-CSRTT-verktøykassen også forskning ved hjelp av ikke-standard oppgavedesign.
Den fullt tilpassbare 5-CSRTT-verktøykassen som presenteres her, inneholder et Arduino-skript for maskinvarekontroll, programmert i et integrert utviklingsmiljø. Den består også av en Matlab verktøykasse (versjon R2019b eller yngre) for eksperimentkontroll. Følgende protokoll forklarer hvordan du konfigurerer 5-CSRTT-verktøykassen med det mye brukte standardparadigmet og viser valgfrie konfigurasjoner for paradigmer som ikke er standard.
Protocol
Den eksperimentelle prosedyren i denne protokollen ble utført etter anbefalingene fra EU-direktivet 2010/63 for velferden til eksperimentelle dyr og i samsvar med dyrevelferdsloven utstedt av den føderale regjeringen i Tyskland og ble godkjent av lokale myndigheter. Siden forskningen bare krevde atferdstrening, ble ingen dyr euthanized, og alle ble holdt i husdyrholdet etter at forskningen ble utført. Forskningen ble utført ved hjelp av ti mannlige Lister hette rotter (4 måneder gammel ved starten av atferdstrening).
1. Dyrehus, husdyrhold og håndtering
- Husrotter sammen med opptil fem kullkamerater i et standardbur med egnet sengetøymateriale, i henhold til dyrevelferdsutvalgets anbefalinger.
- Hold rottene i et ventilert rom med en kontrollert temperatur på 20 ± 2 °C og relativ fuktighet på maksimalt 50 % med en lys-/mørk syklus på 12:12 timer, eller i samsvar med dyrevelferdskomiteens anbefalinger. Begrens tilgangen til mat (12 g chow om dagen per rotte, se Materialfortegnelse) og gi ubegrenset tilgang til vann.
- Merk dyrenes haler ved hjelp av en permanent ikke-giftig blekkmarkør.
- Før du starter atferdseksperimentet, må du håndtere rotter i minst en uke til de er vant til å bli håndtert av eksperimenter, og introdusere rotter til de givende matpellets for å redusere mat neofobi.
2. Forberedelse av maskinvare og kontrollprogramvare
- Åpne den fritt tilgjengelige IDE-programvaren (Integrated Development Environment) (se Materialliste). Klikk på Fil > Åpne og klikk på skriptet for maskinvarekontroll (Tilleggsfil 1).
- Koble mikrokontroller-USB-en til datamaskinen. Kontroller om den automatisk valgte kort- og prosessorinformasjonen samsvarer med det tilkoblede mikrokontrollerkortet ved å klikke på Verktøy øverst til venstre på skjermen. Velg den tilsvarende kort- og prosessorinformasjonen, og klikk på Port for å velge den tilgjengelige porten.
- Øverst til venstre på skjermen klikker du på Skisse > Inkluder bibliotek > Behandle biblioteker. I det nyåpnede Library Manager-vinduet skriver du inn begrepet "Adafruit Motor Shield V2" i søkefeltet og klikker på Installer-knappen på det tilsvarende biblioteket. Gjenta den samme prosessen for søkeordet "Adafruit Neopixel".
- Øverst til venstre på skjermen klikker du på Bekreft (knappen med et merke) for å sikre at det ikke er noen feil i skriptet. Klikk på Last opp (knappen med en pil til høyre) for å laste opp skriptet til mikrokontrollerkortet.
3. Utarbeidelse av programvaren for eksperimentkontroll
- Kontroller at alle de fire skriptene og funksjonene for eksperimentkontrollen er plassert i samme mappe.
- Åpne programmeringsplattformen, klikk på fanen HOME-verktøylinjen øverst på skjermen, og klikk på Angi bane. Klikk legg til mappe og velg mappen som inneholder alle eksperimentkontrollskriptene.
- Klikk på Lagre og lukk Set Path-vinduet . Klikk på Åpne på hjem verktøylinje fanen på øverste halvdel av skjermen og åpne følgende skript og funksjoner: Bruker (Supplementary File 2), Staircase (Supplementary File 3) og DataProc (Supplementary File 4).
- Følg instruksjonene for nedlasting og installasjon av Psychtoolbox-programvaren for å aktivere ESC-knappfunksjonaliteten som brukes av verktøykassen (se Materialfortegnelse for tilgangskoblingen).
4. Konfigurasjon av parametere som brukes i 5-CSRTT-verktøykassen
- Forbered verktøykassen for habituation.
MERK: Figur 2 representerer 5-CSRTT-apparatet som brukes for den aktuelle studien.- Velg det åpne brukerskriptet . Kontroller at habituation-variabelen på linje 7 er satt til True. Skriv et tall i minutter (f.eks. '30' i 30 min) på linje 8 for å angi en tidsbegrensning for habituation. På linje 9 skriver du et tall mellom 0,01 og 1 (full lysstyrke) for å velge et lysstyrkenivå for stimuluslyset.
MERK: Lysstyrkenivået som brukes i dette prosjektet er satt til 0,2. - Utfør atferdseksperimentet (trinn 5).
- Velg det åpne brukerskriptet . Kontroller at habituation-variabelen på linje 7 er satt til True. Skriv et tall i minutter (f.eks. '30' i 30 min) på linje 8 for å angi en tidsbegrensning for habituation. På linje 9 skriver du et tall mellom 0,01 og 1 (full lysstyrke) for å velge et lysstyrkenivå for stimuluslyset.
- Klargjør verktøykassen for eksperimentøkten.
- Velg det åpne brukerskriptet . Kontroller at variabelen på linje 7 er definert som Usann.
- På linje 12 skriver du inn katalogbanen der eksperimentdataene lagres automatisk (for eksempel C:\Brukere\trener\Skrivebord\5CSRTT). Kontroller at det finnes en mappe med nøyaktig dette navnet.
- Skriv inn emneidentifikasjonen på linje 13 (f.eks.
- Kontroller at variabelen på linje 14 er definert som Sann, slik at dataene som genereres, automatisk lagres i katalogbanen.
- Kontroller at variabelen på linje 15 er definert som Sann, og skriv inn et tall på linje 16 og 17 for å angi en prøve- og tidsbegrensning (i min)., hvoretter programmet automatisk stopper.
- Konfigurer parameterne for et standard 5-CSRTT-paradigme.
- Kontroller om variabelen på linje 32 er satt til True for en gratis pelletslevering før den første studien. Definer variabelen på linje 33 som sann for å sikre en magasinoppføring før hver prøveversjon starter. Kontroller om variabelen på linje 34 er angitt som definert, og skriv inn et tall på linje 35 for å angi lengden på ITI i sekunder.
- Kontroller at variabelen som er definert på linje 37, er satt til True, slik at prøveversjoner med for tidlige svar ikke påvirker prøvegrensen for økten. Skriv inn en numerisk verdi på linje 38 som definerer lengden på begrenset sperring (LH) i sekunder.
- Kontroller at variabelen på linje 39 er satt til Ingen, og at variabelen på linje 40 er definert som Usann. Skriv inn et tall på linje 41 for å definere TIL-lengden i sekunder, og kontroller at variabelen på linje 42 er satt til Usann.
- Skriv inn en numerisk verdi på linje 45 som tilsvarer antall blenderåpninger som kan belyses (f.eks. Kontroller at variabelen på linje 46 er definert som 'pseudorandom' eller 'tilfeldig' og skriv inn et tall på linje 47, og angi StD-lengden i sekunder. Kontroller om variabelen på linje 48 er definert som "enkel", og den numeriske verdien på linje 49 er "1". På linje 50 skriver du inn et tall for å definere lysstyrken til måls stimulansen.
- Kontroller om variablene på linje 64 og 65 er definert som henholdsvis binære og ikke-avhengige. Skriv inn en numerisk verdi på linje 71 som tilsvarer antall matpellets som skal frigjøres etter en riktig nese-poke.
- Utfør atferdseksperimentet (trinn 5).
- Konfigurer parameterne for et ikke-standard 5-CSRTT-paradigme.
MERK: Alle trinnene som er beskrevet i denne underkapteren, er valgfrie.- Hvis det ønskes en automatisk ytelseskontroll for bruk av den automatiserte trappens opplæringsprosedyre, må du kontrollere at variabelen på linje 18 er definert som sann og skrive inn en numerisk verdi på linje 20 som definerer frekvensen for ytelseskontrollen. Skriv inn et tall på linje 21 for å definere det minste antallet forsøk som skal fullføres i løpet av gjeldende økt, før du beregner emnets ytelse. Kontroller at variabelen på linje 21 er definert som "all", slik at alle prøveversjoner av gjeldende økt er inkludert i ytelseskontrollen.
- Kontroller at variabelen på linje 22 er satt til True, slik at programmet oppdaterer parameterne for gjeldende økt slik at de samsvarer med en tidligere fullført økt. På linje 23 skriver du inn 'siste' for å fastslå at den siste økten skal lastes opp.
MERK: Programmet vil oppdatere parametrene basert på spesifikasjoner i "Trapp" -funksjonen, hoppe til det tidligere fullførte nivået. Et bestemt datasett som skal lastes opp, kan også velges ved å skrive inn den nøyaktige banen til datafilen med ".mat" -slutt. - Hvis den automatiserte atferdsopplæringen ønskes, må du kontrollere at variabelen på linje 26 er satt til True. Skriv inn en numerisk verdi på linje 27 og 28 for å definere treningsnivået som skal begynne med, og det totale antallet tilgjengelige nivåer. Hvis det er ønskelig med en inndeling av kohorter, skriver du inn et navn (for eksempel gruppe1) på linje 29 som angir gruppen.
MERK: Hver gruppe kan bruke sitt eget sett med opplæringsnivåer og kriterier for nivåoppdateringer. Parameterne for hver gruppe er definert i funksjonen "Trapp" (trinn 4.2.8.). - På linje 34 skriver du inn 'tilfeldig' hvis en randomisert ITI-varighet er ønsket. Skriv inn et numerisk intervall (for eksempel [0,2]) for å definere intervallet som inneholder et randomisert tall som skal legges til den faste ITI-varigheten.
- For å sikre at forsøk med for tidlige svar påvirker øktens prøvegrense, skriver du inn 'usann' på linje 37.
- Hvis du vil definere et tidsvindu der flere nesestikker skal telles som utholdende svar, skriver du inn en numerisk verdi på linje 39. Skriv inn true på linje 40 slik at for tidlige svar fremkaller et tidsavbrudd.
- Hvis du vil definere ulike grupperinger av målåpningene, skriver du inn "nabo", "forskjøvet" eller "alle" på linje 48. Skriv inn en numerisk verdi på linje 49, og definer det totale antallet målåpninger. Hvis det ønskes nedtonede stimuli, skriver du inn en numerisk verdi på henholdsvis linje 51 og 52, som definerer det totale antallet nedtonede blenderåpninger og lysstyrken.
- Hvis utslipp av en kort tone (Tone C4, 262 Hz (Scientific Pitch Notation)) før stimuluspresentasjon ønskes, må du sørge for at variabelen på linje 55 er satt til "sann". Skriv inn numeriske verdier på linje 56, 57 og 58 for å definere tidsvinduet (i millisekunder) mellom høyttalerens tone- og stimuluspresentasjon, tonens varighet (i millisekunder) og tonens volum (tall mellom 0 (ingen tone) og 1 (fullt volum) er tillatt).
- Hvis utslipp av en kort tone (Tone C6, 1047 Hz) etter en vellykket nesestikk er ønsket, må du sørge for at variabelen på linje 59 er satt til "sann". Skriv inn en numerisk verdi på linje 60 og 61 som definerer tonens varighet (i millisekunder) og tonens volum (tall mellom 0 (ingen tone) og 1 (fullt volum) er tillatt).
- Hvis svarene i nedtonede opplyste blenderåpninger skal belønnes, må du kontrollere at variabelen på linje 64 er satt til "ikke-binær". Skriv inn en numerisk verdi på linje 73 for å definere antall matpellets som leveres for nesestikk i nedtonede opplyste blenderåpninger.
- Hvis du bruker mer enn én pelletsdispenser, skriver du inn det tilsvarende motornummeret på linje 70 og 72 for nesestikker i målåpninger og dimmede opplyste blenderåpninger.
MERK: Motornummeret kan være enten 1 eller 2. Det tilsvarende motorskjoldets skrueklemmer M3 og M4 er definert i skriptet for maskinvarekontroll. - Hvis du ønsker å vurdere belønningen basert på reaksjonstid, må du sørge for at variabelen på linje 65 er satt til «avhengig».
- Definer avhengigheten av nese-pokes i målåpninger ved å skrive inn numeriske verdier på linje 67 som vil dele reaksjonstiden (i sekunder), motornummer og antall matpellets som skal leveres i forskjellige kategorier, slik at et bestemt reaksjonstidsintervall tilsvarer et valgt motornummer og antall pellets.
- Skriv inn tall på linje 68 for å definere forskjellige kategorier for reaksjonstid (i sekunder), motornummer og antall matpellets som skal leveres for nesestikker i nedtonede opplyste blenderåpninger.
- Konfigurer Trappefunksjonen ved å følge trinnene nedenfor.
MERK: Dette trinnet er valgfritt.- Velg den åpne trappefunksjonen . På linje 4 skriver du inn navnet på den første gruppen (f.eks. Hvis det er aktuelt, skriver du inn navnet på den andre gruppen (f.eks.
- Hvis du vil endre parameterne for det andre treningsnivået for den første gruppen, skriver du inn en av parameterne som er beregnet i ytelseskontrollen på linje 17 (for eksempel PerformanceCheck.NumCorrect >= 30 hvis kriteriene svarer riktig på 30 nesestikker).
MERK: Ikke endre parameteren "Config_trigger == 2" når du bruker den automatiske innlastingen av forrige økt (trinn 4.2.7.2.). - På linje 19 skriver du inn en variabel du vil oppdatere, og en numerisk verdi hvis det er aktuelt (for eksempel 'Config.LED.StimDuration = 30' for å sette StD-lengden til 30 s).
MERK: Antall parametere som skal endres og deres nye verdi kan velges fritt. Det eneste kravet er at parameteren som skal oppdateres, må skrives inn etter variabelen UpdateTrigger = 1 på hvert nivå som oppdateringen ønsker.
- Konfigurer DataProc-funksjonen.
- Velg den åpne DataProc-funksjonen . Hvis et diagram med øktens oversikt må tegnes inn og lagres automatisk, skriver du inn kommandoene for ønsket plott fra linje 83 og fremover.
MERK: Gjeldende kommandoer på linje 83 plotter videre en oversikt over øktens utfall og noen nødvendige kontrolltiltak, for eksempel totalt antall for tidlige svar eller antall matpanelpresser under en ITI.
- Velg den åpne DataProc-funksjonen . Hvis et diagram med øktens oversikt må tegnes inn og lagres automatisk, skriver du inn kommandoene for ønsket plott fra linje 83 og fremover.
5. Atferdseksperiment
- Transporter rotteburet fra vivariumet til det eksperimentelle rommet minst 30 min før habituation eller eksperimentøkt for å gjøre dyrene kjent med testrommet.
- For habituation økten, forberede operant kammeret ved å plassere to belønning mat pellets i hver av blenderåpningene og fem matpellets i magasinet døren. Konfigurer parameterne for økten ved å følge trinn 2-4.1.
MERK: Operantkammeret som ble brukt til denne protokollen var en modifisert Skinner PVC-boks med dimensjoner 30 x 30 x 45 cm.
MERK: For det første habituation-stadiet, tape magasinklaffdøren for å forbli åpen. For det andre habituation-stadiet, fjern båndet på magasinklaffdøren. - Velg det åpne brukerskriptet . Kontroller at COM-beskrivelsen på linje 75 samsvarer med den valgte tilgjengelige porten i trinn 2.2. Hvis den ikke samsvarer, endrer du den numeriske verdien i eksperimentkontrollskriptet (for eksempel fra COM3 til COM4).
- Plasser rottene forsiktig i kammeret.
- I det åpne brukerskriptet klikker du på redigeringsverktøylinjen på øverste halvdel av skjermen, og deretter klikker du på den grønne avspillingsknappen Kjør. Kontroller om programmet kjører som det skal, ved å lese informasjonen "Kommandovindu".
- Hvis du vil stoppe eksperimentet når som helst, trykker du ESC på datamaskinens tastatur. Vent til en melding vises på kommandovinduvisningen. Skriv inn "y" og trykk enter-tasten på datamaskinens tastatur for å stoppe gjeldende økt og lagre de innsamvede dataene.
- Når habituation- eller økttiden eller prøveperioden er nådd (henholdsvis trinn 4.1.1 eller 4.2.5), kontrollerer du meldingen som vises på kommandovinduvisningen. Skriv inn "y" og trykk enter-tasten på datamaskinens tastatur for å stoppe gjeldende økt.
MERK: Meldingen vises bare i begynnelsen av en ny prøveversjon og stopper den pågående økten til et svar er skrevet inn ("y" for å stoppe økten eller "n" for å fortsette eksperimentet). - I tilfelle av en habituation økt, sjekk om rotten konsumerte alle matpellets. Gjenta habituation scenen til alle pellets er konsumert før du går videre til neste habituation stadium eller, etter andre fase, starte 5-CSRTT trening.
- Etter økten rengjør du veggene og gulvet i operantkammeret, for eksempel med en 70% etanolløsning og papirhåndkle. Før du introduserer neste rotte, vent i 2-3 min til etanollukten sprer seg.
- Når eksperimentdagen er over, kobler du mikrokontroller-USB-en fra datamaskinen. Du kan også lukke begge skriptene for maskinvare og eksperimentkontroll.
Representative Results
Figur 2: 5-CSRTT-apparatet som brukes til den aktuelle studien. Apparatet kjører på en bærbar DATAMASKIN utstyrt med 5-CSRTT verktøykasse, som gir et skript for å kontrollere mikrokontrolleren og alt relatert utstyr og flere skript for å kontrollere 5-CSRTT-eksperimentet. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Den fullt tilpassbare verktøykassen er enkel å bruke og basert på en enkeltkorts mikrokontroller og standard elektrotekniske komponenter. Figur 3 viser et forenklet krets- og koblingsdiagram. Hele blenderåpningen består av 5 lysdioder som lysstimuli og fem infrarøde sensorer for å oppdage nesestikker. Huslyset består av en stripe med åtte lysdioder, og matmagasinet er laget av en blenderåpning med en klaffdør med en mikrobryter, en motordrevet pelletsdispenser og en stripe med åtte lysdioder for belysning. Kretsen eksemplifiserer også tilkoblinger for valgfrie komponenter som den passive summerhøyttaleren for auditiv tilbakemelding og et digitalt potensiometer for volumjustering. Hvis du vil ha en liste over utstyret som brukes til å utvikle denne verktøykassen, kan du se Materialfortegnelser.
Figur 3: Forenklet krets av mikrokontrollermaskinvaren. For å være enkelt og raskt tilpassbart, er mikrokontrollerutstyret koblet til via et brødbrett. Fra øverst til venstre til nederst til venstre, med klokken: Et mikrokontrollerkort er koblet til et motorskjold og en LIKE-motor (som representerer pelletsdispensermotoren). Til høyre er LED-stripene for både huset og matmagasinlysene, og i midten er alle fem hvite lysdioder for stimuluslyset og de fem infrarøde sensorparene som brukes i blenderåpningene. Under mikrokontrollerkortet er en enkel mikrobryter (som representerer bryteren som brukes i matmagasinets klaffdør). Til slutt er en passiv buzzerhøyttaler og et digitalt potensiometer avbildet i midten. Dette bildet ble laget ved hjelp av open source-programvaren Fritzing. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 4: Kobling og funksjoner for alle komponenter i eksperimentkontrollskriptene og det forenklede diagrammet for "Code"-funksjonen. (A) "Bruker"-skriptet sender sine parametere til "Code" -funksjonen, som igjen lenker direkte til "Staircase" -funksjonen, slik at den kan oppdatere enhver parameter som brukes i "Code" -funksjonen mens eksperimentet pågår. Kode-funksjonen sender deretter resultatene til "DataProc"-funksjonen på slutten av økten. (B) Før du starter en eksperimentøkt, sjekker "Code" -funksjonen først om den skal starte habituation-protokollen. Hvis ikke, definerer den parameterne basert på definisjonene som er valgt i "Bruker"-skriptet. Før hver prøveversjon begynner, kontrollerer funksjonen deretter om ESC-tasten på tastaturet ble trykket. Hvis ikke, fortsetter den med en ny prøveperiode. Ellers stopper den eksperimentøkten og sender de innsamlede dataene til DataProc-funksjonen. Denne kritiske kontrollen før hver prøvestart gjør at programmet kan stoppe før en valgt tidsbegrensning er nådd. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Interaksjoner mellom de ulike eksperimentkontrollskriptene kan ses i figur 4A. Skriptet "Bruker" inneholder alle parameterne som definerer eksperimentet. Der kan variabler som bestemmer eksperimentets timing, antall og lysstyrke av opplyste stimuli, ITI-varighet og lignende, fritt velges. Code-funksjonen (Supplementary File 5) inneholder en detaljert beskrivelse av en enkelt prøveversjon og alle mulige resultater, som gjentas gjennom hele eksperimentet, som vist i figur 4B. Videre består den av en protokoll for dyrets habituation til apparatet. Code-funksjonen kontrollerer også regelmessig dyrets ytelse. Videre er Trappefunksjonen valgfri. Fagets ytelse sammenlignes med tidligere fastsatte kriterier, og ønskede parametere oppdateres automatisk hvis dyrets ytelse oppfyller disse kriteriene. Trappefunksjonen kan også vurdere de oppkjøpte resultatene fra forrige dags økt. Mens eksperimentet kjører, vil en ytelseskontroll på slutten av en prøveversjon beregne nøyaktighet, utelatelser og totalt antall riktige svar på fullførte forsøk og sammenligne resultatet med ønskede kriterier for en nivåoppdatering, som angitt i Trappefunksjonen. Til slutt behandler DataProc-funksjonen alle innsamlede data og genererer enkle grafer for rask analyse. På slutten av en økt lagrer verktøykassen automatisk alle dataene i en *.mat-fil og genererer en ekstra * .xlsx fil med viktig informasjon fra eksperimentet.
Figur 5: Eksempel på ulike stimuluskonfigurasjoner av 5-CSRTT-verktøykassen. Diagrammet eksemplifiserer mulige kombinasjoner av målstimuli i avhengighet av den valgte konfigurasjonen. Både "alle" og "enkle" konfigurasjoner brukes i standardparadigmet (for habituation og atferdseksperiment). De "nabo" og "forskjøvet" konfigurasjoner viser ikke-standard stimulanskonfigurasjoner, slik at bruk av andre antall opplyste stimuli, som også kan ha en annen kontrast enn målstimulansen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Protokolltrinn 4.2.7.7 nevner en valgfri funksjon: endre grupperingen av målåpninger. Standard 5-CSRTT paradigme benytter seg av en enkelt mål stimulus. Her eksemplifiserer vi hvordan verktøykassen som presenteres tillater modifikasjoner av standardparadigmet. Figur 5 viser noen mulige gruppekombinasjoner av totalt fem blenderåpninger angående den valgte konfigurasjonen. "Alle"-konfigurasjonen lyser opp alle tilgjengelige blenderåpninger slik at hver blenderåpning nå er en målåpning, noe som kan være nyttig i de første treningsstadiene. Nabokonfigurasjonen sørger for at det (fritt valgte) antallet målåpninger vil være nærliggende hverandre. Innstillinger kan spesifiseres slik at naboene ikke vil være identiske med målåpningen, men belyses ved lavere (eller enda høyere) kontrast. Bruken av blenderåpninger med forskjellige belysningskontraster gjør det mulig å teste nye paradigmer, for eksempel å bruke forskjellige graderte belønninger for nesestikk i høy- eller lavkontraståpningene. Figur 5 viser et eksempel med tre målåpninger med identisk belysning. Den enkle konfigurasjonen brukes vanligvis i standard 5-CSRTT, der bare ett enkelt mål lyser. Til slutt utvider den forskjøvete konfigurasjonen nabokonfigurasjonen. Det skifter naboens stimulans mot den siste eller første blenderåpningen i tilfelle målåpningen er på henholdsvis første eller siste posisjon. Som i nabokonfigurasjonen kan naboens belysningsstyrke fritt velges, enten det er det samme eller forskjellig fra målåpningen. Også antall generelle opplyste stimuli kan fritt velges. Verktøykassen beregner deretter alle mulige stimuli automatisk. Parameteren "Config.LED.NumHighLED" må imidlertid settes til "1" for denne konfigurasjonen.
Etter protokollen ble opplæring av rotter (N = 10) for 5-CSRTT utført i henhold til opplæringsstadiene som presenteres i tabell 1.
Tabell 1: 5-CSRTT treningsplan og kriterier for å gå til neste nivå. (A) Intervallet mellom prøvene ble holdt konstant ved 5 s på hvert treningsnivå. (B) Stimulusvarighet for hvert treningsnivå. (C) Tidsvindu for begrenset hold (LH), maksimal tid tolerert mellom stimulus av og nese-poke respons. (D) Totalt antall riktige svar som trengs for å bestå det respektive treningsnivået. (E) Nøyaktighetsprosenten beregnes som 
. (F) Prosentandelen av utelatelsesfeil er definert som 
. Dette kriteriet inkluderer ikke for tidlige svar. Klikk her for å laste ned denne tabellen.
Rottenes ytelse ble sammenlignet med antall treningsdager (økter) som kreves for å fullføre hvert treningsnivå som er gitt i tabell 1. Alle dyrene startet på treningsnivå 1 med en StD og LH på 60 s hver. Noen rotter (N = 5) fikk imidlertid forbedret habituation trening for å teste noen av de ekstra stimulansalternativene som ble rapportert tidligere, noe som forklarer forskjellen i antall økter de enkelte dyrene holdt seg i treningsnivå 1. Fullføringen av nivået ble markert ved å nå totalt 30 eller flere riktige svar. StD og LH gikk ned på følgende nivåer, mens kriteriene for å gå videre til neste treningsnivå ble tøffere, noe som økte oppmerksomheten til oppgaven 1,6.
Tabell 2 viser det automatisk genererte *.xlsx regnearket til en eksempelrotte i løpet av en økt. Rotten startet med konfigurasjonen som er angitt i treningsnivå 5. Etter fire studier avanserte rotten til nivå 6, med tanke på forsøkene som ble utført i den nåværende økten pluss nøyaktigheten oppnådd i forrige økt. Hvor mange forsøk som må utføres på et minimum i gjeldende økt for å gå videre til neste treningsnivå, er angitt i variabelen "Config.Experiment.MinNumTrials". I samme økt gikk rotten videre til treningsnivå 7 etter å ha fullført 66 studier på nivå 6 og oppnådd kravet om > 80% nøyaktighet og < 20% utelatelse. Totalt ble rotter trent i 26 dager ved hjelp av konfigurasjonen av treningsnivåer som angitt i tabell 1. Antall økter brukt per treningsnivå er oppgitt i figur 6A. Den svarte linjen viser gjennomsnittet på tvers av alle motiver, og hver farget linje viser dataene til en rotte. Alle rotter nådde det åttende nivået innen 14-22 økter (figur 6B). Figur 6C viser gjennomsnittsytelsen til personer per treningsnivå og på tvers av alle treningsdager i 5-CSRTT-apparatet. Den stiplede svarte linjen representerer nøyaktighetsprosenten, og den rette svarte linjen representerer utelatelsesprosenten. Nøyaktigheten ble beregnet som forholdet mellom antall riktige svar og totalt antall svar. Utelatelser ble beregnet som forholdet mellom antall unnlatelser og totalt antall forsøk (dvs. summen av riktige svar, feil svar og utelatelser). Den grå linjen angir gjennomsnittlig totalt antall riktige svar på tvers av alle forsøk på hvert nivå. Figur 6D viser den endelige nøyaktigheten som oppnås av hvert emne på det åttende og siste treningsnivået.
I gjennomsnitt brukte rotter 5,9 (±1,03 SEM) økter for å fullføre nivå 1, mellom 1,5 (±0,17) og 3,5 (±0,5) økter for å fullføre nivå 2 til 6, og 1,7 (±0,16) økter for å fullføre nivå 7 før de nådde det endelige nivået 8. Som det fremgår av figur 6A, var var variansen mellom forsøkspersonene størst signifikant i startnivåene (SD = 3,25 i nivå 1, 1,58 i nivå 2) og redusert på senere nivåer (henholdsvis 0,47 og 0,48 i nivå 6 og 7). I nivå 4, da stimulansvarigheten ble ytterligere redusert, økte gjennomsnittlig antall økter (2,6 ± 0,52), og variansen mellom rotter (1,64) økte, med to rotter som tok 5 og 6 dager å avslutte nivået.
Figur 6: Resultater av atferdseksperimentet med verktøykassen 5-CSRTT. (A) Antall økter utført på hvert treningsnivå. Den svarte linjen viser gjennomsnittlig antall økter for alle emner for hvert nivå (gjennomsnitt ± SEM), og fargede linjer representerer individuelle emners data. (B) Det absolutte antallet økter som trengs for å nå det endelige nivået, per emne. (C) Gjennomsnittlige prestasjonsmål gjennom trening (gjennomsnittlig ± SEM). Den prikkete svarte linjen viser nøyaktigheten til alle motiver på tvers av alle gitte svar i alle økter per treningsnivå, og den svarte linjen viser den tilsvarende utelatelsesprosenten. Den grå linjen viser gjennomsnittlig absolutt antall riktige svar for alle på hvert treningsnivå. (D) Nøyaktighet per emne i løpet av det åttende og siste treningsnivået. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Tabell 2: Samlet inn data fra én eksempelrotte under én treningsøkt. Kolonne A viser prøveantallet i løpet av økten angående gjeldende treningsnivå, som vist i kolonne B. Kolonne C viser ITI-varigheten, og kolonne D viser starttidspunktet for prøveversjonen. Kolonne E til jeg viser lysstyrkenivået for LED-stimulansen i blenderåpninger henholdsvis 1 til 5. Et lysstyrkenivå på 0 betyr at stimulansen var av, og et lysstyrkenivå på 0,2 betyr at stimulansen ble slått på med 20% av maksimal intensitet. Kolonne J og K viser nøyaktig når stimulansen ble slått på og av. Kolonne L viser utfallet av studien: 0 betyr "utelatelse", 1 betyr "riktig respons", 3 betyr "feil respons" (nese poke inn i ikke-mål blenderåpning) og 4 betyr "for tidlig". Kolonne M viser hvilken blenderåpning som ble nese-poked under rettssaken, mens kolonne N viser den nøyaktige tiden for nese-poke. Kolonne O, P og Q viser tiden da pelletsdispensermotoren ble slått på, det tilsvarende motornummeret og tiden da rotten åpnet pelletsdispenseren for å få belønningen. Kolonne R viser prøvesluttidspunktet. Kolonne S, T, U, V og W viser totalt antall for tidlige svar, tidsavbrudd, paneltrykk under en ITI, totalt antall utholdende svar og den totale kjøretiden for økten i minutter. Klikk her for å laste ned denne tabellen.
Tilleggsfil 1: Skript for maskinvarekontrollen av IDE-programvaren (Arduino-kode). Dette inkluderer alle kommandoer for å kontrollere maskinvare og elektrotekniske komponenter i verktøykassen. Klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsfil 2: Skript for funksjonen "Bruker" i eksperimentkontrollprogramvaren. Dette inkluderer alle parameterne som definerer eksperimentet. Klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsfil 3: Skript for funksjonen "Trapp" i eksperimentkontrollprogramvaren. Dette overvåker motivets ytelse og sammenligner det med de tidligere angitte kriteriene. De ønskede parametrene oppdateres automatisk hvis dyrets ytelse oppfyller disse kriteriene. Klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsfil 4: Skript for funksjonen "DataProc" i eksperimentkontrollprogramvaren. Dette behandler alle innsamlede data og genererer enkle grafer for rask analyse. Klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsfil 5: Skript for kodefunksjonen. Dette inkluderer en detaljert beskrivelse av en enkelt prøveperiode og alle mulige resultater, som gjentas gjennom hele eksperimentet. Klikk her for å laste ned denne filen.
Discussion
Den nåværende protokollen tar sikte på å utvikle og teste et rimelig og fullt tilpassbart alternativ til standard, kommersielt tilgjengelig 5-valg seriell reaksjonstid oppgaveapparat. Vanligvis gir kommersielt tilgjengelige typer apparater et begrenset sett med funksjoner etter behov for å kjøre standard forskning 5-CSRTT. På grunn av dette er ikke-standardendringer i den spesifikke prøveutformingen, for eksempel endringer i prøvesekvensen eller mål stimuluskombinasjoner, vanligvis ikke mulig. I tillegg kommer mange av de tilgjengelige typer apparater med spesifikk, lukket programvare som kanskje ikke gir tilgang til alle atferdsdata for eksperimentet, for eksempel timing og blendertidsnummer for for tidlig og utholdenhetsmessig svar. Derimot er den vitale fordelen med verktøykassen som presenteres her - foruten den lave prisen - muligheten for å implementere mange forskjellige prøvedesign og forskningsparadigmer. For tiden støtter verktøykassen definisjonen av flere stimulusdesign, for eksempel å tillate dimmede stimuli og bruke to pelletsleveringssystemer og belønne avhengighet av reaksjonstid. Den støtter også bruk av en miniatyrhøyttaler for auditiv tilbakemelding. Hovedformålet er imidlertid å muliggjøre enkle modifikasjoner av prøvesekvensen i henhold til brukerens mål, for eksempel å introdusere nedtonede opplyste blenderåpninger og givende tidsplaner for beslutningsoppgaver eller integrering av toppmoderne positive forsterkningstreningstilnærminger11. I tillegg blir alle rådata som er samlet inn i løpet av økten gjort tilgjengelig for videre analyse. Verktøykassen gir en trappfunksjon for automatisert atferdstrening, som også er fullt tilpassbar og lar brukeren endre kriteriene for hver nivåoppdatering, antall treningsnivåer og parametrene som skal oppdateres. Videre er selve apparatet svært tilpasningsdyktig, og endringer i prøvedesignet og kammeroppsettet er lett mulig, noe som gjør det mulig å bruke 5-CSRTT-paradigmet på dyrearter som trenger en annen forskningsdesign enn hva de kommersielt tilgjengelige typer apparater tilbyr.
Spesifikke deler av protokollen for programvarekonfigurasjonen er avgjørende for å sikre en jevn arbeidsflyt: spesielt for den første dagen av eksperimentet er forberedelsen av både maskinvare- og eksperimentkontrollprogramvaren (trinn 2 og 3) og konfigurasjonen av trinn 5.3 avgjørende. Det er viktig å sikre at den serielle porttilkoblingen mellom mikrokontrollermaskinvaren, programvaren og programvaren for eksperimentkontroll fungerer som den skal, for å etablere en fullt fungerende 5-CSRTT-verktøykasse. På begynnelsen av hver eksperimentdag anbefales det å gjenta de tre trinnene som er nevnt ovenfor, for å sikre at maskinvare- og eksperimentkontrollskriptene er riktig konfigurert.
Endelig er den nåværende begrensningen av verktøykassen implementeringen til en eksklusiv programmeringsplattform, som dessverre kompromitterer bruken som en komplett åpen kildekode-verktøykasse. Likevel bør verktøykassen i prinsippet lett tilpasses andre programmeringsspråk som Python siden løpet av en prøve forblir uendret.
Sammenlignet med eksisterende alternative metoder, tillater 5-CSRTT-verktøykassen som er introdusert her implementeringen av standard 5-CSRTT paradigme og modifikasjoner av det, for eksempel å definere et angitt tidsvindu for utholdende svar eller introdusere distraherende eller forsterkende stimuli som høyttalere eller blinkende lys. I tillegg til å være enkel å bruke og svært tilpasningsdyktig, er apparatet rimelig og kan lett replikeres, og det insentiverer forskning ved hjelp av ikke-gnagerdyrmodeller.
Disclosures
Forfatterne erklærer at de ikke har konkurrerende økonomiske interesser.
Acknowledgments
Dette arbeidet støttes av DFG WE 5469/3-1.
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).
