Yöntem makalesi

Duyusal Entegrasyon ve Bilişsel Kontrol Deney için tam otomatik Kemirgen Yastıkları Protokolü

DOI:

10.3791/51128

⸱

15 Nisan 2014

 , 
1Electrical and Computer Engineering, Michigan State University, 2Neuroscience Program, Michigan State University, 3Cognitive Science Program, Michigan State University

Bu makalede

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Kemirgen edimsel koşullama için tam otomatik protokol önerilmiştir. Protokol bu kontrol etkileri sinirsel aktivite yatan Sensorimotor entegrasyon ve bilişsel kontrolü deneyleri için ölçüde araştırmak için davranışsal olayların hassas zamansal kontrolüne dayanır.

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Kemirgenler geleneksel olarak, duyusal, bilişsel ve motor görevleri sayısız içeren laboratuar deneylerinde standart hayvan modeli olarak kullanılmıştır. Bu tür karar verme ve dikkat modülasyonu olarak Sensorimotor tepkileri üzerinde hassas kontrol gerektiren yüksek bilişsel işlevler, ancak, genellikle primatlarda değerlendirilir. Incelenmesi gereken bu fonksiyonların birden varyantlarını verir primat davranışları zenginliğine rağmen, kemirgen modeli primat modellerinde cazip, maliyet-etkin bir alternatif kalır. Bu karmaşık işlevlerin geniş bir yelpazede okurken Dahası, tamamen kemirgenlerde operant şartlanma otomatikleştirmek için yetenek insan dışı primatların emek yoğun bir eğitim üzerinde benzersiz avantajlar ekler.

Burada, çalışan bellek görevlerini gerçekleştirmek operantly klima fareler için bir protokol tanıtmak. Görevin kritik dönemini sırasında, protokol hayvanın aleni hareketi requ minimize edilmesini sağlarBir Go işaret, insan olmayan primat deneysel tasarım akin teslim edilinceye kadar 'sabitleşmek' için hayvan Iring. Basit bir iki alternatif zorunlu tercih görev performansını göstermek için uygulanmaktadır. Biz diğer görevlerle bu paradigmanın uygulamasını tartışmak.

Giriş

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Nörofizyoloji ve davranış arasındaki ilişkiyi inceleyerek sistem sinirbilimindeki nihai hedeftir. Tarihsel olarak, hayvan modeli seçimi ve davranış repertuarı 1-5 arasında bir tercih olmuştur. Deniz salyangozları 6 veya mürekkep balığı 7 gibi basit organizmalar tek iyon kanalları, nöronlar ve basit sinirsel devrelerin özelliklerini incelemek için yaygın olarak kullanılmış olsa da, yüksek mertebeden türler gibi mekansal kullan, karar verme ve bilişsel 8-11 gibi daha karmaşık fonksiyonları çalışmak için gerekli 12-14 kontrol. Davranış gibi insan için standart bir hayvan modeli olmasına rağmen, insan olmayan primatların kullanımı 15-18 ayarı tek bir laboratuvarda deneyler geniş bir yelpazesinde kullanılmasını engellemektedir maliyet ve etik düşünceleri ister. Kemirgenler gibi basit hayvan modelleri genelde ilgi davranışların temelindeki benzer nöral substratları olması koşuluyla, 19 tercih edilir.

"> Kemirgenler primatlarda 20-22 bulunanlara benzer kortikal ve subkortikal yapıları paylaşmak düşündüren yeterli kanıt var. Kemirgenler de kendi eylem 23-25 ​​rehberlik birden fazla duyu modaliteleri arasında bilgi entegre bilinmektedir, örneğin, çırpma koordine ve koklama ile keşif davranışı 26 sırasında veya işitsel ve görsel / koku olayları 25,27 bütünleştirerek.

Burada bilişsel görevleri 28-32 test etmek için kullanılan kemirgenler operant şartlandırma için bir çerçeve açıklanmaktadır. Bu çerçevede, denekler nosepoke deliğin içinde sabitleşmek ve bir go ipuçlarının sunuma kadar delik içinde kendi burnu korumak için gereklidir. Davranışsal görev geleneksel 5 seçenekli bir seri reaksiyon zamanlı görev çalışmaları için kullanılan bir beş delikli nosepoke tasarımıdır. Gecikme döneminde, öğretim ipuçları bir dizi bir eylemi gerçekleştirmek için konuyu rehberlik sunulmaktadır. Bu çerçeve kolaylıkla uyacak şekilde değiştirilebilirkonu eğitim kısa bir aralık üzerindeki açık hareketini en aza indirmek için hangi deneyler geniş bir yelpazede gereklidir. Bu bireysel nöronların spike aktivite, bu süre boyunca özel ipuçları etkilenen olduğu ölçüde eğitim verir. Protokol eğitim süresini en aza indirmek ve üzerinde-tabi öğrenme değişkenliği azaltabilir. Görevin şematik bir akış şeması Şekil 1 'de gösterilmiştir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Hayvanları içeren tüm işlemler Michigan State Üniversitesi Kurumsal Hayvan Bakım ve Kullanım Komitesi (IACUC) tarafından onaylanmıştır.

1.. Deney Düzeneği

  1. Bir tarafta beş delik nosepoke duvar ile karşı tarafında bir gıda dağıtım oluk oluşan bir operant şartlandırma kutusunu kullanın.
    1. Merkez nosepoke delik "tespit" deliği ve diğer dört delik (sabitleme deliğin her iki tarafında iki adet) olarak kabul edilir, motor hedef delikleri kabul edilir. Her delik bir üç renkli LED ve hayvan girer ve tespit delikten geri çeker algılayan bir kızılötesi ışın yayıcı-dedektör sistemi ile donatılmıştır.
    2. Milisaniyelik hassasiyetle tek frekanslı sesleri oluşturabilir ve edimsel kutusunun içine monte edilmiş bir hoparlöre bağlamak için programlanabilir bir ton jeneratör kullanın. Uygun yazılım kullanarak davranışsal izleme sistemi aracılığıyla sesi jeneratörü ve nosepokes kontrol. Bir donanım ve yazılımı kullanındavranışsal olaylar ve ipuçları ve tepkilerin kontrolü milisaniyelik zaman ölçeği izlenmesini sağlar sistemi vardır.
      Not: ton ve gürültü ipuçlarının hem genliği yaklaşık 60 ± 3 dB SPL tutulmalıdır.

2.. Erken Alışma

  1. (3 gün boyunca, örneğin) öznenin normal ağırlığının 100 gramı başına giderek ~ 5 g öznenin gıda alımını kısıtlama. Konu kendi ad libitum ağırlığının% 85-90 korumak gerekir.
  2. Deneyci tarafından işleme konu alışmakta ve gıda yoksunluğu protokolü başlayan ilk günden itibaren aparatı ile konuyu tanıtmak. Hayvan taşıma başlatın ve kafes keşfetmek ve ödül teslim yeri tanımak için konuyu teşvik etmek pelet çukur gıda pelet sağlarken edimsel koşullanma kutuya yerleştirin.

3.. Konu Eğitimi

  1. Genel notlar
    1. Burada önerilen görev gecikme süresi ve hareket yürütülmesi sırasında hareketleri en aza indirerek, bir işitsel işaretin algısı arasındaki hassas koordinasyon gerekiyor.
    2. Yavaş yavaş istenilen nihai davranış için onları hazırlamak için konu adım adım tren.
    3. Her adımın sonunda, konu bir sonraki aşamaya ilerleyen önce en az üç ardışık oturumları için>% 75 davranışsal performansını korur emin olun.
    4. Son aşamada ulaşıldığında, performans istenen seviyede muhafaza edilmesinin sağlanması için bir hafta boyunca protokolü tabi tutmak.
  2. Başlangıç: nosepoke delikler, gıda teslim limanı ve yanıp sönen delikler ve ödül arasındaki ilişki ile konuyu alıştırın.
    1. Rastgele bir programa dört hedefleri dışında birini seçin.
    2. Go işaret (bir beyaz işitsel gürültü) ve oynatma (0.3 sn darbe süresi) yanıp deliğin içindeki LED tutun.
    3. S ayarlayınoftware deliğe ziyaretleri üzerine konuyu ödüllendirmek.
    4. Zaman aşımı 30 saniye sonra deneme delik ziyaret etti ve yeni bir deneme başlatmak değilse.
    5. Yanlış deliklere herhangi bir ziyaret ödül yok.
  3. Hedef Seçimi: seçilmemiş deliklere hatalı ziyaret cezalandır.
    1. Yanlış delikler ziyaretleri üzerine, siyah-out 5 saniye ardından deneme sonlandırmak.
      Not: Siyah-out çağın sırasında, tespit deliği LED kafese kapatılır. Bu konu bir deneme başlatmak anlamına gelir ve LED yanıp sönmeye başlar sabitleme deliğine kadar beklemek gerekiyor.
    2. Yeni bir delik seçin ve yeni bir deneme başlatmak.
  4. Nosepoke: Bir deneme başlatmak için sabitleme deliğin içinde karıştırmak konuyu eğitin.
    1. Sabitleme deliğin içinde bir LED sarı yanıp söner.
    2. Ziyaret sırasında tespit deliği hemen Go işaret oynamak ve yeni bir deneme başlatmak.
    3. 5 sn yanlış Ziyaret cezalandırabilir, Siyah-out.
  5. Gecikme: eğitim ilerledikçe yavaş yavaş artar zaman (gecikme süresi) bir süre için tespit deliğin içine burunlarını korumak için konuyu öğretin.
    1. Sabitleme deliği ziyarete konu için bekleyin.
    2. Konu 500 milisaniye içinde açılmaktadır eğer deneme sonlandırın. Aksi takdirde, Go işaret oynarlar.
    3. 7 saniye boyunca bir siyah-out dönemi erken çekilmeleri cezalandırılmaktadır.
    4. Bir gıda pelet sunarak doğru ziyaretleri ödüllendirin.
  6. (Işık ile) İki İşaretleri: artırın ve gecikme süresi uzunluğu rastgele ve işitsel öğretim işaret tanıtmak.
    1. 1.5 sn ortalama gecikme süresinin uzunluğunu artırmak.
    2. 1.3-1.8 sn arasında bir üniforma yoğunluğuna göre her deneme rasgele bir gecikme dönemi uzunluğunu seçin.
    3. Talimat 150 msn bir darbe süresi ile üçüz atımlandırılsalar tek bir frekans işitsel tonu gibi işaret ve tanıtmak100 msn interpulse aralığı.
      1. Konu sabitleme deliği girdikten sonra hemen talimat işaret oynayın.
      2. Hedeflerin her iki talimat ipuçları atayın.
      3. Ancak bu aşamada, her hedef için ilgili bir işaret kullanın.
    4. Konusu hedef delik seçmek için hem işitsel ve görsel ipuçları kullanın izin.
  7. (Işık olmadan) İki İşaretleri: için konuyu Tren sadece işitsel ipuçlarını kullanın.
    1. Konu sadece işitsel öğretim ipuçları kullanmak istiyorsunuz böylece hedef delikleri içinde yanıp sönen ışıkları kapatın.
  8. Dört İşaretleri: rastgele sunulmuştur talimat ipuçlarının dizisine diğer iki ipuçlarını tanıtılması ve bölümleri 3.5.3-3.6.1 tekrarlayın.

4. Davranış Veri Analizi

  1. Başarı Oranı: denemelerin toplam sayısına bölünmesiyle hedeflere doğru ziyaretlerin yüzdesi olarak başarı oranını tanımlayın.
    1. Eğitimin her aşamasında başarı oranını ölçün.
  2. Hata türleri:
    1. Erken çekilme: sabitleme delikten erken çekilmeler için zaman aşımına uğradı nedeniyle çalışmaların yüzdesini ölçmek.
    2. Komisyon hatası: konu uninstructed hedef ziyaret ettiğinde başarısız denemelerin yüzdesini hesaplayın
    3. Atlandığını Hata: konu deneme başlandıktan sonra hedeflerin herhangi ziyaret olmadığında hata yüzdesini hesaplayın.
  3. Ölçülen değişkenler:
    1. Tepki süresi (RT): Her bir deneme için, Go işaretin başlangıcı ve tespit delikten konu açma kapama arasındaki gecikmeyi ölçmek.
    2. Hedef zamanı (TT): özne tespit delikten geri çekilmesi ve hedef delik girerek arasındaki süreyi ölçün.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Önerilen çerçeve bilişsel görevleri bir dizi konuyu eğitim sağlar. Burada kemirgen prefrontal kortekste hedefe yönelik eylemlerin mekanizmaları araştırmak için tasarlanmış bir talimat gecikme görevi uygulanmaktadır. Şekil 1. deneysel tasarım bir akış şemasını göstermektedir.

Konu her adımda görev ihtiyacını anlamasını sağlamak için, performans ölçümleri sürekli olarak değerlendirilmelidir. Şekil 2 çoklu oturum bir konuda bir örnek performansını gösterir. Söz...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Sıçanlar yaygın bir yüzyılı aşkın süredir nörolojik araştırma kullanılmıştır. Kedilerde 34 etkisi hukuk kavramının Thorndike'ın tanıtılmasından bu yana, edimsel koşullanma hayvan davranışlarının farklı yönlerini test etmek için standart yaklaşım olmuştur. Karar verme ve motor hazırlanmasını içeren birçok nörobilim deneyler talimat ipuçları ve eylem aralığı arasında bir gecikme süresi bulunmaktadır. Bu satın alınmadan nöral verilere herhangi bir boşa azaltmak için bu gecikme dönemlerde hareketleri en aza i...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarlar herhangi bir mali çıkarlarını beyan.

Teşekkürler

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu çalışma NINDS hibe # NS054148 tarafından desteklenmiştir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
3 Stim Cue Hafif Sıçan Kafesi ile 5 Delikli Burun DürtmeCoulbournH21-06M/R
Test kafesiCoulbournH10-11R-TC 
Grafik Durum YazılımıCoulbourn 
Programlanabilir ton/gürültü üreteciCoulbournA12-33 
Tozsuz hassas peletlerBio-ServF0165
Hoparlör modülüCoulbournH12-01R 

Kaynaklar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Goldstein, E. B. Cognitive psychology: Connecting mind, research, and everyday experience. , Wadsworth Publishing Company. (2008).
  2. Kandel, E. R., Schwartz, J. H., Jessell, T. M., et al. 4th edition. Principles of neural science. , McGraw-Hill. New York. (2000).
  3. Cisek, P., Kalaska, J. F. Neural mechanisms for interacting with a world full of action choices. Ann. Rev. Neurosci. 33, 269-298 (2010).
  4. Kalat, J. W. Biological psychology. , Wadsworth Publishing Company. (2012).
  5. Banich, M. T., Compton, R. J. Cognitive neuroscience. , Wadsworth Publishing Company. (2010).
  6. Carew, T. J., Pinsker, H. M., Kandel, E. R. Long-term habituation of a defensive withdrawal reflex in aplysia. Science. 175, 451-454 (1972).
  7. Hodgkin, A. L., Huxley, A. F. A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve. J. Physiol. 117, 500(1952).
  8. Romo, R., Salinas, E. Flutter discrimination: neural codes, perception, memory and decision making. Nat. Rev. Neurosci. 4, 203-218 (2003).
  9. Romo, R., de Lafuente, V. Conversion of sensory signals into perceptual decisions. Prog. Neurobiol. 10, (2012).
  10. Shadlen, M. N., Britten, K. H., Newsome, W. T., Movshon, J. A. A computational analysis of the relationship between neuronal and behavioral responses to visual motion. J. Neurosci. 16, 1486-1510 (1996).
  11. Beck, J. M., et al. Probabilistic Population Codes for Bayesian Decision Making. Neuron. 60, 1142-1152 (2008).
  12. Goldman-Rakic, P. S. Circuitry of primate prefrontal cortex and regulation of behavior by representational memory. Compr. Physiol. , (1987).
  13. Miller, E. K., Erickson, C. A., Desimone, R. Neural mechanisms of visual working memory in prefrontal cortex of the macaque. J. Neurosci. 16, 5154-5167 (1996).
  14. Fuster, J. M., Alexander, G. E., et al. Neuron activity related to short-term memory. Science. 173, 652-654 (1971).
  15. Fetz, E. E., Baker, M. A. Operantly Conditioned Patterns of Activity and Correlated Responses Cells and Contralateral Muscles. , (1973).
  16. Carmena, J. M., et al. Learning to control a brain--machine interface for reaching and grasping by primates. PLoS Biol. 1, e42(2003).
  17. Georgopoulos, A. P., Schwartz, A. B., Kettner, R. E. Neuronal population coding of movement direction. Science. 233, 1416-1419 (1986).
  18. Donoghue, J. P., Sanes, J. N., Hatsopoulos, N. G., Gaál, G. Neural discharge and local field potential oscillations in primate motor cortex during voluntary movements. J. Neurophysiol. 79, 159-173 (1998).
  19. Abbott, A. Laboratory animals: the Renaissance rat. Nature. 428, 464-466 (2004).
  20. Fuster, J. The prefrontal cortex. , Academic Press. (2008).
  21. Britten, K. H., Shadlen, M. N., Newsome, W. T., Movshon, J. A. The analysis of visual motion: a comparison of neuronal and psychophysical performance. J. Neurosci. 12, 4745-4765 (1992).
  22. Abbott, A. Neuroscience: The rat pack. Nature. 465, 282-283 (2010).
  23. Uchida, N., Mainen, Z. F. Speed and accuracy of olfactory discrimination in the rat. Nat. Neurosci. 6, 1224-1229 (2003).
  24. Jaramillo, S., Zador, A. M. The auditory cortex mediates the perceptual effects of acoustic temporal expectation. Nat. Neurosci. 14, 246-251 (2010).
  25. Cohen, L., Rothschild, G., Mizrahi, A. Multisensory integration of natural odors and sounds in the auditory cortex. Neuron. 72, 357-369 (2011).
  26. Deschênes, M., Moore, J., Kleinfeld, D. Sniffing and whisking in rodents. Curr. Opin. Neurobiol. 22, 243-250 (2012).
  27. Raposo, D., Sheppard, J. P., Schrater, P. R., Churchland, A. K. Multisensory decision-making in rats and humans. J. Neurosci. 32, 3726-3735 (2012).
  28. 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. Nat. Protoc. 3, 759-767 (2008).
  29. Brasted, P. J., Dunnett, S. B., Robbins, T. W. Unilateral lesions of the medial agranular cortex impair responding on a lateralised reaction time task. Behav. Brain Res. 111, 139-151 (2000).
  30. Gage, G. J., Stoetzner, C. R., Wiltschko, A. B., Berke, J. D. Selective activation of striatal fast-spiking interneurons during choice execution. Neuron. 67, 466-479 (2010).
  31. Erlich, J. C., Bialek, M., Brody, C. D. A cortical substrate for memory-guided orienting in the rat. Neuron. 72, 330-343 (2011).
  32. Mohebi, A., Oweiss, K. G. Neural ensemble correlates of working memory in the rat medial prefrontal cortex. 41 st Ann. Meet. Soc. Neurosci. , (2011).
  33. Oweiss, K. G. Statistical signal processing for neuroscience and neurotechnology. , Academic Press. (2010).
  34. Thorndike, E. L. Animal intelligence: An experimental study of the associative processes in animals. Psychol. Monographs: Gen. Appl. 2, 1-109 (1898).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Operant ConditioningFive Hole Nose PokeWorking Memory TaskAuditory Instruction CueFixation Hole TrainingBehavioral Tracking SystemMicro Electrode Array

İlgili makaleler