挖掘任务:一个简单的气味歧视揭示额叶脑损伤后的赤字

Neuroscience
 

Summary

在这个协议中,一个新的应用程序的香味歧视。挖任务是一个合理的廉价的任务,可以被用来评估大脑受损后的正面-介导的认知。

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Martens, K. M., Vonder Haar, C., Hutsell, B. A., Hoane, M. R. The Dig Task: A Simple Scent Discrimination Reveals Deficits Following Frontal Brain Damage. J. Vis. Exp. (71), e50033, doi:10.3791/50033 (2013).

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Abstract

在人类大脑受损后的认知功能障碍是最常见的致残原因,还缺乏脑损伤的啮齿类动物模型用来评估认知行为的任务。借贷从操作性文学,我们的实验室利用一个基本的香味歧视范例1-4 以评估在正面损伤大鼠的赤字。此前我们已经简要地描述了挖掘任务,并表明,额叶脑损伤的大鼠表现出严重的赤字跨多个测试任务5。在这里,我们提出了一个更详细的协议完成这个任务。大鼠被放置到一个腔室和允许区分两个香味砂,其中一个包含一个加强件。试用期结束后的大鼠正确的歧视定义为在正确的香味沙挖,不正确的歧视,或30秒的经过。正确识别的影响,恢复和消耗强化。大鼠二从室内被立即删除scriminate不正确的。这可以继续通过各种逆转和新颖的气味。初步分析是每个气味配对(每个气味正确的累积比例)的准确性。从挖掘任务的一般结果表明,它是一个简单的实验准备,可以单方面顶叶损伤的大鼠相比,大鼠双侧额叶皮质损伤评估的赤字。挖掘任务也可以很容易地纳入到现有的认知测试的电池。更多的任务,像这样的使用可能会导致更精确的测试额叶功能损伤后,可能导致治疗选择治疗。根据机构动物管理和使用委员会批准的协议,所有的动物进行使用。

Introduction

创伤性脑损伤(TBI)和中风引起的脑损伤是在美国的死亡和残疾的主要原因之一。总之,这些疾病导致的共有近250万的发生率,与近50万死亡或减值6-7。尽管这个社会沉重的代价,只有极少数的治疗方法已被开发治疗脑外伤或中风。在一定程度上可以归因于缺乏可用的治疗方案行为评估不足的新的药物和治疗8。特别是,有一个任务,准确,灵敏地评估治疗效果的各种认知障碍,脑损伤后的临床前研究文献的缺乏。目前,大多数的认知进行评估,评估空间记忆的迷宫任务,如Morris水迷宫9。这种缺乏测试有多种原因,包括所花费的时间全面表征和评价认知功能障碍,严重依赖昂贵的设备和专业技术,利用操作性的任务,和这些评估可以执行的速度。为此,我们已经适应了一个基本的香味歧视的任务,挖任务,以评估认知脑损伤。挖掘任务的设计是一种廉价,快速,有效的工具,以评估脑损伤后认知功能障碍从一TBI或中风。

的挖掘任务依赖于学习和决策的基本操作性原则。因为它只有两个选择决定模式,这个任务最简单的歧视,可以代表一个。在下面的协议,以及设置任务的详细信息中的训练方法进行说明。我们发现,这个任务是评估正面介导的认知功能障碍相比单方面顶叶赤字的最强的,但它尚未下进行测试的模型海马损伤5。在理想的情况下,这个任务将是适合于额赤字恢复治疗或治疗受伤的有效性进行评估。然而,这是可能的,修改这个任务也可以被用来探索更复杂的决策行为,如冲动和广义匹配。

Protocol

1。培训和测试所需的材料

  1. 测试室。任何容器大到足以容纳一个动物和两个香味杯。我们的实验室利用修改操作性室(医学Associates公司)的与地板条删除,以腾出空间香味杯( 图1)。
  2. 香水杯和杯托。杯足够广泛和深入,以便挖掘和一些机制/架( 图2),以稳定他们。
  3. 香味砂。我们的测试协议使用先前建立的气味,反应偏差不显示在大鼠(可可,咖啡,罗勒,茴香)4。每一个有香味的沙无气味,110克干净的操场“沙盒”沙1克气味的比例混合,并可以储存在密闭的容器内长达6个月。
  4. 补强。我们利用水果作为增强循环谷物片。我们建议让动物强化(通过放置在他们的家笼)3至5天之前TRA矿业克服恐新的反应。
  5. 停止手表或计时器。

2。动物处理前的培训

  1. 处理。由于动物将被放置在从培训/测试室反复,我们建议处理动物训练前的三至五天,以了解它们与人类接触。
  2. 激励。为了激励上执行这项任务的动物食物匮乏,一定程度上是必要的。食物限制开始前至少3天的训练和测试,并可能会维持在90%的免费进料重量的动物。通常周,每天15-20克的量是足够的,但体重应检查每一天,而食品的限制。

3。挖掘培训

训练的动物挖沙可以完成八个交易日的平均时间超过4天的时间。在挖TRA矿业,室应设立由两个香味杯的机制/持有人发出的气味杯安装到腔室。下面详述的目标,塑造动物消耗增强剂完全挖掘沙检索的一般程序。

  1. 1 - 腔习惯和杂志的培训。完全填充的气味杯的加强件(砂)。动物放置到该装置中,30分钟,让动物自由摄取增强剂。
  2. 2 - 沙习惯。完全填充的气味杯具强化到每一个杯子,倒入少量无味的沙子填充不超过一半的杯子。动物放置到该装置中,30分钟,让动物自由摄取增强剂。
  3. 3 - 表面挖。填写的气味的混合均匀的增强剂和U沙杯具,留下多个强化剂暴露。动物放置到该装置的30分钟让动物自由摄取增强剂。在这个过程中,消耗的暴露的增强剂,动物应发现额外的强化下面的表面的砂。动物应该从使用它的嘴,用它的前爪,从沙中删除每个增强剂。
  4. 第4次会议 - 挖掘。填充的气味杯与加强件1份3份无气味砂的混合物,留下暴露1-2增强剂。动物放置到腔室中,30分钟,让动物自由摄取增强剂。动物应该开始用它的前爪挖,发现更多的强化,他们从沙中取出。开始强化后,有10分钟的时间内发现的动物不应当予以协助(研究员发现的动物学习的时间,直到1增强剂)。
  5. 5 - 充分挖掘。填写杯1增强剂3个部分无味沙的混合物的气味,不留增强剂暴露。解放军策的动物进入装置30分钟,让动物自由摄取增强剂。动物应当予以协助的需要。有些动物可能需要本次会议的多个实例,以证明挖行为。
  6. 6 - 试验结构成瘾。将三个强化深,中,浅部在沙中每个气味杯。 ,直到所有三个是取自各一杯,协助根据需要,将动物室。一旦所有被检索到,将动物保持装置为15-30秒,并在此步骤中所描述的气味杯复位。然后,将动物放回室,重复上述过程,直到已完成的动物共有四个试验。动物应该变得习惯于被放置在保持装置的开始挖掘时立即放置到腔室中。动物也应表现出充分的挖掘行为和检索的气味杯底部的增强剂。
  7. 7 - 单一的强化。将一个单一的加强件在每个杯子中​​的砂的深度的一半。动物放置到腔室中,并允许它来检索这两种增强剂,然后将其放置到所述保持装置中,持续30秒。重复此过程共四个试验。动物应该开始挖掘速度更快,需要研究人员从最基本的援助。
  8. 会议8 - 模拟歧视的测试。填写杯作为会议7。给动物30秒,同时检索强化。将动物的夹持装置时,都被检索或30秒已经过去了。重复此试验的次数,将用于在测试阶段。动物应学会挖迅速放回室。
  9. 其他会议。根据初步歧视测试中,实验者可能要执行额外的会议,以了解动物的气味。老鼠往往会在最初表现出恐新症,宁愿熟悉的气味与加固10。

4。歧视测试

  1. 研究者应选择的香味配对,香味会诱饵与强化(正确区分),不会。的歧视和逆转,天,试验的最大数量,以及是否受伤前预先测试,如其他决定,将在很大程度上基于对实验的问题(见下面的附加注释)。
  2. 在大鼠可以测试和手的研究人员记录的数据。研究人员应记录每次试验:正确或不正确的选择,延迟开始挖掘,和老鼠超时试验。
    1. 管理试验的数量应该是在研究人员的自由裁量权(见下面的附加注释)。
    2. 审讯时间应该是在研究人员的自由裁量权(见下面的附加注释)。
    3. 在resear雪儿随机试验结构(左 - 右位置的气味杯),有条件的,就是在一排不超过3个试验是在一个给定的侧。这将有助于减少副作用的偏见。
  3. 为了发起每次试验中,将动物进入腔室面向后方,从每个杯子等距。配售的动物之一杯的机会可能会增加发展的偏见。
  4. 如果正确的动物歧视,允许检索和消耗增强剂,然后将其删除夹持装置,持续30秒。如果超时或选择不正确,请删除它立即之前,“纠正”本身,并将其放置到设备,持续30秒。
  5. 重复此过程,所选择的试验次数。
  6. 一旦达到预先设定的标准( 80%的准确率,每天连续三天),动物的动物可能会移动到下一个歧视/反转和重复上面的过程。
  7. 5。其他注意事项

    1. 在我们的实验室测试发现,培训和测试工作,最好使用二分之一的水果循环谷物片,以避免饱食。
    2. 在培训过程中,一些动物可能需要比别人更多的帮助。我们建议这样做是必要的,以达到挖掘行为。然而,一旦测试开始,我们从来没有试图进行干预,改善大鼠的挖掘行为。
    3. 不同的实验室,不同的总的试验次数可能就足够了。在我们的实验室测试6,8,和12次试验,每节1节,每一天,并发现了8个试验设置的偏好。
    4. 不同长度的审判可能需要在一些实验装置( 例如 ,动物的下的应力范式可能需要增加试验次数或更少的总试验)。
    5. 应使用一个预先设定的标准,以确定当动物已经掌握了歧视。在我们的实验室测试要求的accurac超过80%(5/6的试验,试验7/8,10/12试验)y的每一天,连续3天。然而,更高的标准(85%)也可以使用。
    6. 预设的阈值/最大值应被用于在一个给定的气味略去天的最大数目。这将在很大程度上取决于研究的问题。例如,我们的实验室研究TBI的结果TBI,老鼠都打不标准的先进性,移动/反转后12天的测试一种新的歧视。
    7. 决定是否前测或后测是一个问题,在很大程度上取决于实验的方向。预测试允许一个,以执行存储器动物伤后的评估,这可能是取决于损伤的类型有关。然而,后测试让一个负责审查收购率差异的群体之间的歧视。我们的实验室已经并将继续同时使用。

Representative Results

主要有两个变量,可以被记录在挖掘任务:正确/错误和延迟。然而,非应答也可以被记录和分析,因为它们可能是重要的,当考虑动机。这些可以被用来生成分析精度(#正确/总的试验),响应偏置11,和延迟等的措施。这些措施可以用来评估几种不同类型的学习,这取决于设计的实验(见上述附加注释)。预测试的动物,允许研究员评估内存是个有学问的歧视。拨回的学到的歧视,让一名研究人员看到的动物能够适应不断变化的应变。学习新颖的歧视,使研究人员能够在不同的气味配对,以及评估新型学习能力比较学习。

根据设计的研究(见上面附加注释),这些措施可以分析在重复测量设计,可以折叠成一个单一的变量。以前,我们进入累积比例正确的措施,以便分别分析每个香味歧视5倒塌精度。发生这种情况,总结正确的歧视和总的试验次数除以每个歧视。一系列的单向主体间的方差分析(方差分析),然后用来检查组的差异,为每个受伤后的气味歧视。然而,更多的权力,利用先进的统计技术,如混合效应模型进行分析。一个另一种方法是利用信号检测理论,对数据进行分析。在人的决策文学,这是一个常用的方法,并允许研究人员检查的大多数数据从一个给定的对象在一个单一的图形和快速评估的准确度,偏差和赤字12。分析方法的选择将是Largely驱动实验的问题,是否要跨类型的学习比较,评价一个单一类型的学习,或适用于对数据的决策方法。

双侧额叶脑损伤,实验室研究发现,老鼠在几乎所有类型的学习在这个任务中遭受巨额赤字。正面受伤的动物出现赤字在内存中的一个以前学过的歧视和困难学习,香味配对的拨回( 图3)。前腰动物也有困难,学习新颖的歧视( 图3)。根据以前的研究“第13条 ,也有一个大的增加,变化中的正面受伤的动物( 图3)。

相反,单方面顶叶受伤,在我们的实验室已在此任务中的所有歧视,没有赤字。在我单方面大鼠的研究显示赤字莫里对先前学习的歧视,也获得了逆转歧视非常迅速( 图4)。他们学会了新的香味配对的非常快( 图4)。此外,单方面受伤的组内的变异是非常低,与大多数大鼠进行最佳的任务。

图1
图1。在我们的实验室进行测试在一组的标准操作性室(医学Associates公司)进行了调整,在这个任务中使用删除连续四个楼层,酒吧开辟空间两个香味杯。

图2
图2。测试在我们的实验室中使用PVC管端盖(6厘米高,直径为5.5厘米)的气味ç跌宕一块有机玻璃(10×22厘米)的两个钻的圆形孔(直径为5.5厘米)的香味杯架。

图3
如图3所示。该图显示了典型的表现为假(蓝色)与正面受伤(红色)大鼠在几个不同的阶段的测试两种不同格式的。在面板A中,数据被表示为与白色的圆点表示的数据点为个别各组大鼠的条形图。在板B中,相同的数据被绘制在​​一个线图。在受伤前的歧视收购上无显着差异。不过,受伤后,在同一歧视,假手术组大鼠在93%累积%的正确执行,而受伤的大鼠在65%累积%执行正确的。当逆转的歧视给药,注射ured影响降到机会表现。同样,在一个新的气味歧视正面损伤大鼠新颖的配对学习有困难,住在下面的机会表现。 点击此处查看大图

图4
图4。在几个不同的阶段,在两种不同的格式进行测试,该图显示了典型的表现为假(蓝色)与单方面parietally受伤的大鼠(绿色)。在面板A中,数据被表示为与白色的圆点表示的数据点为个别各组大鼠的条形图。在板B中,相同的数据被绘制在​​一个线图。没有任何的歧视群体之间的差异。单方面的jured大鼠进行,或在某些情况下,略高于假水平,损伤后的。 点击这里查看大图

Discussion

在这段视频中,我们已经展示了如何挖掘任务可以使用成本相对较低的材料,进行了一定的经验,测试可以进行相当迅速(约10分钟/动物)。这使得任务很容易地纳入到现有的测试电池为脑外伤,中风和其他脑损伤。挖掘任务也很强大,因为它可以评估几种不同的认知方面的,包括以前的学习,反复,和新的收购( 例如 ,设置转移)的评估。最重要的是,挖任务已被证明是有效的在评估额叶功能大脑受损后。此外,类似的挖范式已经用于研究在大鼠海马损伤4值转移,从而可以很容易地进行研究TBI。

像这样的任务的主要优势是其他形式的认知能力评估通常是测试中最脑损伤螺栓IES。目前存在着缺乏简单,快速收购任务脑损伤评估正面介导的认知。以实验TBI的字段,有强烈的依赖迷宫 ​​作为唯一的评估的认知9。歧视和选择的行为是从正面介导的认知脑损伤后需要进行评估的重要方面。这些都已经在许多不同的模式(延迟匹配样本,差加固率低的响应,努力为基础的决策等)行为的实验分析领域的研究,但缺乏脑损伤的研究14-16。新的疗法用于治疗脑损伤的发展需要感觉,运动和认知功能在多个模式的验证。像这样的任务可能会成为非常重要的全面评估认知功能治疗服务。

虽然挖掘任务重评估脑损伤后的功能提出了正确的方向迈出的一步,它还是有一些限制。它的目的是简单的建设,管理和分析,但是,这意味着它可以测量有上限。目前,两种选择都可以评估在给定的范例。此外,挖任务处理等方面的正面功能障碍,如冲动,可能会干扰动物的决策能力是不够敏感。

,虽然挖任务已被证明是成功的,我们在年轻的动物脑损伤评价,仍然有几件事情是可以做的,其任务是进一步完善和改进。这些措施包括:评估特殊人群(年龄,性别,应变),直接比较,它是改编自操作性的范例,这个任务与其他任务,评估额叶功能障碍,损伤后进行直接的比较,探索的其他onal的任务产生的数据进行分析和比较。这项任务旨在解决的问题在我们的领域,以多种方式脑损伤的额叶功能测试。然而,一个任务可以测量所有的脑损伤认知过程的影响。因此,我们主张继续发展和改进的任务,如在本协议中的描述,更全面地评估脑损伤后的功能障碍。在这样做时,我们可以评估跨多种措施,增加效益为脑损伤的药物和治疗的发展。

Disclosures

没有利益冲突的声明。

Acknowledgments

这个项目的资金提供了ARRA资金从NINDS授予NS045647。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
EQUIPMENT
Operant Chamber Med Associates ENV-008CT Amount: 1 Standard operant chamber, no external devices.
Plexiglas Local Hardware Store N/A Amount: 1 sheet Cut into proper size to fit into chamber.
PVC Pipe End Caps Local Hardware Store N/A Amount: 2 / scent cup setup.
REAGENTS
Sand Local Hardware Store
Various Spices Local Grocery Store
Reinforcer Local Grocery Store

*Equipment is listed for construction per chamber.

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References

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Comments

1 Comment

  1. Unfortunately your experiment is confounded by odour cue. The rats that appear to be discriminating might in fact be locating the food reinforcer on the basis of its scent and not the scent of the sand it is buried in. To prove that the sand is functioning as a discriminative cue, you need to intersperse your testing sessions with probe trials that place the behavior on extinction. That being said, I still like what you are trying to do with this task and think that trying to bring more the refined behavioral tests that exist in the EAB into the neuroscience realm will ultimately prove fruitful.

    Reply
    Posted by: Jeff P.
    June 2, 2015 - 11:54 PM

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