ディグタスク:シンプル香り差別は前頭葉脳損傷後の赤字を明かす

Neuroscience
 

Summary

このプロトコルでは、香りの差別の新規な用途が記載されている。発掘作業は、脳損傷後の正面媒介認知を評価するために使用することができる合理的に安価なタスクです。

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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

認知機能障害は、脳損傷後のヒトにおける障害の最も多い原因は、まだ脳損傷の齧歯類モデルで認知を評価するために使用行動タスク欠けている。私たちの研究室では、基本的な匂い弁別パラダイム1-4利用オペラント文学からの借入 正面·損傷ラットの赤字を評価するためである。以前に我々は簡単に掘る作業を説明し、前頭葉の脳の損傷したラットは、タスク5内の複数のテストを越えて深刻な赤字を示すことを実証した。ここでは、このタスクの詳細なプロトコルを提示。ラットをチャンバーに入れ、強化子が含まれていますそのうちの1つの香りの砂、区別するために許可されています。ラットはどちらが正しく、(正しい香りの砂を掘っとして定義)を判別間違って判別するか、30秒経過した後に試験が終了します。正しく弁別ラットは補強を回復し、消費するために許可されています。ラットそのディ誤っscriminateは直ちにチャンバから除去されます。これが逆転し、小説の香りの様を通して継続することができます。一次解析では、各香りのペア(各香りの正しい累積割合)の精度です。ディグタスクから一般の知見は、それが一方的な頭頂損傷したラットに比べて二国間の前頭皮質損傷ラットの赤字を評価することができる簡単な実験の準備であることを示唆している。ディグタスクも簡単に既存の認知テスト電池に組み込むことができます。この例のように、複数のタスクを使用すると、治療のための治療選択肢につながる可能性があります正面関数以下の傷害のより正確なテストにつながることができます。全ての動物の使用は、インスティテューショナルアニマルケアと使用委員会によって承認されたプロトコルに従って行った。

Introduction

脳外傷性脳損傷(TBI)に起因する損傷や脳卒中は米国での死亡や障害の主要な原因の一つです。一緒に、死亡または障害を6-7で得られた50万人近くとほぼ250万発生率の合計で、これらの疾患の結果。社会にこの重い通行料にもかかわらず、非常にいくつかの治療法は、TBIや脳卒中のいずれかを治療するために開発されてきた。ある程度までは、利用可能な治療選択肢の欠如は、新薬や治療法8の不十分な行動の評価に起因することができます。具体的には、正確かつ敏感に前臨床文学における脳損傷後の種々の認知障害で治療の効果を評価するための作業が不足している。現在実行され認知アセスメントの大半はそのようなモリス水迷路9として迷路課題を用いた空間的な記憶を評価します。それにかかる時間など、テストの欠如のために複数の理由があります完全に認知障害、オペラントのタスクを利用する高価な機器や専門知識に応じて過度に依存し、これらの評価を行うことができる速度を特徴付けると評価しています。この目的のために、我々は以下の認知脳損傷を評価するために、基本的な匂いの弁別課題、ディグダグタスクを適応している。ディグタスクはTBIまたは脳卒中から認知機能障害は、次脳損傷を評価するための、安価で迅速かつ効果的なツールとなるように設計されています。

ディグ·タスクは学習や意思決定の基本的なオペラント原理に依存しています。それは2つしか選択肢の決定パラダイムであるように、このタスクは作ることができる最も簡単な差別のいずれかを表します。タスクだけでなく、トレーニング方法を設定するための詳細は、以下のプロトコルに説明する。私たちは、一方的な頭頂の赤字に比べ正面媒介認知障害を評価する際には、このタスクが最強であることが分かっているが、それはモデルの下でテストされておら海馬の損傷5。理想的には、このタスクは、損傷後の前頭葉障害の回復に治療または療法の有効性の評価に適していると思います。しかし、それは修正を加えて、このタスクはまた、衝動性と一般化されたマッチングなどのより複雑な意思決定行動を探求するために使用される可能性があります。

Protocol

1。トレーニングとテストに必要な材料

  1. チャンバーのテスト。 1動物と香り2カップを収容するのに十分な大きさの任意のコンテナ。当研究室では、香りのコップ( 図1)のためのスペースを作るために削除床の棒で修正されたオペラントチャンバー(メッド·アソシエイツ株式会社)を利用した。
  2. 香りのカップとカップホルダー。掘り、それらを安定させるために何らかのメカニズム/ホルダー( 図2)を可能にするために十分に広く、深いカップ。
  3. 香りの砂。私たちの試験プロトコルは、ラットの反応バイアス(ココア、バジル、クミン、コーヒー)4を表示しないように以前に確立された香りを使用していました。それぞれの香りの砂は砂110グラム無香料、きれいな遊び場 "サンドボックス"に1グラムの付臭剤の比率で混合され、6ヶ月までの気密容器に保存することができます。
  4. 補強。我々は、強化子としてフルーツループシリアル片を利用した。我々は、TRAの前に補強材(彼らのホームケージ内の配置を介して)3〜5日に動物をさらすことをお勧めします新しいもの嫌いの応答を克服するining。
  5. 時計やタイマーを停止します。

2。トレーニングする前に取り扱い動物

  1. 取り扱い。動物が中に置​​き、訓練/試験で繰り返しチャンバから除去されるように、我々は人間との接触でそれらを理解するために、動物にトレーニング前に3〜5日を扱うことをお勧めします。
  2. やる気。このタスクに実行するために動物をやる気にさせるためには、絶食のいくつかのレベルが必要です。食物制限は、トレーニングとテストの両方に先立って少なくとも3日に開始されるべきであり、動物は自由摂食重量の90%に維持することができる。通常は一日あたり餌の15-20 gの量は十分ですが、食品は制限しながら動物の体重は、一日おきにチェックする必要があります。

3。トレーニングを掘る

砂を掘るために動物を訓練し、時間の4日間で8セッションの平均で達成することができる。発掘のtra中にining、チャンバーメカニズム/ホル​​ダーに2つの香りのカップを置いて、チャンバ内に香りのカップセットアップを配置することによって設定する必要があります。一般的な手順は、完全にそれを取得するために砂を掘りに補強材を消費してから動物を形作ることを目的に以下に説明します。

  1. セッション1 - チャンバー馴化や雑誌の訓練。完全に補強材(砂なし)との香りのカップを埋める。動物が自由に補強材を消費することができ、30分間装置に動物を置きます。
  2. セッション2 - 砂の慣れ。完全に補強を持つ香りのカップを埋め、もうカップの半分以上を埋めていない、それぞれのカップに無香砂を少量注ぐ。動物が自由に補強材を消費することができ、30分間装置に動物を置きます。
  3. セッション3 - 表面掘り。露出した複数の強化子を残して、補強と無香料の砂の混合物であっても香りのカップを埋める。するための装置に動物を置き動物が自由に補強材を消費することができます30分。露出した補強材を消費する過程では、動物は砂の表面の下に追加の強化子を発見する必要があります。動物は砂から各補強材を除去するため、その前足を使用して、その口を使用してから移行すべきである。
  4. セッション4 - 掘り。 1から2補強材が露出したまま、3部無香砂〜1部の補強剤の混合物と香りのカップを埋める。動物が自由に補強材を消費することができ、30分間チャンバー内に動物を配置します。動物には、追加の強化子を発見し、砂からそれらを削除するために、その前足で掘るを開始する必要があります。時間の10分の期間の後に補強を明らかにすることから始まっていない動物(動物が学習するまで、研究者が一度に補強を明らかにする必要があります)支援されるべきである。
  5. セッション5 - フル掘り。公開された補強材を残さずに、3部〜1部の補強の混合砂で無香料の香りのカップを埋める。ナンプラーCE動物が自由に補強材を消費することができ、30分間装置に動物。必要に応じて動物は支援すべきである。いくつかの動物が掘って動作を実証するために、このセッションの複数のインスタンスが必要な場合があります。
  6. セッション6 - トライアル構造馴化。それぞれの香りがカップに砂の中に深く、中間、浅い位置には3強化子を。すべての3つが必要に応じて支援し、それぞれのカップから取り出されるまでチャンバー内に動物を配置します。いったんすべてを取得した、15〜30秒間保持装置に動物を配置し、この手順で説明した香りのカップをリセットします。その後、チャンバー内に戻って動物を配置して、動物が合計4つの試験を完了するまで、このプロセスを繰り返します。動物は、保持装置内に配置されることに慣らさなり、チャンバー内に置かれたときにすぐに掘り始める必要があります。動物もいっぱい掘り動作を実証し、香りのカップの底に補強を取得する必要があります。
  7. セッション7 - 単一の強化子。それぞれのカップの中の砂の深さの半分で単一補強材を置きます。チャンバー内に動物を置き、両方の強化子を取得し、30秒間保持装置にそれを置くことができます。合計4つの試験のために、このプロセスを繰り返します。動物はより速く掘ると研究者から最低限の支援を必要とするように開始する必要があります。
  8. セッション8 - モック差別テスト。セッション7に記載のようにカップを埋める。両方の強化子を取得するために動物の30秒を与える。両方が取得されていたり、30秒が経過した保持装置に動物を置きます。テストフェーズで使用される試験の数に対してこの手順を繰り返します。動物は、チャンバーに戻されたときに急激に掘るために学ばなければならない。
  9. 追加セッション。初期差別テストに応じて、実験者は、指定された香りで動物を理解するために、追加のセッションを実行したい場合があります。ラットは最初は新奇性恐怖を示し、好む傾向があります以前に補強10に関連付けられているおなじみの香り。

4。差別テスト

  1. 研究者は、補強材(正しい差別)と不可能な意志と餌される香りなど、香りのペアを選択する必要があります。怪我する前に予備検査するかどうかのそのような差別と逆転の番号などの付加的な意思決定、日と試験の最大数、および、主に実験問題(以下の追加の注記を参照)に基づいて行われます。
  2. ラットを試験することができると研究者の手によって記録されたデータ。 、正しいか正しくない選択を掘り開始する待ち時間、およびラットがタイムアウト上での試験:研究者は、それぞれの試験のために記録する必要があります。
    1. 投与した試験の数(下記の追加のノートを参照してください)​​研究者の裁量である必要があります。
    2. 裁判の長さは、(以下の追加のノートを参照してください)​​研究者の裁量である必要があります。
    3. researシェールは、行の3つ以下の試験では、与えられた側にあることを警告して、試験構造(香りカップの左右の位置)をランダム化する必要があります。これは、側のバイアスを減らすのに役立ちます。
  3. 各試験を開始するために、それぞれのカップから等距離、背面に向かってチャンバー内に動物を配置します。近い一杯に動物を配置すると、現像バイアスの可能性を高める可能性があります。
  4. 動物は正しく判別した場合、それは取得して消費する補強をした後、30秒間保持装置にそれを削除することができます。それがタイムアウトになるか、または誤って選択した場合、それ自体を "修正"する前に、すぐにそれを削除し、30秒間保持装置内に配置します。
  5. 試験の選択された数のためのこのプロセスを繰り返します。
  6. 動物が所定の基準(3日間連続して一日あたりすなわち > 80%の精度)を達成したら、動物は差別/逆転の隣に移動して、上記のプロセスを繰り返すことができる。
  7. 5。補注

    1. 我々の実験室でのテストは、トレーニングとテストの作業が最高の飽食を避けるために、フルーツループシリアル片の半分を使用していることがわかった。
    2. トレーニング中に、いくつかの動物は他のものよりもより多くの助けを必要とするかもしれません。私たちは掘り行動を達成するために必要なことを行うことをお勧めします。しかし、一度テストが開始され、我々は、ラットの掘り行動を介入して改善しようと試みることはありません。
    3. 試験の合計数を変化させると、別のラボに十分であるかもしれません。我々の研究室でのテストは、6,8を使用していて、12セッション、1日1セッションあたりの試験とは、8試験のセットアップのための好みを発見した。
    4. 裁判の長さを変化させること( 例えば 、ストレスパラダイム下で動物が増加した試験時間またはより少ない総試験を必要とするかもしれません)、いくつかの実験のセットアップで必要になることがあります。
    5. プリセット基準は動物が差別を習得したかどうかを判断するために使用されるべきである。我々の実験室でのテストはaccuracを必要としていた3日間連続で一日あたり80%以上のy(5月6日試験では、7月8日の試験、または10月12日の試験)。しかし、より高い基準(85%)も使用することができる。
    6. 事前に設定したしきい値/最大値が与えられた香りで過ごした日々の最大数に使用されるべきである。これは、主に研究課題によって決定される。 TBIの進行性の性質の結果として、TBIおよび例えば、我々の実験室での研究、基準をヒットしていないラットは試験の12日後に小説差別/逆転へと移動されています。
    7. プリテストまたは単に事後テストするかどうかを決めるのは、主に実験の方向によって決定される問題である。 Pretestingは、1つは怪我の種類に応じて関連するかもしれない動物の損傷後のメモリの評価を行うことができます。しかし、ポストテストは、1つはグループ間の差別で取得率の違いを調べることができます。当研究室では持っており、両方を使用していきます。

Representative Results

正解/不正解とレイテンシ:発掘作業に記録することができる2つの主要な変数があります。ただし、非応答も記録と動機を考えるとき、彼らは重要かもしれないと分析することができます。これらは、精度(#正しい/総試験)、レスポンスバイアス11と、待ち時間などの分析のための施策を生成するために使用することができます。これらの措置は、(上記の追加のノートを参照してください)​​、実験の設計に応じて、学習のいくつかの異なるタイプを評価するために用いることができる。動物のPretestingする研究者が学んだ差別のためにメモリを評価することができます。学んだ差別の戻入は、研究者が動物が変化有事に適応することができますどれだけ見ることができます。新たな差別の学習は、研究者が小説の学習のための能力を評価するだけでなく、さまざまな香りの組み合わせを横切って学習を比較することができます。

研究の設計に応じて、(上記の追加の注意事項を参照)、これらの措置は、することができます反復測定デザインで分析したり、1つの変数に折りたたむことができます。以前、我々は、別途5各香りの差別化を分析するために、正しい累積割合の尺度に精度が崩壊した。これは正しい差別の数を合計し、各差別するための試行の合計数で割ることによって発生しました。被験者間の差異(ANOVAs)の分析は、各損傷後の香りの判別のためのグループの違いを調べるために使用された一方向のシリーズ。しかし、より多くの電力は、混合効果モデリングなどの高度な統計的手法を利用することにより、分析のために得ることができる。もう一つの選択肢は、データ解析のための信号検出理論を利用することである。これは、人間の意思決定の文献で ​​は人気のあるアプローチであり、研究者が1つのグラフに与えられた被験体からほとんどのデータを調べて、素早く正確性、バイアス、赤字12の程度を評価することができます。分析的なアプローチの選択はラになりますrgely 1は学習の種類間で比較したいかどうか、実験的な質問に牽引され、学習の一つの型を評価する、またはデータへの意思決定アプローチを適用します。

二国間の前頭葉脳損傷に続いて、私たちの研究室では、ラットは、このタスクで学習実質的にあらゆる種類の下に大規模な赤字を被ることを発見した。正面·負傷した動物は、以前に学習した差別のためにメモリ内の赤字だけでなく、その香りのペア( 図3)の逆転を学ぶ難しさを示した。前頭動物はまた難しさ小説差別を学習します図3)を有していた。これまでの研究13によれば、正面が負傷動物( 図3)の変動が大きく増加もありました。

これとは対照的に、我々の研究室で一方的な頭頂の怪我は、このタスクのすべての差別を横切ってない赤字を示さなかった。一方的なラットは私の中では全く赤字を示さなかった以前に学習した差別のモリ、また非常に急速に反転差別を取得します( 図4)。彼らは、( 図4)と同様、非常に急速に小説香りの組み合わせを学んだ。また、一方的に、負傷したグループ内のばらつきが最もラットはタスクに最適な性能と、非常に低いものであった。

図1
図1:当研究室でのテストは2香りカップのためのスペースを開放する4連続した床のバーを除去することにより、このタスクでの使用に適合した標準的なオペラントチャンバー(メッド·アソシエイツ株式会社)の銀行に行った。

図2
図2:香りcとしてPVCパイプエンドキャップ(6センチ、直径は5.5 cm)を利用して我々の実験室でのテストUPSと香りのカップホルダーなど2ドリル円形の穴(直径は5.5 cm)のプレキシグラスのピース(10×22センチ)。

図3
図3:このグラフは、偽(青)対つの異なる形式でのテストのいくつかの異なるフェーズを越え正面-負傷した(赤)は、ラットの標準的な性能を示しています。パネルでは、データは各グループ内の個々のラットのデータポイントを表す白い点が付いている棒グラフで表されます。パネルBでは、同じデータが折れ線グラフでグラフ化されます。プリ傷害差別取得に差はなかった。負傷したラットが正しい65パーセントの累積パーセントで実行している間しかし、怪我と同じ差別に続き、shamラットは正しい93パーセントの累積パーセントで実行します。差別の逆転を投与した、INJuredラットはチャンス性能の下にドロップします。同様に、斬新な香りの差別に正面-負傷したラットは困難小説ペアリングを学習していたし、チャンスの性能以下にとどまった。 拡大図を表示するには、ここをクリックしてください

図4
図4は、このグラフは、2つの異なる形式でテストするための、いくつかの異なるフェーズを越え偽(青)対片側parietally-損傷ラット(緑)の標準的な性能を示しています。パネルでは、データは各グループ内の個々のラットのデータポイントを表す白い点が付いている棒グラフで表されます。パネルBでは、同じデータが折れ線グラフでグラフ化されます。差別のいずれかのグループの間に違いはありません。一方的にインjuredラットで行ったり、いくつかのケースでは、損傷後のにせのレベルより若干高いが。 拡大図を表示するには、ここをクリックしてください

Discussion

このビデオでは、発掘作業は、比較的低コストの材料を用いて行うことができる方法が示されていると、いくつかの経験を持つ、テスト(約10分/動物)かなり急速に行うことができる。タスクが容易にTBI、脳卒中、その他の脳損傷のための既存のテスト電池に組み込まれるためにこれができます。発掘作業は、それが以前の学習、反転、および新規買収( 例えば 、シフトを設定する)の評価を含む認知のいくつかの異なる側面を評価することができるという点でも堅牢です。最も重要なのは、発掘作業は、脳損傷後の前頭葉機能を評価するのに有効であることが示されている。加えて、類似のdigのパラダイムは海馬損傷4後のラットにおける値の転送を研究するために使用されており、したがって、容易にTBIの後に勉強することができます。

この例のように、タスクの主な利点は、通常、ほとんどの脳損傷スタッドでテストされているものよりも認知の他の形態を評価するための能力であるIES。現在、脳損傷後の正面媒介認知を評価するためのシンプルな、急速に獲得したタスクの欠如が存在する。実験的なTBIの分野では、認知9の唯一のアセスメントとして迷路に強い依存性があります。差別と選択行動は、次の脳損傷を評価する必要がある正面媒介認知の重要な側面です。これらは、実験的行動分析の分野における多くの異なるパラダイム(応答、作業量ベースの意思決定などの低レートの遅れマッチング - サンプル、分化強化)に師事してきたが、脳損傷の研究に欠けている14から16。脳損傷の治療のための新規治療法の開発は、感覚、運動、認知機能の複数のモダリティにわたる検証が必要になります。このようなタスクは完全に治療の下で認知機能を評価するために不可欠となる可能性があります。

しばらくディグタスクの再損傷後の脳機能を評価するための正しい方向への一歩を提示し、それには限界が残っています。これは、構築、管理、および分析するために簡単になるように意図されたが、これはそれが測定できることには上限があることを意味しています。現在、2つの選択肢が与えられたというパラダイムのもとで評価することができるすべてである。また、発掘作業は、動物の意思決定能力を妨げる可能性がありそのような衝動として前頭葉機能障害の他の側面を、処理するのに十分と小文字は区別されません。

ディグタスクは若い動物の脳の損傷を評価する上で私たちのために成功するために示されているが、それをさらに洗練し、改善するためにタスクを行うことができることがいくつか残っています。これらは、それが適応されるからオペラントパラダイムにそれを直接比較傷害後の前頭葉機能障害を評価する他のタスクと、このタスクの直接の比較を行うと、additiを探索、評価する特殊な集団(年齢、性別、ひずみ)を含めるタスクから生成されたデータを分析し、比較するための対角の方法。このタスクは、脳損傷後に複数の方法で前頭葉機能をテストすることによって、我々の分野でいくつかの問題に対処するために設計されています。しかし、一つのタスクでは、脳損傷の影響を受けているすべての認知プロセスを測定することはできません。したがって、私たちは、人々はそのような、より完全に脳損傷後に機能障害を評価するために、このプロトコルで説明されたものなどの作業時に開発し、改善し続けることを提唱しています。そうすることで、我々は、複数の施策を横切って評価することにより、脳損傷のための薬と治療開発の効果を高めることができます。

Disclosures

特別な利害関係は宣言されません。

Acknowledgments

このプロジェクトのための資金は、NINDS助成NS045647からARRAの資金が提供されました。

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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