Die Aufmerksamkeits Set Shifting Aufgabe: Eine Messung der kognitiven Flexibilität bei Mäusen

Zusammenfassung

Das Ziel des Protokolls ist es, eine Verhaltenstest wie Aufmerksamkeits Satz Schaltaufgabe (AST) und präfrontalen Kortex vermittelten kognitiven Flexibilität bei Mäusen beurteilt auszuführen.

Zusammenfassung

Cognitive impairment, particularly involving dysfunction of circuitry within the prefrontal cortex (PFC), represents a core feature of many neuropsychiatric and neurodevelopmental disorders, including depression, post-traumatic stress disorder, schizophrenia and autism spectrum disorder. Deficits in cognitive function also represent the most difficult symptom domain to successfully treat, as serotonin reuptake inhibitors and tricyclic antidepressants have only modest effects. Functional neuroimaging studies and postmortem analysis of human brain tissue implicate the PFC as being a primary region of dysregulation in patients with these disorders. However, preclinical behavioral assays used to assess these deficits in mouse models which can be readily manipulated genetically and could provide the basis for studies of new treatment avenues have been underutilized. Here we describe the adaptation of a behavioral assay, the attentional set shifting task (AST), to be performed in mice to assess prefrontal cortex mediated cognitive deficits. The neural circuits underlying behavior during the AST are highly conserved across humans, nonhuman primates and rodents, providing excellent face, construct and predictive validity.

Einleitung

Die Aufmerksamkeits Satz Verschiebung Aufgabe (AST) wurde als Maß der Aufmerksamkeit und der kognitiven Flexibilität bei Ratten vor über einem Jahrzehnt ^1,2 entwickelt. AST ist nach dem intradimensional / extradimensional Komponente der Cambridge neuropsychologischen Testmated Batterie (CANTAB), die verwendet wird, um die kognitive Dysfunktion bei Menschen und nicht-menschlichen Primaten ^3,4 identifizieren modelliert. Während die Fähigkeit, einfache Regeln zu lernen intakt bleibt, Defizite in Lernen, um eine Antwort, wenn die Regeln bei Patienten mit einer Vielzahl von neuropsychiatrischen Störungen (zB, Schizophrenie, Zwangsstörungen, Depressionen) geändert zu finden sind, neurodegenerative Erkrankungen zu modifizieren (dh Parkinson-Krankheit) und bei Patienten mit Verletzungen an den präfrontalen Kortex ^5. Ganz allgemein werden diese Patienten mit der Defizite der kognitiven Flexibilität beschrieben. Analog Defizite in sowohl nicht-menschlichen Primaten und Nagetieren, wenn Läsionen t gezeigto präfrontalen Kortex wurden induzierte ^1,6-8. Diese Defizite zeigen einen Zustand kognitiver Inflexibilität oder eine gestörte Fähigkeit zur Aufmerksamkeits Satz verschieben.

Ein Aufmerksamkeits Satz gebildet wird, wenn ein Thema erfährt, dass ein Satz von Regeln können komplexe Reize, um von irrelevanten Signale unterscheiden relevanten angewendet werden. Zum Beispiel in der AST, Tiere lernen, darauf zu achten und reagieren auf die jeweiligen Cue (dh Graben mittel) und ignorieren eine irrelevante Cue (dh, Geruch), indem Sie nach einer Futterbelohnung mit dem Medium. Diese Zuordnung wird dann in nachfolgenden Aufgaben verstärkt, wo die Art der Graben Medium und Geruchsveränderungen, aber die paarweise Verbindung zwischen Mittel- und Belohnung bleibt. Dies verstärkt Regel bildet eine kognitive Set. Zwei Stufen innerhalb der AST-Protokoll Maßnahme Aspekte der kognitiven Flexibilität: Umkehr und der extraDimensionsWechsel. Am Wendephase der zuvor negativen Impulse innerhalb eines dimension (Medium in diesem Beispiel) ist jetzt positiv, was das Tier herausfordert, die positiven Impulse aus der vorherigen Stufe zu ignorieren. Wenn beispielsweise Filz Graben Medium war die positiven Impulse in der vorherigen Stufe und Papier war die negativen Impulse, nun umgekehrt ist. Das fordert Flexibilität des Tieres, dass es muss die Aufmerksamkeitssatz pflegen (dh ist mittel die entsprechende Dimension), während die Änderung der Regel gelernt, für Anregung und Belohnung Paar innerhalb einer Dimension. Die Bildung einer Aufmerksamkeitssatz am extradimensionalen Schaltstufe, wenn die Dimension irrelevant (Geruch in diesem Beispiel) wird die entsprechende Dimension in Frage gestellt. Ein kehr Antwort, wie durch eine anhaltende Wahl mit Hilfe der zuvor gelernten Regel angegeben ist, an jeder Bühne spiegelt ein Defizit in der kognitiven Flexibilität.

Läsionsstudien sowohl in nicht-menschlichen Primaten und Nagern spezifischen Regionen des präfrontalen Cortex nachgewiesen werden kann, die Fähigkeit, Perf zurückzuführenorm bestimmten Phasen des AST ^1,9. Läsionen an den orbitofrontalen Kortex (OFC), ein Teilbereich des präfrontalen Kortex (PFC), haben gezeigt, dass Defizite in der Umkehrung Lernen am AST ⁸ induzieren. Zusätzlich Läsionen an den medialen präfrontalen Kortex (MPFC) führen zu besonderen Schwierigkeiten bei der Durchführung des außerDimensionsWechsel.

Während zahlreiche Studien mit dem AST wurden an Ratten und nicht-menschlichen Primaten durchgeführt wurden, sind relativ wenige AST als Maß für kognitive Funktion in Mäusen verwendet. Angesichts der Leichtigkeit der Genmanipulation von Mäusen, und die kritische Notwendigkeit, präfrontalen Kortex-Funktion bei der Untersuchung eine Reihe von Krankheiten, die Anpassung und die Validierung dieses Verhaltensmaßnahme bei Mäusen zu messen, ist eine wichtige Ergänzung der Erforschung von Krankheiten mit PFC Dysfunktion. Die hier aufgeführten Protokoll ist eine Modifikation des Verfahrens von Birrell und Brown ^1, die für die Anwendung in Mäusen optimiert ist und spiegelt viele der Maus-spezific Anpassungen, die zuvor berichtet ^2,6,10-13 wurden.

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Protokoll

HINWEIS: Tiere in dieser Studie verwendet werden, sind männliche C57BL / 6J-Mäusen zwischen 4 und 6 Monaten für optimale Ergebnisse. Mäuse werden auf einer Umkehrlichtzyklus, um während der aktiven (dunkel) Phase bequem testen sie erhalten. Wenn das Verhalten in einem Raum getrennt vom Gehäuse durchgeführt werden Mäuse erlaubt mindestens 1 Stunde zu folgenden Transport in den Testraum akklimatisieren. Verhaltenstests unter Rotlichtbedingungen durchgeführt Ausfälle zu minimieren die normale Aktivität der Mäuse so wenig wie möglich, solange noch die Versuchsleiter eine ausreichende Beleuchtung, um visuell die Testsitzung überwachen.

HINWEIS: Alle Aspekte des hier beschriebenen Versuchsdurchführung wurden in Übereinstimmung mit dem Leitfaden für die Pflege und Verwendung von Labortieren, 8. Auflage (NRC) durchgeführt und wurden von der Institutional Animal Care und Verwenden Committee an der University of Texas Health Science zugelassen Center in San Antonio.

1 ist. Versuchsaufbau

1. Füllen Keramik Förmchen (nicht-porösen, 1.5 "Tiefe x 2.5" Durchmesser), den inneren Rand mit Graben Medium (ca. 1 "von unten); Filterpapier Runden in zwei Hälften geschnitten und nach innen Rückseite ramekin abgeklebt (Abbildung 1A)
2. Brechen leicht gesüßte trockenen Frühstücksflocken (Futterbelohnung) - Honey Nut oder Zucker überzogen Sorten, in etwa 20 mg Stücke für Akklimatisierung, Training und Testphasen.
3. Machen Sie ein Aufmerksamkeits Satz Verschiebung Aufgabe (AST) Kammer (1B): Akklimatisieren Zug und testen Sie jede Maus in einzelnen Kammern; empfehlen Produktion von mindestens 8 Kammern.
   1. Bauen Sie ein 12 "x 8" x 7 "AST Kammer; Wände und Starttor von Deckweiß Acryl die leicht zu reinigen mit 70% Ethanol ist gemacht. Die Guillotine-Stil, abnehmbare Starttor trennt Kammer in einem Wartebereich (5 "x 8") und Testbereich (7 "x 8").
   2. Beinhalten eine klare 5221; x7 "Trennwand, die zwei Seiten einer Testfläche gleichmäßig trennt; Schnitt drei ¼ "Durchmesser Löcher in unteren Teil der Trennwand, damit Sniffing-Zugang, Abstand 1" auseinander und 1 "von der Vorderseite der Trennwand (1C).

2. Verfahren Übersicht (Abbildung 2)

1. Vor der AST, Hausmäuse einzeln und es ihnen ermöglichen, zu einem umgekehrten Lichtzyklus für mindestens eine Woche ein.
2. Akklimatisieren, trainieren und testen jedes Tier in den einzelnen Testkammern. Weisen Sie jeder Kammer zu einer Maus und sauber mit 70% Ethanol nach Beendigung der letzten Testtag. Dadurch wird Stress während der Prüfung, indem sie die Kammer Geruch wie "home-Käfig" oder "Selbst" zu minimieren.
3. Duft der Testtöpfen 2 Tage vor der Prüfung, damit der Duft zu zerstreuen; Mäuse werden nicht in Töpfen, die einen sehr starken Geruch haben zu graben. Unter Verwendung einer Spritze mit einer 25 G-Nadel, gibt man etwa 0,1 mlätherisches Öl auf die Oberseite des Filterpapiers.

3. Handhabung (Tage 1-8)

1. Hand Mäusen ab 8 Tage vor dem ersten Tag des Nahrungsmittelbeschränkung. Dadurch wird Stress mit der Handhabung während des Tests zu reduzieren.
2. Wiegen und Plattenkörpergewicht pro Tag der Behandlung. Fassen Maus 2-3 Minuten pro Tag.
3. Wenn mehrere Experimentatoren sind bei der Untersuchung einer Reihe von Mäusen beteiligt sein, sicherzustellen, dass jeder Experimentator beteiligt sich an der Verarbeitungsprozess, um die Vertrautheit mit Experimentatoren zu erhöhen und Stress und Angst erlebt auf die Ausbildung oder Testtagen.
4. Weiter Handhabung und Aufzeichnungsgewichte während der gesamten Dauer der Prüfung.

4. Lebensmittelbeschränkung (Tage 9-12)

1. Ab 4 Tage vor dem Beginn der Akklimatisierung, statt Mäuse auf einer eingeschränkten Diät Mäusen bei 80-85% ihrer freien Fütterung Körpergewicht zu halten. Geben Sie 1 Gramm Nahrung pro Maus pro Tag. Wenn das Körpergewicht unterschreitetder angegebene Bereich, wobei 2 Gramm pro Tag, bis sie an den entsprechenden Bereich zurückzukehren.
2. Platzieren 2 ramekins an der Vorderseite jedes Heimkäfig, damit Mäusen auf die Testtöpfe akklimatisieren. Dies sind die gleichen Stellen verwendet, um die Maus zu trainieren, um für eine Futterbelohnung zu graben.
3. Fügen Sie 2 Gramm Nahrung und ein Stück von Lebensmitteln Belohnung (ein halbes Stück von Getreide in jedem) in den Förmchen jeden Tag für 4 Tage.
4. Wenn Verhalten ist in einem separaten Raum als dem, in dem die Mäuse untergebracht sind, ausgeführt werden, beginnend an Tag 1 des Nahrungsmittelbeschränkung und Verkehrs Mäusen auf den Testraum für mindestens 1 Stunde pro Tag vor der Rückkehr in den Gehäuseraum zu ermöglichen, sie auf den Testraum akklimatisieren.
5. Am letzten Tag von Lebensmitteln Einschränkung, vor Beginn der Akklimatisierung, ändern Sie den Heimkäfig Betten. Der Käfig Bettwäsche wird erst wieder nach dem Test abgeschlossen ist, um Stress oder Angst erlebt während der Ausbildung und Prüfung (wenn es unbedingt notwendig) zu reduzieren geändert werden.
6. PflegenMäuse auf Nahrungsmittelbeschränkung bis zum Ende des Tests. An den Tagen 13-17, geben Mäuse Essen nach Akklimatisierung, Ausbildung oder Prüfung auf der Basis einer Schätzung der Menge der Nahrung Belohnung verbraucht (in der Regel <1 g Futterpellet).

5. Akklimatisierung (Tage 13-14)

1. Ab 2 Tage vor dem Beginn der Ausbildung, führen Akklimatisierung während der Dunkel-Zyklus unter Rotlicht.
2. Verteilen Sie eine kleine Menge an schmutzigen Einstreu aus dem Käfig in der Kammer, wird dies den Druck, sich in einer neuen Umgebung, indem eine bekannte "home-Käfig" oder "Selbst" Geruch der Testkammer zu reduzieren (die gleiche Kammer werden für eine einzelne Maus für die Dauer der Ausbildung und Prüfung) verwendet.
3. Ein sauberes ramekin mit Wasser im Wartebereich der Kammer; Mäuse sind in der Regel nicht zu essen, wenn sie keinen Zugang zu Wasser.
4. Legen Sie die beiden Förmchen, die für die Nahrungsmittelbeschränkung im Testbereich mit einer Futterbelohnung verwendet wurden (~ 20mg Getreide Stück) in jedem.
5. Platzieren Sie die Maus im Wartebereich; entfernen Sie das Starttor und lassen Sie die Maus, um die Kammer für 1 Stunde zu erkunden.
6. Kontinuierlich hinzufügen Futterbelohnungen (~ 20 mg Getreide Stück), um die leeren Förmchen, um die Mäuse zu ermutigen, den Testbereich und die Töpfe häufig zu erkunden.
7. Sicherzustellen, dass die Maus den Experimentator gesamten Akklimatisierungszeit zu sehen, so dass die Anwesenheit des Experimentators nicht ein zusätzlicher Stressor während des Tests.

6. Training (Tag 15)

1. Platzieren Sie die Maus im Wartebereich.
2. Legen Sie die leere Förmchen, die jeweils eine Futterbelohnung (~ 20 mg Getreide Stück) enthält, in den Testbereich und heben Sie die Startrampe. Lassen Maus 3 min, beide Essen Belohnungen zu erhalten. Wiederholen Sie diesen Vorgang mehrmals.
3. Nach und Sägemehl / Maus Käfig Betten zu den Töpfen in nachfolgenden Studien hinzuzufügen. Lassen Sie die Maus 3 min, um die Futterbelohnung von jedem Topf vor dem Ende der drei abrufenal. Sobald die Maus den Futterbelohnung von jedem Topf abgerufen wird, gehen Sie zum nächsten Versuch. Wenn die Maus Versuche zu graben, wenn der Futterbelohnung wird zum Teil abgedeckt nicht machen kann Hinweise zur Verfügung gestellt werden (dh, streuen Getreidestaub über Bereich der Futterbelohnung, vereinbaren Sie einen Einzug im Sägemehl auf Gebiet der Lebensmittel Belohnung, aufzudecken Teil der Futterbelohnung).
4. Weiter Sägemehl / Bettwäsche Zugabe nach jedem Versuch, bis die Futterbelohnung ist komplett abgedeckt und die Maus zuverlässig zeigt die Fähigkeit, in einem vollen Topf zu graben, um die Futterbelohnung zu finden.
5. Wenn eine Maus nicht zuverlässig die Fähigkeit gezeigt, eine Futterbelohnung in einem vollen Topf innerhalb von 2 h nach Beginn der Ausbildung zu finden, weiterhin einen zweiten Tag des Trainings. Pflegen Sie die Maus auf Nahrungsmittelbeschränkung und wiederholen Sie den Vorgang am nächsten Tag.
6. Wenn die Maus nicht für eine Futterbelohnung nach zwei aufeinanderfolgenden Tagen zu graben, schließt es aus dem Rest des Experiments, und mit Anmerkungen als "ausgefallen zu graben" im experimental Rekord.

7. Prüfung (16-17 Tage):

1. Am ersten Tag, testen Sie einfach Diskriminierung (SD), Verbindung Diskriminierung (CD), Auflösung (R1) und Intra-Dimensionswechsel (IDS).
2. Am zweiten Tag, testen Sie die intra-Dimensionswechsel 2 (IDS2), intra-Dimensionswechsel 3 (IDS3), Umkehr 2 (R2; optional), extra-dimensionale Verschiebung (EDS).
3. Pair Medien und Düfte, wie in Tabelle 1 dargestellt.
4. Zum Zeitpunkt der Behandlung auf Testtag, geben Mäusen eine Futterbelohnung einen Mangel an Konzentration durch Hunger zu vermeiden, während des Tests. Von diesem Punkt bis zum Ende des Testtages, bieten keine Nahrung außer Belohnungen für richtige Entscheidungen.
5. Zu Beginn des Tests, mit einer Pinzette (begrenzt die Ausbreitung von Gerüchen zwischen Töpfen), legen Sie ein Stück des Futterbelohnung in den Topf, der eine richtige Wahl anzeigt. Das Essen Belohnung sollten in vollem Umfang von den Medien (siehe Abbildung 3) abgedeckt werden. Um einen Duft Stichwort von der Futterbelohnung zu vermeiden, streuen Getreidestäube over alle Töpfe zu Beginn der Stufe.
6. Platzieren Sie die Maus in den Wartebereich mit der Start Tor geschlossen. Stellen Sie die Töpfe auf beiden Seiten der Testkammer. Der Prozess beginnt, wenn das Startgate entfernt und der Timer gestartet. Lassen Sie jede Maus 3 min pro Versuch, eine Wahl zu treffen. Notieren Sie die Wahl (richtig oder falsch) und die Zeit, bis die Maus machte eine Wahl für jeden Versuch.
   HINWEIS: Eine "Wahl" wird von einem Versuch, in jedem Topf graben angezeigt. Ein Seitenhieb wird nur als Wahl angesetzt, wenn die Maus den Medien verdrängt und steckte seine Nase weit genug in den Raum schafft, um die Nahrung Belohnung oder verdrängt genug von den Medien, um die Futterbelohnung zu entdecken finden. Wenn eine Maus nicht eine Wahl innerhalb von 3 min hergestellt, wird dies als keine andere Wahl (falschen) aufgezeichnet.
7. Sobald eine Wahl hat für beide Topf gemacht, entfernen Sie den Topf, die nicht von der Testkammer gewählt. Wenn eine richtige Wahl getroffen wurde, damit die Maus, um die Futterbelohnung, bevor Sie die Maus wieder in beendender Wartebereich. Wenn eine falsche Auswahl getroffen haben, damit die Maus, um den Pot zu erforschen, um zu zeigen, dass es keine Futterbelohnung für diese Wahl vor der Rückkehr mit der Maus in den Wartebereich.
8. Am Ende jeder Studie, die Maus wieder in den Wartebereich und ersetzen Sie die Startrampe.
9. Sicherzustellen, dass die Maus erfüllt das Kriterium 8 korrekten Versuche nacheinander an die nächste Stufe der AST voranzutreiben. Wenn eine Maus nicht nacheinander erhalten 8 richtigen Entscheidungen innerhalb von 50 Studien, schlägt es dieses Stadium und kann nicht weitergehen, um den Test zu beenden. 6 aufeinanderfolgenden keine Entscheidungen (3 min ohne Wahl) ist ein Ausfall zu beteiligen und verbietet die Maus bewegt auf die nächste Stufe.

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Ergebnisse

Die typische abhängig Maßnahme in diesem Test ist die Anzahl der Versuche pro Stufe zu Kriterium (oder 8 aufeinanderfolgenden richtigen Entscheidungen) zu erfüllen. 4A zeigt die durchschnittliche Anzahl von Versuchen, um Kriterium in jeder Phase in unbehandelten C57BL / 6J mit dem AST erfüllen. Mäuse sind ein Aufmerksamkeits Satz auf der entsprechenden Cue Dimension (Geruch oder Medien), wird die Leistung zu verbessern, wie durch eine Verringerung der Versuche angezeigt, um Kriterium in aufeinander...

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Diskussion

Defizite in der kognitiven Flexibilität durch die PFC vermittelt einen wesentlichen Behinderung mit einer Vielzahl von neurologischen und neuropsychiatrischen Störungen verbunden sind, und kann einen großen Einfluss auf die Ergebnisse und die Lebensqualität von Personen, die unter diesen Erkrankungen haben. Optimierung der AST für den Einsatz in Mäusen ist von entscheidender Bedeutung, um die Untersuchung der genetischen Grundlagen von Krankheiten verbunden ist, um kortikale vermittelte kognitive Dysfunktion präf...

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Materialien

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Testing Chamber			Fabricated in-house, specifications can be found in protocol
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Essential Oils:	Fronteir Natural Products Co-Op		Purchased on http://www.frontiercoop.com/prodlist.php?ct=anpceoeo
Clove Bud		191114
Red Thyme		191140
Lemon		190810
Cinnamon Leaf		191111
Rosemary		191133
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Vanilla in jojoba oil		191231
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Ginger		191121
Nutmeg		191161
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Lightly sweetened dry breakfast cereal loops	HEB		Honey nut toasted oats used in the protocol described, any lightly sweet coated breakfast cereal is recommended