Un operante intra / extra-dimensionale Set-shift attività per Mice

Riepilogo

Attentional set-shifting cognitive abnormalities are a core feature of many psychiatric diseases. Here, we present the development of a novel automatic system for the effective study of attentional set-shifting abilities, executive functions and other cognitive abilities in mice with high translational validity to human studies.

Abstract

Alterations in executive control and cognitive flexibility, such as attentional set-shifting abilities, are core features of several neuropsychiatric diseases. The most widely used neuropsychological tests for the evaluation of attentional set-shifting in human subjects are the Wisconsin Card Sorting Test (WCST) and the CANTAB Intra-/Extra-dimensional set shift task (ID/ED). These tasks have proven clinical relevance and have been modified and successfully adapted for research in animal models. However, currently available tasks for rodents present several limitations, mainly due to their manual-based testing procedures, which are hampering translational advances in psychiatric medicine. To overcome these limitations and to better mimic the original version in primates, we present the development of a novel operant-based two-chamber ID/ED "Operon" task for rodents. We demonstrated the effectiveness of this novel task to measure different facets of cognitive flexibility in mice including attentional set formation and shifting, and reversal learning. Moreover, we show the high flexibility of this task in which three different perceptual dimensions can be manipulated with a high number of stimuli cues for each dimension. This novel ID/ED Operon task can be an effective preclinical tool for drug testing and/or large genetic screening relevant to the study of executive dysfunction and cognitive symptoms found in psychiatric disorders.

Introduzione

Attentional set-shifting è una misura di flessibilità cognitiva e funzioni esecutive ^1. Si riferisce alla possibilità di passare da regole interne arbitrarie ("set cognitivo-attenzionale"). I compiti neuropsicologici più utilizzati per la misurazione dell'attenzione set-shifting e flessibilità cognitiva negli esseri umani sono il Wisconsin Card Sorting Test ^(WCST) 2 e una versione più recente e più raffinata: il intra ed extra-dimensionale attentivo set-shifting (ID / DE) della Cambridge neuropsicologica Automated Test Batteria (Cantab) ^3,4. Questi compiti sono stati utilizzati per identificare specifiche anomalie cognitive in una vasta gamma di disturbi mentali, tra cui l'autismo, la schizofrenia ^{5 6,} disturbi del morbo di Parkinson ^7, disturbi ossessivo compulsivo ^{8 e} da deficit di attenzione / iperattività ^9. La rilevanza clinica e solido approccio metodologico del WCST e l'ID / test DE hanno attl'interesse racted nella realizzazione di test simili in ricerca preclinica ^10,11. Queste attività consentono la misurazione selettiva all'interno dello stesso soggetto di diverse abilità cognitive quali l'apprendimento discriminativo, apprendimento inversione, formazione di un set attenzionale, spostando l'attenzione all'interno della stessa dimensione (. Cioè spostamento intra-dimensionale: IDS) e tra i diversi dimensioni percettive (cioè turno extra-dimensionale:. EDS). Questo è fondamentale perché i circuiti cerebrali distinte, così come neuropatologia potrebbero alterare le funzioni cognitive distinte in modi diversi. Ad esempio, è stata dimostrata una doppia dissociazione o l'effetto di specializzazione funzionale tra il laterale (nelle scimmie e nell'uomo) / mediale (in roditori) e nelle regioni orbitali del PFC nelle attività di set-shifting di attenzione. Mentre la corteccia orbitofrontale è più coinvolto nelle fasi di inversione di tali compiti, il / regione PFC mediale laterale disciplina le fasi di spostamento extra-dimensionali^12-14.

Versioni roditore di questi test di set-shifting di attenzione per i primati sono stati generati con successo ^13-16. Tuttavia, alcuni aspetti di queste versioni di roditori sono state limitando le loro applicazioni e l'utilizzo. Ad esempio, queste operazioni vengono eseguite manualmente e quindi altamente e difficile da standardizzare intensità di lavoro. Inoltre, la presenza di rinforzi alimentari all'interno stimoli potrebbe comportare un'interpretazione ambigua di risposte animali e potenziale di polarizzazione in scelta fabbricazione ^10. Queste caratteristiche hanno limitato il throughput di test e, soprattutto, la loro applicazione in larga scala studi genetici e / o droghe-screening.

Per superare queste limitazioni e per migliorare le potenziali applicazioni di paradigmi turno ID / DE nei roditori, presentiamo qui un romanzo bicamerale basato su attività operante a testare la flessibilità cognitiva nei topi. Questo compito romanzo imita da vicino il compito ID / DE utilizzata nell'uomo e nonprimati non umani e aggira i problemi delle versioni precedenti. roditori

Protocollo

Tutte le procedure sono state approvate dal Ministero della Salute e del Comitato uso di animali locali italiane e sono state condotte in conformità con la guida per la cura e l'uso di animali da laboratorio delle direttive del Consiglio della Comunità Europea.

Nota: La figura 6 mostra una linea temporale di tutta la procedura del protocollo per testare ID compito / ED.

1. Apparato

Figura 1. L'apparecchio a due camere "operone". (A) Vista dall'alto dell'intero apparato e (B) vista dalla parte anteriore di una singola camera mimando il mouse punto di vista durante la prova. 1: stimoli visivi (LED); 2: rivista cibo; 3: Foro naso-Poke; 4: stimolo tattile (texture); 5: stimolo olfattivo; 6: porta scorrevole automatica; 7: casa -leggero; 8: photobeam a infrarossi per il controllo della porta. Chambers (16 x 16 x 16 cm ³⁾ sono separati da una porta di plastica trasparente (6). Photobeams infrarossi (8) tracciati i movimenti degli animali e controlla l'apertura / chiusura della porta automatica per consentire il mouse per cambiare camere. Ogni camera presenta due fori naso-Poke (3) con photobeams infrarossi, e, tra loro, un magazzino alimentare (2) con photobeams dove un dispenser di pellet consegnato il rinforzo cibo. Una casa luminosa (7) si trova sopra ciascuna delle due riviste alimentari. Ogni foro naso-Poke è dotata di una serie di stimoli variabili che potrebbero variare in tre diverse dimensioni percettive (odore, vista, tatto). Originariamente pubblicato in 'Il massimo intra ed Extradimensional attenzionale Set-Shifting attività per topi' ^19. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

content "> Nota: L'apparecchio operone (Figura 1) è costituito da due camere uguali con pareti in plexiglas e un pavimento in alluminio (16 x 16 x 16 cm ^{3 per} ciascuna camera) Chambers sono separati da plexiglass trasparente porta che può essere automaticamente divisorie. controllato per permettere al mouse per accedere a una camera. Ogni camera ha due fori naso-Poke con photobeams infrarossi, e, tra di loro, una rivista di cibo con photobeams dove un dispenser di pellet consegnato il rinforzo cibo. Un ventilatore e una casa di luce si trovano sopra ciascuna delle due riviste alimentari.

1. Dotare ciascun foro naso-Poke con un numero di stimoli variabili (Tabella 1) che variano in tre diverse dimensioni percettive (cioè, odore, vista, tattili). Nota: Gli stimoli suggeriti nella tabella 1 sono stati selezionati in modo da evitare qualsiasi fattore di confusione e / o pregiudizi a causa di evasione o di preferenza. Cinque coppie di esemplari per ogni dimensione consentono una contest in tema di tutti i turni, con stimoli nuovi ad ogni turno.
   1. Per offrire stimoli olfattivi nei fori naso-poke, utilizzare un olfattometro diluizione, che condizionano l'aria in entrata ai fori naso-Poke da disseccanti automaticamente, filtrando, reidratante e controllare la presentazione di coppie di profumi.
      1. Utilizzare uno olfattometro per controllare due fori naso-Poke. Regolare il flusso d'aria da una pompa d'aria e un vuoto per la rimozione del profumo nei fori Poke naso. Collegare la pompa dell'aria all'ingresso della olfattometro e il vuoto alle uscite montati sul dispositivo Poke naso. Quindi collegare l'uscita per la consegna odore ogni ingresso naso-Poke. Regolare la portata a 1,5 l per minuto.
      2. Diluire profumi odore 1:20 in olio minerale e riempire le bottiglie della olfattometro.
   2. Per stimoli visivi, luogo diodi emettitori di luce (LED) sulla parte superiore di ogni foro naso-Poke e fissarli nel metallo panel della camera (vedi dettagli nella figura 1 e Tabella 1). Collegarle al interfaccia di uscita.
   3. Per stimoli tattili, installare le texture del pavimento mutevoli davanti ad ogni foro naso Poke. Montare le diverse texture su supporto scorrevole e spostarli utilizzando fotogrammi sotto il pavimento, in modo che essi sono presentati in corrispondenza di una piccola apertura (3 x 3 cm ²⁾ sul pavimento di fronte a ciascun foro naso-chiusa.
2. Controllare la presentazione degli stimoli utilizzando il software in base alle istruzioni del produttore, al fine di modificare automaticamente gli stimoli di diverse dimensioni durante l'esperimento.
3. Mettere una macchina fotografica sulla parte superiore del dispositivo, al fine di registrare l'attività alternanza e locomotoria basale utilizzando il software di monitoraggio del comportamento (ad es., Ethovision, Anymaze), che potrebbe contribuire ad eliminare gli animali che hanno problemi estranei a funzioni cognitive.

ODORI	STRUTTURE	LUCI
pesca v. salvia	velcro v. pellicola	luci v. luci spente
vaniglia v. lavanda	grossolani carta vetrata v. carta vetrata fine	rosso v. verde
fragola v. cannella	liscio cartone v. cartone increspato	v blu. Giallo
pompelmo v. origano	spugna v. plastica liscia	arancione v. bianco
limone v. albicocca	honeycomb carta v. foglio di alluminio	fissare luci v. luci lampeggianti

Tabella 1. Esemplari utilizzati nel compito / ED Operon ID. Discriminazioni composti sono basati su combinazioni fisse di coppie di esemplari (vedi Figura 2 per un esempio della sequenza di discriminazioni). Le coppie esemplari di diverse dimensioni sono espresse in combinazioni casuali. Stimoli neutri per le diverse dimensioni sono: flusso d'aria senza profumo; carta bianca; senza stimoli luminosi. Tabella originariamente pubblicato in 'The Ultimate intra ed Extradimensional attenzionale Set-Shifting attività per topi' ^19.

2. Preparazione degli animali

Nota: I risultati rappresentativi qui riportati sono stati ottenuti da maschi C57BL / 6J, da 3 a 7 mesi di età, durante la fase di luce.

1. Pesare i topi, singolarmente-casa e poi gestire per 1 minuto su tregiorni alterni.
2. Dopo una settimana di acclimatazione a singolo alloggiamento, registrare il peso corporeo e l'assunzione di cibo 24 ore per tre giorni consecutivi per determinare il peso di base e l'assunzione di cibo.
3. Applicare un leggero regime privazione di cibo per 1 settimana prima formazione per il test. Controllare peso degli animali ogni giorno mentre alimentare limitato tutto l'esperimento per mantenere circa il 90% del loro peso senza alimentazione basale corpo. Per tre giorni consecutivi prima della fase di formazione di assuefazione, dare topi nella loro gabbia a casa anche ≈20 pellet rinforzo cibo. Questi sono i pellet cibo che verranno utilizzati in test successivi.
   Nota: restrizione alimentare è utilizzato per aumentare la motivazione degli animali per lavorare nel compito, tuttavia, non superare il 10% della perdita di peso durante ogni fase del l'intera procedura in quanto può portare a comportamenti anomali e stress eccessivo per i topi, che possono influenzare i risultati.
   1. In alternativa, per evitare unico involucro, leave il gruppo ospitato topi (2-4 ogni gabbia) e dare l'accesso al cibo ad libitum per un determinato periodo di tempo dopo il test. Controllare peso degli animali ogni giorno mentre alimentare limitato tutto l'esperimento per mantenere circa il 90% del loro peso senza alimentazione basale corpo.

3. assuefazione

1. Addestrare i topi in una sessione di 1 giorno di 40 minuti per muoversi all'interno dell'apparecchio senza il divisore porta, dove un naso-gomitata a qualsiasi risultato foro naso-chiusa in una consegna pellet nel ricettacolo cibo. Durante questa fase, utilizzare solo stimoli neutri (Tabella 1) per tutte le diverse dimensioni (assuefazione 1).
2. Il giorno seguente, addestrare gli animali per 40 min per spostarsi da una camera all'altra, alla fine di ogni prova (assuefazione 2). Utilizzare stimoli neutri per tutte le dimensioni diverse. Anche in questa fase, un naso-colpire in qualsiasi fori naso Poke risultati in una consegna pellet nella rivista cibo.Quando il mouse recupera la ricompensa nella rivista cibo, abbassare la porta divisoria per dare l'accesso mouse per l'altra camera per la prova successiva.
3. Il terzo giorno (assuefazione 3), addestrare gli animali per eseguire due discriminazioni semplici (SD1 e SD2,. Ad esempio, velcro vs cinematografici;. Spunto luce su vs spunto luce spenta; pesca vs salvia.) Ad un criterio di 8 risposte corrette su 10 prove consecutive. Non utilizzare nuovamente questi esemplari durante le fasi successive del test.
   1. Per iniziare, posizionare il mouse in una camera con stimoli neutri, mentre nell'altra camera spunti stimoli sono accesi; quindi abbassare la porta per dare l'accesso del mouse alla camera con i segnali stimoli attivati. Il mouse deve imparare a scegliere il foro naso-Poke, dove lo stimolo corretto è presentato. Le sessioni durano 40 minuti.
   2. Premiare un naso-gomitata nel foro corretto con una consegna pellet e quando il mouse entra rivista cibo, abbassare la porta divisoriadi dare l'accesso mouse per l'altra camera per la prova successiva. Non premiare un naso-gomitata nel foro non corretta e accendere la luce casa per 5 sec. Quindi abbassare la porta per dare l'accesso mouse per l'altra camera per la prova successiva.
   3. Condurre i primi dieci prove di ogni tappa come plasmare prove: se il mouse seleziona il foro sbagliato, registra un errore, ma non termina il processo fino a quando il mouse colpisce anche nel foro corretto. Negli studi successivi, se il mouse sporge nel foro corretto, registrare un errore e spegnere tutti gli stimoli dimensionali per terminare il processo.
   4. Terminare ogni sessione dopo 40 minuti o se un topo non riesce a fare alcuna risposta per cinque minuti consecutivi, a seconda di quale è venuto prima. Se il mouse non raggiunge il criterio in una sessione, continuare il test il giorno successivo.
   5. Se il mouse non può raggiungere il criterio della SD1 SD2 o del Habituation 3 dopo 5 sedute, arrestare la prova il mouse e eliminarla dallo studio, perchénon è in grado di funzionare in modo affidabile discriminazioni di base che potrebbero poi influenzare i risultati della task ID / ED.

Figura 2. Esempio del compito ID / ED. Un esempio del ID / ED 'stuck-in-set' e paradigmi "bidimensionali" è mostrato. Tratto da 'Il massimo intra ed Extradimensional attenzionale Set-Shifting attività per topi' ^19. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

4. ID / ED Paradigma Procedura 'stuck-in-set'

Nota: Per questa procedura, precedentemente utilizzato in entrambi i primati e roditori ^7,15,16, è necessario manipolare tre diverse dimensioni percettive perogni singolo mouse testato. Per quanto riguarda le fasi di assuefazione, tutte le sessioni giornaliere prova, avviate posizionando il mouse in una delle due camere in cui tutti gli stimoli neutri. Prima dell'inizio di un processo, i segnali di stimolo vengono inseriti nella camera opposta. Poi la porta che divide si abbassa per dare l'accesso mouse per l'altra camera dove gli spunti di stimolo sono.

1. Per formare l'animale di sviluppare una serie, o pregiudizi, verso una particolare dimensione percettiva (es., Odori, luce o floor texture), espongono topi ai seguenti discriminazioni presentati in questo ordine (vedi anche un esempio in figura 2):
   1. Per la discriminazione semplice (SD), di introdurre i topi a una dimensione (odore, luce o struttura, vedi figura 2) che è rilevante in tutti i compiti fino alla EDS. Cioè, la dimensione rilevante è quello che indica dove la risposta corretta è. Seguendo l'esempio di figura 2, presentano due odori, come vaNilla (O1) e lavanda (O2), e selezionare O1 come la risposta corretta.
   2. Per la discriminazione Compound (CD), introdurre una seconda dimensione, ad esempio la luce, che è irrilevante (cioè, non erano indica la risposta corretta). Present due luci (L1 e L2) insieme con gli odori (O1 e O2) in modo da avere due possibili discriminazioni (vedi esempio in figura 2). Gli esemplari corretti sono le stesse in SD.
   3. Per l'inversione della discriminazione Compound (CDRE), lasciare le esemplari e la dimensione relativa invariato, ma hanno gli animali imparano che lo stimolo in precedenza corretto è ora corretto. Ad esempio, selezionare lavanda come la risposta corretta, con la vaniglia essendo ormai la scelta errata. Queste stesse condizioni si trovano per le altre fasi di inversione (cioè IDSRe, IDS2Re e EDSRe).
   4. Dopo di che, selezionare uno shift Intra-dimensionale (IDS) in cui nuovi esemplari sono utilizzati sia per la rilevantee le dimensioni irrilevanti (un disegno totale cambiamento). Ad esempio, utilizzare fragola e cannella (O3 e O4) come gli odori e le luci blu e gialli (L3 e L4) come le luci. Tuttavia, assicurarsi che i soggetti di prova Continuate a seguire la stessa dimensione rilevante al fine di trovare la risposta corretta. Queste stesse condizioni si trovano per l'altra spostamento intradimensional (cioè, IDS2).
   5. Come per il precedente discriminazione, i topi hanno eseguire l'inversione dello spostamento Intra-dimensionale (IDSRe). Utilizzare le stesse condizioni in CDRE.
   6. Per intra-dimensionale turno 2 (IDS2), utilizzare le stesse condizioni IDS.
   7. Allo stesso modo, utilizzare le stesse condizioni CDRE per l'inversione del cambio intra-dimensionale 2 (IDSRe2).
   8. Nel turno extra-dimensionale (EDS), sono i topi scegliere il corretto buco dopo una dimensione di stimolo appena presentato. Presentare una coppia di stimoli da una nuova dimensione, che è la trama. Ad esempio utilizzare carta vetrata a grana grossa (T1) come la res correttiponse e carta vetrata fine (T2) come scorretta, e presentarli con due nuovi odori, per esempio limone e albicocca (O7 e O8). La dimensione in precedenza in questione è ormai diventato irrilevante. Non presentare più la dimensione in precedenza irrilevante.
   9. Per l'inversione extra-dimensionale (EDSRe), ​​utilizzare le stesse condizioni in CDRE.
2. Misurare le prestazioni dei topi fino a raggiungere un criterio di 8 scelte corrette di 10 prove consecutive per completare ogni fase. Impostare il programma (vedi Tabella dei Materiali) per passare automaticamente alla fase successiva dopo il raggiungimento del criterio. Interrompere una sessione al giorno dopo 40 minuti, o se un topo non riesce a fare alcuna risposta per 5 minuti consecutivi, terminare la sessione e continuare il giorno dopo con il mouse sullo stesso palco dove era stato interrotto.
   1. Per ogni fase, misurare il tempo per raggiungere il criterio. Se un topo non raggiunge il criterio in una sessione, riassumere il tempo totale impiegato in sessioni consecutive. Perogni prova, misurare il tempo dalla presentazione degli stimoli (odori, luci, texture) a una risposta naso-Poke (latenza di rispondere).
3. Al termine di ogni sessione, pulire l'apparecchio con il 70% di alcol.
4. Utilizzare sempre lo stesso ordine delle discriminazioni. Tuttavia, cambiare in modo casuale le dimensioni di stimolo e le coppie di esemplari utilizzati e altrettanto rappresentarli all'interno di gruppi sperimentali e di controbilanciare tra i gruppi.
5. Assicurati di controbilanciare ugualmente le dimensioni percettive utilizzate all'interno e tra ogni gruppo sperimentale in modo che ogni possibile trasferimento ED è rappresentato (cioè, la luce per l'odore, la luce per consistenza, odore di luce, odore di tessitura, tessitura di luce, texture odore) . Le combinazioni di esemplari sono troppo numerosi per permettere pieno controbilanciamento; Pertanto, per ridurre i gradi di libertà, utilizzare sempre esemplari a coppie; per esempio, di stimolo alla vaniglia con lavanda, ecc (vedi tabella 1).

5. Procedura / ED Paradigma ID 'a due dimensione'

Nota: Un'altra condizione per misurare la capacità di set-shifting attentivo, utilizzato sia nei primati e roditori ^{12,17 13,} è il paradigma 'bidimensionale'. In questo caso, solo due dimensioni percettive vengono utilizzati durante tutta la prova.

1. Per questo protocollo, utilizzare l'ordine delle discriminazioni e la procedura da seguire, come descritto per il protocollo 'stuck-in-set' fino allo stadio EDS (vedere un esempio nella figura 2):
   1. Per la SD e le seguenti fasi, utilizzare le stesse coppie di 'stuck-in-set', fino a quando il IDS2Re. Come mostrato nell'esempio di figura 2, utilizzare due odori (O1 e O2, utilizzare O1 come corretti stimolo).
   2. Per il CD, come nel protocollo 'stuck-in-set', introduce una nuova dimensione (ad esempio luce, L1 e L2), che è irrilevante e potrebbe servire come un fattore confondente.
   3. Il CDRE è simile, come hon il protocollo 'stuck-in-set', quindi lasciare le esemplari e la dimensione relativa invariato, ma hanno gli animali imparano che lo stimolo precedentemente corretta è ora corretto (ad esempio, O1).
   4. Nelle IDS, utilizzare sempre nuove coppie di stimoli per entrambe le dimensioni (O3 e O4, L3 e L4, dove O3 è lo stimolo corretto).
   5. Per il IDSRe, hanno i topi eseguire l'inversione del IDS. Selezionare l'esemplare corretto che è quello che è stato corretto durante l'IDS (ad esempio, O4).
   6. Per il IDS2, introdurre nuove coppie di stimoli per entrambe le dimensioni (O5 e O6, L5 e L6).
   7. Come nelle tappe precedenti di inversione, in IDS2Re, hanno gli animali imparano che lo stimolo precedentemente corretta è ora corretto (ad esempio, O5).
   8. Per il protocollo 'bidimensionale', la EDS, i topi devono scegliere la risposta corretta dopo la dimensione precedentemente irrilevante diventa ora la dimensione rilevante. Così, la luce è la nuova dimensione rilevante, WHIch indica la risposta corretta. In particolare, la luce rossa (L7) è la risposta corretta. Viceversa, la dimensione precedenza rilevante (nell'esempio, odore) è ora quello irrilevante.
   9. Dopo la EDS, per l'inversione (EDSRe), ​​utilizzare stesse condizioni in CDRE. La dimensione rilevante è la stessa come nel EDS ma esemplari corretti sono invertiti. Così, per esempio, la luce verde (L8) è ora la risposta corretta.

Analisi 6. Dati

1. Misurare la performance per: numero di prove per raggiungere il criterio; tempo per raggiungere il criterio (in minuti); tempo dalla presentazione degli stimoli ad una risposta naso-Poke (latenza di rispondere).
2. Per l'analisi statistica, utilizzare ANOVA con le diverse fasi (SD, CD, CDRE, IDS, IDSRe, IDS2, IDSRe2, EDS, e EDSRe) come un fattore entro soggetti per esaminare il numero di prove necessarie per raggiungere i criteri, i tempi necessari per completare ogni fase e la latenza di rispondere. Controdotto post-hoc analisi utilizzando il test di Newman-Keuls. Nota: Il valore accettato per significatività è p <0.05.

Risultati

La Figura 2 mostra un esempio del compito ID / ED. Coppie di stimoli (o 'discriminazione 1' o 'Discriminazione 2') sono presentate a caso in ogni fase, e il mouse devono scegliere il giusto stimolo di ogni coppia. In questa tabella esempio, l'esemplare corretto è riportato in grassetto. Nella prima fase (SD o discriminazione semplice), gli stimoli presentati nei due fori naso-Poke differivano in una delle tre dimensioni (ad esempio, O1: Vaniglia vs. O2: Lavanda) e il mouse viene premiato per la scelta del modello corretto (ad esempio, O1). Una volta che il soggetto raggiunga il criterio in questa fase, la fase successiva (CD o discriminazione composto) inizia, dove gli stessi esemplari della dimensione corrispondente sono presentati sovrapposto a caso dal esemplari di secondo, ma dimensione irrilevante, introdotto come fattore di confusione ( ad esempio, L1:. luce blu vs.L2: luce gialla). Due discriminazioni differenti sono possibili in questa fase (either 'Discriminazione 1' o 'Discriminazione 2'). Nella fase successiva (CDRE o discriminazione composti inversione), le contingenze ricompensa sono invertiti, ma gli esemplari e alla dimensione rilevanti sono invariati: il mouse deve imparare che lo stimolo precedentemente corretta è ora corretto (ad esempio, lavanda odore è ora ricompensato). Nella fase successiva (IDS o spostamento intra-dimensionale), nuovi esemplari (sia gli odori e luci) sono introdotte, ma la dimensione rilevante (odore in questo esempio) rimane la stessa (ad esempio, fragola è la scelta corretta). Nella fase successiva (IDR o inversione intra-dimensionale), le contingenze ricompensa sono invertiti. Dopo un secondo turno intra-dimensionale (IDS2 e la sua inversione), nuovi esemplari vengono introdotti per testare il turno extra-dimensionale (EDS) in cui la dimensione corrispondente viene modificato. Nel 'stuck-in-set' EDS, il mouse deve concentrarsi sulla nuova dimensione (ad esempio, la trama, T1: grossa carta vetrata vs T2: sa benendpaper), mentre la dimensione precedentemente rilevante (in questo caso, odore) è ora la dimensione irrilevante. Nella 'bidimensionale' EDS, la dimensione precedenza irrilevante (in questo caso, la luce) è ora la dimensione rilevante. Nella fase finale (EDSRe o extra-dimensionale inversione), le contingenze ricompensa sono invertiti.

Al fine di ottenere risultati affidabili, le dimensioni di stimolo utilizzati nel compito dovrebbe essere altrettanto ben appresi-. Come mostrato in figura 3, visivo, tattile e discriminazioni odore in questo romanzo apparato richiesto tempo simile (F _(2,64) = 0.36; p = 0,69) e simili numero di prove (F _(2,64) = 0,059; p = 0,94) per raggiungere il criterio, suggerendo che gli animali sono in grado di eseguire semplici discriminazioni a prescindere della dimensione presentato.

Se un set attenzionale affidabile è stato sviluppato nel corso delle fasi di collaudo del compito, il performance di un normale topo wild-type dovrebbe essere più povero in fase di EDS rispetto alle fasi precedenti e successive, come riportato in precedenti studi nei roditori e primati ^12,13. In particolare, un robusto aumento del tempo e le prove necessarie per raggiungere criteri dovrebbe essere trovato nel EDS rispetto alle fasi IDS. Come illustrato nella figura 4, nel nostro esperimento con il protocollo 'stuck-in-set', analisi delle prestazioni dei topi ha rivelato un effetto discriminazione per il numero di prove (F _(8.168) = 9.23; p <0,0001) e tempo ( F ₍₈₁₆₈₎ = 8.62; p <0.0001) necessaria per raggiungere criteri. Infatti, i topi necessarie più prove e più tempo per risolvere il palco EDS rispetto alle fasi di CD, IDS, IDS2 e EDSRe (p <0.05, figura 4A-B). Analogamente, analisi delle prestazioni testato con il protocollo 'bidimensionale' (Figura 5) ha mostrato un effetto significativo discriminazione per il numero di prove (F _(8,72) = 30,66; p <0.005) e il tempo (F _(8,72) = 4.65; p <0,0005) necessari per raggiungere criteri. Infatti, abbiamo dimostrato che i topi necessarie più prove (p <0,05) e più tempo (p <0,05) per risolvere il EDS rispetto al CD, IDS, IDS2 e EDSRe (Figura 5A-B). Nessuna differenza nella capacità di spostamento devono essere osservate tra i topi testati con diverse dimensioni.

In un normale topo wild-type, l'apprendimento della prima inversione (es., CDRE) è più difficile che la discriminazione iniziale (ossia, CD). D'accordo, come evidente dalle figure 4 e 5, i topi necessari altri studi (p <0.05; Figura 4-5A) e più tempo (p <0.05; Figura 4-5B) per completare questa fase. Inoltre, le prestazioni inversione dovrebbe migliorare da CDRE a IDSRe a IDS2Re, come mostriamo nel nostro esperimento con entrambi i protocolli 'stuck-in-set' e 'bidimensionali. Questi results rafforzare ulteriormente le prove della formazione di un insieme attenzionale attraverso il compito.

In tutto il compito, i topi dovrebbero migliorare la loro velocità per rispondere in fasi successive. Di conseguenza, l'analisi della latenza di rispondere mostrato un effetto significativo discriminazione (F _(8,200) = 42.59; p <0,0001). In particolare, come dimostrato da risultati rappresentativi nella Figura 4C la latenza per colpire nella fase IDS2 è diminuita rispetto a quella nelle fasi IDS, CD e SD (p <0,0005). Inoltre, la latenza di rispondere aumentata durante la fase di EDS rispetto al precedente IDS2 e IDS2Re e fasi successive EDSRe (p <0.05). In linea con questi risultati, l'analisi della latenza di rispondere durante il compito 'bidimensionale' anche mostrato un significativo effetto di discriminazione (F _(7,63) = 9.98; p <0,0005). Come mostrato nella figura 5C, la latenza di fare una scelta wcome un aumento durante la EDS rispetto al precedente e IDS2Re IDS2 e EDSRe successiva (p <0,05). Poiché la latenza di rispondere è stato considerato un indice di trasformazione decisionale ^18, questi risultati suggeriscono inoltre che i topi incontrato alcuni problemi elaborazione della nuova regola discriminante durante la EDS. Sulla base del rendimento del comportamento di topi wild-type (Figura 4-5), abbiamo stabilito che il numero minimo di dimensione del campione (da analisi di potenza R) per ogni gruppo deve essere di 8.

Figura 3. Semplici discriminazioni di luce, odore e consistenza sono equivalenti. (A) Numero di prove e (B) il tempo necessario per raggiungere il criterio discriminazioni semplici con solo la luce, odore o struttura stimoli. I valori rappresentano media ± SEM tutta figure 2-4. Ori dei datiginally pubblicato 'Il massimo intra ed Extradimensional attenzionale Set-Shifting attività per topi' ^19.

Figura 4. Wild-tipo C57BL6J prestazioni topi maschi nel tempo 'stuck-in-set' ID / ED Operon compito. (A) Trials, (B) (in minuti) e giorni necessari per raggiungere il criterio nelle diverse fasi di l'ID / compito ED Operon utilizzando un paradigma ID / ED 'stuck-in-set'. (C) Tempo (in secondi) trascorso tra l'apertura della porta divisore e una risposta naso Poke (latenza rispondere) durante le diverse fasi del compito. Un totale di 26 topi sono stati testati; Sono stati esclusi 4 topi perché non erano colpendo in modo affidabile per recuperare il rinforzo cibo durante la formazione o non sono stati in grado di terminare la postaProcedura ntire. A: * p <0.05 rispetto al CD, IDS, IDS2, IDS2Re e EDSRe; B: * p <0.05 rispetto al CD, IDS2, IDS2Re e EDSRe. A e B: #p <0.05, ## p <0,005 vs CD, IDSRe e IDS2Re. C: * p <0.05 vs IDS2, IDS2Re e EDSRe. Si noti che i topi sono stati in grado di completare l'intera attività in 5-9 giorni in tutti gli esperimenti riportati nelle Figure 3-4. I dati originariamente pubblicato in 'Il massimo intra ed Extradimensional attenzionale Set-Shifting attività per topi' ^19. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 5. Wild-tipo C57BL6J prestazioni topi maschi nel 'bidimensionale' ID / EDCompito Operon. (A) prove, (B) Tempo (in minuti) e giorni necessari per raggiungere il criterio nelle diverse fasi del compito / DE Operon ID utilizzando un paradigma a due dimensioni. (C) Tempo (in secondi) trascorso tra l'apertura della porta divisore e una risposta naso Poke (latenza rispondere) durante le diverse fasi del compito. Un totale di 13 topi sono stati testati; Sono stati esclusi 3 topi perché non erano colpendo in modo affidabile per recuperare il rinforzo cibo durante la formazione o non sono stati in grado di terminare l'intera procedura. A e B: #p <0.05 rispetto al CD e IDS2Re, * p <0.05 vs CD, IDS, IDS2, EDSRe. C: * p <0.05 vs IDS2, IDS2Re e EDSRe. I dati originariamente pubblicato in 'Il massimo intra ed Extradimensional attenzionale Set-Shifting attività per topi' ^19. Clicca qui pervisualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 6. Timeline di tutta la procedura del protocollo per testare ID compito / ED.

Palcoscenico	Descrizione	Note aggiuntive	Riferimenti
Semplice discriminazione (SD)
Compound Discriminazione (CD)	Gli stimoli variano in due dimensioni percettive, come il colore e la forma per stimoli visivi nel compito umano, o tra consistenza e odore stimoli per i roditori
Inversione di apprendimento (CDRE - IDSRe - IDS2Re - EDSRe)	Due esemplares all'interno di una dimensione percettiva hanno le contingenze di rinforzo invertiti in modo che ciò che prima era corretta è quindi errato e viceversa)	Nell'apprendimento inversione di serie, le prestazioni migliorano con consecutivi all'interno inversioni-set. Così, le fasi di inversione (es., CDRE, IDSRe, IDS2Re) non solo la funzione di diverse aree corticali valutare, ma servono anche 1) per formare il gruppo attenzionale cognitivo contestato dalla fase EDS, e 2) per evitare condizionata superstiziosa per non intenzionale aspetti dello stimolo	- Lesioni della corteccia orbitofrontale nel topo (Bissonette et al., 2008) e monkyes compromessa apprendimento Reversal (Dias et al., 1996) - FMRI durante l'esecuzione sull'apprendimento Storno ha mostrato l'attivazione della corteccia orbitofrontale (Hampshire e Owen, 2006)
Spostamento Intradimensional (IDS - IDS2)	Esemplari Novel vengono introdotti, ma la stessa dimensione è rinforzata	IDS fasi sErve come un controllo interno cruciale (es., EDS dovrebbe essere più difficile di quanto IDS), e anche contribuire a formare il set cognitivo-attentivo	La dopamina esaurimento nel PFC compromessa formazione insieme attenzionale (Robbins e Roberts, 2007). 6-OHDA scimmie lesionati non hanno mostrato la riduzione classica la riduzione degli errori dal primo (IDS1) all'ultimo (IDS5) discriminazione, che deve riflettere l'acquisizione di un insieme attentional
Spostamento extradimensionale (EDS)	'stuck-set in' protocollo: precedentemente dimensione stimolo irrilevante viene sostituito da una nuova dimensione stimolo che diventa subito rilevanti	fallimento a spostarsi verso la nuova dimensione in questione non può essere attribuito a qualsiasi dell'apprendimento precedente su questa dimensione, dato che non era stato precedentemente sperimentato. Fallimento, quindi, riflette perseveration alla dimensione precedentemente rilevante	- Lesioni del HAV mPFCe stato spettacolo compromettere EDS nel topo (Bissonette et al., 2008), e mokeys (Dias et al., 1996) - I pazienti lobo frontale sono alterate nel 'perseveranza' stato bloccato-in-set, ma non è nella condizione di 'due dimensioni' (. Owen et al, 1993) - La dopamina nel mPFC modulato prestazioni EDS nel topo (Papaleo et al, 2008;.. Scheggia et al, 2014) e ratti (Tunbridge et al., 2004)
	protocollo 'due dimensioni ": la dimensione precedentemente irrilevante è rinforzata	un apparente fallimento di spostare insieme attentivo può verificarsi quando un soggetto è in grado di spostare l'attenzione da una dimensione rilevante in precedenza (quando diventa irrilevante) ma è, comunque, in grado di riportare l'attenzione sulla dimensione nuova rilevante	- Lesione del mPFC nei ratti (Birrell e Brown, 2000) compromessa EDS turno Attivazione fMRI durante l'esecuzione sul EDS ha dimostrato di ventro-laterale PFC (Hampshire e Owen, 2006) -60;

Tabella 2: Stadi del ID / ED O una persona compito Descrizione delle fasi del compito, tra riferimenti a lesioni e studi farmacologici affrontare il ruolo delle aree cerebrali coinvolte nei diversi costrutti testati durante il compito..

Discussione

In questo studio presentiamo un romanzo automatizzato bicamerale ID ED compito / "Operon" per topi che è in grado di misurare in modo affidabile la flessibilità cognitiva attraverso l'apprendimento di inversione, formazione insieme attentivo e spostamento. Questo paradigma è analogo al WCST e ID compiti / ED comunemente utilizzati nei primati umani e non umani e supera i principali limiti delle versioni precedenti per i roditori. Questo paradigma Operon può essere utilizzato come un nuovo strumento efficace per la grande droga e / o screening genetici relativi alla cognitive (dis) funzioni in topi con alta rilevanza per la medicina traslazionale.

Questo compito automatizzato ha i seguenti vantaggi rispetto ID utilizzato precedentemente compito / ED per i roditori: (1) ha procedure di alta intensità di lavoro in meno rispetto alla versione manuale (ad esempio, il software regola tutte le fasi del compito, notevolmente diminuendo interventi da parte. sperimentatore); (2) elimina qualsiasi fonte di soggettività nella para misuratoTERS (ad esempio, lo sperimentatore non è richiesto di stabilire se l'animale è effettivamente fatto una risposta scelta); (3) elimina ogni possibilità che i topi possano seguire spunti rinforzo correlati, al fine di dare una risposta (ad esempio, la ricompensa è sempre fornito automaticamente sulla rivista al centro); (4) evita le condizioni ambientali arbitrarie (per esempio, l'uso di labirinti e apparecchi di diverse dimensioni / materiali, l'uso di stimoli cue preparati manualmente); (5) consente la manipolazione di tre dimensioni distinte con una vasta gamma di diversi stimoli, conformemente ai compiti umani equivalenti utilizzati nella pratica clinica. Qui vi presentiamo i dati solo dai topi, ma i vantaggi simili potrebbe essere previsto anche per i ratti.

Ci sono passaggi critici nel compito, che sono i parametri costrutto-validità interna che possono essere utilizzati al fine di individuare le prestazioni set-shifting attentivo areliable: i) la peggiore performance nel compar EDSed a fasi precedenti ii) un miglioramento generale da IDS per IDS2; iii) un miglioramento specifico in fasi di inversione consecutive, come più di un animale è addestrato in-impostate inversioni, il meglio deve eseguire sul successivo, nel set rigiri ^20; iv) una migliore prestazione nel EDSRe rispetto alla EDS. Questo romanzo compito operon ID / ED presenta tutte queste caratteristiche, in linea con gli studi precedenti nei primati che utilizzano il compito Cantab ID / DE e nei roditori che utilizzano il manuale "scavare" versione ^12,13. Inoltre, ogni fase di questa operazione automatica è appreso in un numero equivalente di prove a prescindere dalla relativa dimensione / irrilevanti utilizzato (ad esempio, l'odore, la consistenza e la luce) ^19. Questo dimostrato che tutti gli stimoli utilizzati hanno rilevanza simile e sono adatti per attentional set-formazione e / o di spostamento. I nostri esperimenti dimostrano che la difficoltà nel risolvere il EDS è anche evidenziata dall'aumento delle latenze di risposta. Tempo di elaborazioneaumenti per mantenere una precisione ottimale durante le discriminazioni più duri ^21. Così, considerando la latenza di rispondere come un indice di velocità di elaborazione delle informazioni, il processo decisionale e di problem solving ^18, le latenze più lenta nella EDS potrebbe riflettere una strategia adottata per affrontare la difficoltà di risolvere il set-shifting.

Abbiamo dimostrato che il nostro apparato romanzo può essere usato efficacemente con più di paradigma set-shifting attentivo 'classica' impiegando solo due dimensioni per tutto il test (cioè, il bidimensionale) o con un stuck-in-set paradigma, che implica l'uso di tre dimensioni. A seconda del dominio cognitivo di interesse, è possibile scegliere il protocollo più appropriato. Entrambi questi paradigmi sono stati precedentemente utilizzati in esseri umani, primati e roditori ^7,12-17. Tuttavia, la procedura stuck-in-set è in grado di distinguere tra le diverse componenti del set-shifting ed è amORE misura selettiva di funzionamento del lobo frontale in pazienti umani ^7,22. Inoltre, un problema che potrebbe verificarsi nel paradigma due dimensione è l'irrilevanza appreso che potrebbero falsare i risultati. Imparato perseverazione irrilevanza si riferisce alla incapacità di occuparsi e conoscere le informazioni che in precedenza era irrilevante ^7. Questa situazione può verificarsi in fase EDS del paradigma bidimensionale, come il soggetto deve spostare l'attenzione alla dimensione precedenza irrilevante. In questo caso, è praticamente impossibile discernere se un deficit EDS è dovuta alla incapacità di spostare l'attenzione da una dimensione precedentemente rilevante e / o l'impossibilità ad ora spostare l'attenzione ad una dimensione precedentemente irrilevante. Compromissione può poi basta riflettere l'inibizione attiva di rispondere ad una dimensione fatta in precedenza irrilevante dalla sua associazione casuale di rinforzo feedback. Al contrario, nella con stuck-in-setcondizione, mancata a spostarsi verso la nuova dimensione in questione non può essere attribuito a qualsiasi dell'apprendimento precedente su questa dimensione, dato che non era stato sperimentato in precedenza. Fallimento, quindi, riflette perseveration alla dimensione precedenza rilevante. In conclusione, anche se in condizioni normali topi wild-type il 'stuck-in-set' e la 'bidimensionale' attentivo set-shifting paradigmi potrebbe produrre risultati simili, abbiamo espressamente preferiscono la stuck-in-set perseverazione per le ragioni discusse al di sopra.

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
Plexiglas walls and aluminum floor	Custom made		(16 x 16 x 16 cm for each chamber)
Plexiglas door	Custom made
PC	Dell Inc.
MED-PC IV software	(Med Associates, St. Albans, VT, USA)	custom made	Use an operant code in order to automatically control the presentation of the stimuli and the sequence of the stages
Nose-poke hole	Med Associates, St. Albans, VT, USA)	ENV-314M
Food magazine	Med Associates, St. Albans, VT, USA)	ENV-303M
Pellet dispenser for food reinforcement	Med Associates, St. Albans, VT, USA)	ENV-203-14P
Houselight	Med Associates, St. Albans, VT, USA)	ENV-315M
Dilution olfactometer	(Med Associates, St. Albans, VT, USA)	PHM-275
Liquid odorants	(Sigma Aldrich, Dorset, UK)		(see Table 1)
Mineral oil	(Sigma Aldrich, Dorset, UK)	M5904
Air pump and vacuum	(Med Associates, St. Albans, VT, USA)	PHM-280	Vacuum is recommended for scents removal at the end of each trial
Light-emitting diodes (LED)			High-intensity, transparent gem, 3 mm
Floor textures			3x3 cm
Reinforcement pellets	TestDiet	5TUL 14mg	For mice