A tarefa Dig: Um Discriminação Scent simples revela déficits da lesão cerebral frontal

Resumo

Neste protocolo, uma nova aplicação de discriminação perfume é descrito. A tarefa Dig é uma tarefa razoavelmente barata que pode ser usado para avaliar a cognição frontalmente mediada após danos cerebrais.

Resumo

Comprometimento cognitivo é a causa mais freqüente de deficiência em humanos após a lesão cerebral, mas as tarefas comportamentais utilizados para avaliar a cognição em modelos de roedores de lesão cerebral é inexistente. Empréstimos da literatura operante nosso laboratório utilizou um paradigma discriminação básica cheiro ^1-4 , a fim de avaliar os déficits em ratos frontalmente lesado. Anteriormente descrevemos rapidamente a tarefa Dig e demonstrou que ratos com lesão cerebral frontal apresentar déficits graves em toda a vários testes na tarefa ^5. Aqui apresentamos um protocolo mais detalhado para esta tarefa. Os ratos são colocados numa câmara e permitiu a discriminação entre duas areias perfumadas, um dos quais contém um reforçador. O julgamento termina após o rato ou discrimina corretamente (definido como cavar na areia correta perfumado), incorretamente discrimina, ou decorrido 30 seg. Os ratos que discriminam corretamente são permitidos para se recuperar e consumir o reforço. Os ratos que discriminate incorrectamente são imediatamente removidos da câmara. Isso pode continuar através de uma variedade de reversões e aromas da novela. A análise primária é a precisão para cada par cheiro (proporção acumulada correto para cada perfume). Os resultados gerais da tarefa Dig sugerem que é uma preparação experimental simples que pode avaliar défices em ratos com lesão frontal bilateral cortical em comparação com os ratos com lesão unilateral parietal. A tarefa Dig também podem ser facilmente incorporados em uma bateria de teste existente cognitiva. O uso de mais tarefas como esta pode levar a um teste mais preciso da lesão frontal seguinte função, o que pode levar a opções terapêuticas para tratamento. Todo uso de animais foi conduzido de acordo com os protocolos aprovados pelo Animal Care Institucional e Comitê de uso.

Introdução

Danos cerebrais resultantes do trauma cranioencefálico (TCE) e acidente vascular cerebral é uma das principais causas de morte e incapacidade nos Estados Unidos. Juntas, essas desordens resultam em um total de quase 2,5 milhões de incidências, com cerca de 500.000, resultando em morte ou prejuízo ^6-7. Apesar deste forte impacto na sociedade, poucos tratamentos foram desenvolvidos para tratar tanto o TCE ou AVC. Em certa medida, a falta de opções de tratamento disponíveis pode ser atribuída a avaliação comportamental inadequados de novas drogas e terapias ^8. Em particular, há uma falta de tarefas a precisão e sensibilidade avaliar os efeitos dos tratamentos sobre os deficits cognitivos diferentes após lesão cerebral na literatura pré-clínica. Actualmente a maioria das avaliações cognitivas que são executadas avaliar memória espacial utilizando uma tarefa do labirinto de água, tais como o labirinto Morris ^9. Existem várias razões para esta falta de testes incluindo o tempo que demora atotalmente caracterizar e avaliar os déficits cognitivos, a dependência pesada em cima de equipamentos caros e conhecimento para utilizar tarefas operantes, ea velocidade com que essas avaliações podem ser realizadas. Para este fim, nós adaptamos uma tarefa de discriminação de base perfume, a tarefa de escavação, para avaliar a cognição lesão cerebral a seguir. A tarefa Dig é projetado para ser uma ferramenta barata e rápida, e eficaz para avaliar disfunção cognitiva lesão cerebral seguinte de um TCE ou AVC.

A tarefa Dig depende dos princípios básicos operantes de aprendizagem e de tomada de decisão. Como se trata apenas de um paradigma decisão dois escolha, esta tarefa representa uma das mais simples discriminações que podem ser feitas. No protocolo a seguir os detalhes para a configuração da tarefa, bem como a metodologia de formação será descrito. Descobrimos que esta tarefa é mais forte quando se avalia frontalmente mediadas défices cognitivos em comparação com déficits parietais unilaterais, no entanto, ainda não foi testado com um modelo dedano do hipocampo ^5. Idealmente, esta tarefa seria adequado para a avaliação da eficácia de um tratamento ou a terapia de recuperação dos défices frontais após uma lesão. No entanto, é possível que, com modificações esta tarefa também pode ser usada para explorar mais complexo comportamento de tomada de decisão, tais como impulsividade e correspondência generalizada.

Protocolo

1. Materiais necessários para Treinamento e Teste

1. Testando câmara. Qualquer recipiente grande o suficiente para acomodar um animal e dois copos de perfume. Nosso laboratório utilizado modificados câmaras operante (Med Associates Inc.) com barras de chão removidas para dar espaço para copos perfume (Figura 1).
2. Copos de perfume e porta-copos. Chávenas suficientemente larga e profunda para permitir a escavação e algum mecanismo detentor / estabilizá-los (Figura 2).
3. Areias perfumadas. O protocolo de testes utilizado aromas previamente estabelecidas para não mostrar viés de resposta em ratos (cacau, manjericão, cominho, café) ^4. Cada areia perfumada foi misturada à razão de 1 g de odorante 110 g unscented limpo recreio, areia "caixa de areia" e podem ser armazenados em recipientes hermeticamente fechados durante até 6 meses.
4. Reforçador. Utilizamos peças de fruta cereais laço como reforço. Recomendamos exposição dos animais ao reforçador (via colocação em suas gaiolas) 3 a 5 dias antes do traIning para superar as respostas neophobic.
5. Pare de relógio ou cronômetro.

2. Manuseio de animais antes do treino

1. Manipulação. Como os animais serão colocados e removidos das câmaras repetidamente durante todo o treinamento / testes, recomenda cuidar dos animais três a cinco dias antes do treinamento, a fim de familiarizá-los com o contato humano.
2. Motivador. Para motivar animais para realizar esta tarefa, algum nível de privação de alimento é necessário. Restrição alimentar deve ser iniciada pelo menos três dias antes da formação e ambos os testes e os animais podem ser mantidos a 90% da alimentação livre de peso. Normalmente quantidades de 15-20 g de ração por dia são suficientes, mas pesos dos animais deve ser verificado a cada dois dias enquanto a comida restrição.

3. Dig Formação

Treinar um animal para escavar a areia pode ser realizado de uma média de oito sessões ao longo de um período de quatro dias de tempo. Durante escavação traIning, a câmara deve ser criado colocando dois copos de perfume no mecanismo / suporte e colocar a configuração copo perfume para a câmara. O procedimento geral é detalhado a seguir, com o objectivo de moldar o animal de consumir completamente o reforçador de escavação em areia para a recuperar.

1. Sessão 1 - habituação câmara e treinamento revista. Preencher completamente as xícaras perfume com o reforço (sem areia). Colocar o animal dentro do aparelho durante 30 minutos permitindo que o animal se livremente consumir o reforçador.
2. Sessão 2 - habituação areia. Preencher completamente as xícaras perfume com o reforço e despeje uma pequena quantidade de areia sem perfume em cada copo, enchendo não mais do que a metade do copo. Colocar o animal dentro do aparelho durante 30 minutos permitindo que o animal se livremente consumir o reforçador.
3. Sessão 3 - escavação superfície. Encha os copos com uma mistura de perfume mesmo de reforçador e areia sem perfume, deixando vários reforços expostos. Colocar o animal no aparelho para30 min permitir que o animal consumir livremente o reforçador. No processo de consumir os reforçadores expostos, o animal deve descobrir reforçadores adicionais abaixo da superfície da areia. O animal deve passar de usar a sua boca para usar as patas dianteiras para remover cada reforçador da areia.
4. Sessão 4 - cavar. Encher os copos de perfume com uma mistura de 1 parte reforçador para 3 partes de areia sem perfume, deixando 1-2 reforçadores exposta. Colocar o animal no interior da câmara durante 30 min permitindo que o animal se livremente consumir o reforçador. O animal deve começar a cavar com suas patas dianteiras para descobrir reforços adicionais e removê-los da areia. Animais que não começam a descobrir o reforço depois de um período de 10 minutos de tempo deve ser assistida (o pesquisador deve descobrir um reforçador em um tempo até que o animal aprende).
5. Sessão 5 - escavação integral. Encher os copos de perfume com uma mistura de 1 parte reforçador para 3 partes de areia sem perfume, sem deixar expostas reforçadores. Place o animal dentro do aparelho durante 30 minutos permitindo que o animal se livremente consumir o reforçador. Os animais devem ser assistida quando necessário. Alguns animais podem precisar de várias instâncias desta sessão, a fim de demonstrar a cavar comportamento.
6. Sessão 6 - habituação estrutura julgamento. Coloque três reforços em profundidade, posições médias, e raso na areia em cada copo perfume. Colocar o animal no interior da câmara até que todos os três são recuperados a partir de cada copo, auxiliando, conforme necessário. Uma vez que todos foram recuperados, colocar o animal num aparelho de fixação durante 15-30 segundos e repor os copos de perfume, tal como descrito neste passo. Em seguida, colocar o animal de volta para dentro da câmara e repetir o processo até que o animal tenha completado quatro ensaios totais. O animal deve habituado a ser colocada no aparelho de fixação e começa a procurar imediatamente quando colocado no interior da câmara. O animal deve também demonstram um comportamento de escavação completa e recuperar o reforçador, na parte inferior do copo perfume.
7. Sessão 7 - reforçadores individuais. Coloque um reforçador único a metade da profundidade da areia em cada copo. Colocar o animal no interior da câmara e permitir que ele para recuperar ambos os reforçadores, e, em seguida, colocá-lo dentro do aparelho de fixação durante 30 seg. Repita esse processo para quatro ensaios totais. O animal deve começar a cavar mais rápido e requer o mínimo de ajuda do pesquisador.
8. Sessão 8 - testes de discriminação mock. Encher copos, tal como descrito na sessão 7. Dar ao animal 30 segundos para recuperar os dois reforços. Colocar o animal no aparelho de fixação, quando ambos foram recuperados ou 30 seg tenha decorrido. Repetir este para o número de ensaios que irão ser utilizados na fase de teste. Os animais devem aprender a cavar rapidamente quando colocado de volta para a câmara.
9. Sessões adicionais. Dependendo testes de discriminação inicial, o experimentador pode desejar executar sessões adicionais para familiarizar o animal com os aromas dadas. Ratos tendem a apresentar inicialmente neofobia e preferem oaromas familiares anteriormente associado com reforço de ^10.

4. Teste de discriminação

1. O pesquisador deve escolher um emparelhamento cheiro, incluindo perfume que será iscadas com o reforçador (discriminação correta) e que não vai. Decisões adicionais, tais como o número de discriminações e reversões, o número máximo de dias e provações, e se a pré-teste antes da lesão vai ser em grande parte com base em questão experimental (ver notas adicionais abaixo).
2. Ratos podem ser testados e dados gravados à mão pelo pesquisador. O pesquisador deve registrar para cada ensaio: a escolha correta ou incorreta, a latência para iniciar a escavação, e ensaios em que um rato vezes para fora.
   1. O número de ensaios devem ser administrados a critério do pesquisador (ver notas adicionais abaixo).
   2. A duração do ensaio deve ser a critério do pesquisador (ver notas adicionais abaixo).
   3. A pesquiCher deve embaralhar a estrutura julgamento (esquerda-direita localização dos copos perfume), com a ressalva de que não mais de três ensaios consecutivos está em um determinado lado. Isso vai ajudar a reduzir o viés lado.
3. A fim de iniciar cada ensaio, colocar o animal no interior da câmara de frente para a traseira, equidistante de cada copo. Colocar um animal mais perto de um copo pode aumentar a chance de desenvolver um viés.
4. Se o animal corretamente discrimina, permitir que ele para recuperar e consumir o reforçador, e depois removê-lo para o aparelho segurando por 30 segundos. Se ele expira ou escolhe incorretamente, remova-a imediatamente, antes que ele "corrige" em si, e colocá-lo dentro do aparelho segurando por 30 segundos.
5. Repita esse processo para o número escolhido de ensaios.
6. Uma vez que o animal atinge um critério pré-determinado (isto é, exactidão> 80% por dia durante três dias consecutivos), o animal pode passar para o lado de discriminação / reversão e repetir o processo acima.

5. Notas adicionais

1. Testar no nosso laboratório encontrou que o trabalho de formação e de ensaio utilizando melhor a metade de um pedaço de cereais circuito para evitar a saciedade.
2. Durante o treinamento, alguns animais podem precisar de mais ajuda do que outros. Recomendamos fazer o que é necessário para alcançar a cavar comportamento. No entanto, uma vez que o teste começa, nunca tentamos intervir e melhorar o comportamento de escavação de um rato.
3. Variando o número total de ensaios pode ser suficiente para laboratórios diferentes. Testes em nosso laboratório utilizado 6, 8 e 12 julgamentos por sessão, uma sessão por dia, e ter encontrado uma preferência para a configuração do julgamento 8.
4. Variando o comprimento do ensaio pode ser necessário em algumas configurações experimentais (por exemplo, os animais sob um paradigma de estresse podem necessitar de ensaios vezes maiores ou menos ensaios totais).
5. Um critério predefinido deve ser usado de modo a determinar quando um animal dominou a discriminação. Testes em nosso laboratório foi necessária uma Accuracy superior a 80% (5/6 ensaios, 7/8, ou ensaios 10/12 ensaios) por dia, durante 3 dias consecutivos. No entanto, uma maior critério (85%) poderia também ser usado.
6. / Limites predefinidos máximos devem ser utilizados para o número máximo de dias passados ​​sobre um aroma fornecido. Isso vai ser em grande parte ditada por questão de investigação. Por exemplo, os nossos estudos de laboratório TCE e, como de resultado da natureza progressiva do TCE, ratos que não atingiram critério são movidos a uma discriminação romance / reversão após 12 dias de testes.
7. Decidir se a pré-testa ou apenas pós-teste é uma questão que está em grande parte determinada pela direção experimental. O pré-teste permite efectuar uma avaliação da memória sobre a lesão pós animal, que possam ser relevantes dependendo do tipo de lesão. Entretanto, o teste pós permite examinar as diferenças na taxa de aquisição sobre as discriminações entre os grupos. Nosso laboratório tem e continuará a usar os dois.

Resultados

Existem duas principais variáveis ​​que podem ser gravadas na tarefa Dig: Correto / Incorreto e latência. No entanto, não respostas também podem ser registrados e analisados ​​como elas podem ser importantes quando se considera a motivação. Estes podem ser usados ​​para gerar medidas de análise, tais como a precisão (ensaios # correctos / total), desvio de resposta ^11, e de latência. Estas medidas podem ser utilizadas para avaliar vários tipos diferentes de aprendizagem, dependendo da concepção da experiência (ver notas adicionais acima). O pré-teste dos animais permite que um pesquisador para avaliar a memória para uma discriminação aprendido. Reversões de discriminações aprendidas permitir que um investigador para ver o quão bem um animal pode adaptar-se a uma contingência de mudança. Aprendizagem de novas discriminações permite aos pesquisadores comparar o aprendizado ao longo pares aroma diferentes, bem como avaliar a capacidade para a aprendizagem romance.

Dependendo do desenho do estudo (ver notas adicionais acima), estas medidas podem seranalisados ​​em um delineamento de medidas repetidas ou podem ser recolhidas em uma única variável. Anteriormente, desabou precisão em uma medida de proporção acumulada correta, a fim de analisar cada discriminação perfume separadamente ^5. Isto ocorreu através da soma do número de discriminações corretos e dividindo-se pelo número total de ensaios para cada discriminação. Uma série de one-way entre sujeitos a análise de variância (ANOVAs) foram então usados ​​para examinar as diferenças de grupo para cada odor discriminação pós-lesão. No entanto, mais energia pode ser obtida por análise através da utilização de técnicas estatísticas avançadas, tais como a modelização de efeitos mistos. Uma outra alternativa é utilizar o sinal de detecção de teoria para a análise de dados. Esta é uma abordagem popular na literatura de tomada de decisão humana e permite ao pesquisador examinar a maioria dos dados a partir de um determinado assunto em um único gráfico e rapidamente avaliar o grau de precisão, preconceito, e os déficits ^12. Escolha da abordagem analítica será largely impulsionado por questão experimental, quer um quer a comparação entre os tipos de aprendizagem, avaliar um único tipo de aprendizagem, ou aplicar uma abordagem de tomada de decisão para os dados.

Após lesão cerebral frontal bilateral, nosso laboratório descobriu que ratos sofrem grandes déficits em praticamente todos os tipos de aprendizagem nesta tarefa. Animais frontalmente lesado apresentou um défice na memória para uma discriminação aprendido anteriormente, bem como dificuldade de aprendizagem a reversão de que o emparelhamento perfume (Figura 3). Animais frontais também tinha dificuldade para aprender novas discriminações (Figura 3). De acordo com a pesquisa anterior ^13, houve também um grande aumento na variabilidade entre os animais lesionados frontalmente (Figura 3).

Em contraste, as lesões parietais unilaterais em nosso laboratório demonstraram que não existem déficits em todas as discriminações nesta tarefa. Unilaterais ratos não apresentaram déficits em mimmory para uma discriminação previamente aprendido e também adquirida a discriminação inversão muito rapidamente (Figura 4). Aprenderam emparelhamentos novos perfume muito rapidamente assim (Figura 4). Além disso, a variabilidade no interior do grupo de forma unilateral-ferido foi muito baixa, com a maioria dos ratos com um desempenho perfeito na tarefa.

Figura 1. Testes em nosso laboratório foi realizado em um banco de padrão câmaras operante (Med Associates Inc.), que foram adaptadas para uso nesta tarefa, eliminando quatro consecutivos piso barras de abrir espaço para duas xícaras de cheiro.

Figura 2. Teste no nosso laboratório utilizado PVC extremidade de tubo tampas (6 cm de altura e 5,5 cm de diâmetro), como o aroma cups e um pedaço de acrílico (10 x 22 cm) com dois perfurados orifícios circulares (5,5 cm de diâmetro), como o suporte de copo cheiro.

3 Figura. Este gráfico mostra o desempenho típico de simulação (azul) vs frontalmente lesado (vermelho) ratos através de várias fases diferentes de teste em dois formatos diferentes. No painel A, os dados são representados como um gráfico de barras com pontos brancos que representam pontos de dados para os ratos individuais em cada grupo. No painel B, os mesmos dados são representados graficamente num gráfico linear. Não houve diferença na aquisição discriminação pré-lesão. No entanto, após uma lesão e sobre a mesma discriminação, ratos sham realizar em 93% por cento acumulada correta enquanto ratos lesionados realizar a 65% por cento acumulada correta. Quando uma inversão da discriminação foi administrado, injratos figurada cair para abaixo do desempenho chance. Da mesma forma, em uma discriminação cheiro romance ratos frontalmente lesado teve dificuldade em aprender o emparelhamento novela e ficou abaixo do desempenho chance. Clique aqui para ver maior figura .

Figura 4. Este gráfico mostra o desempenho típico de simulação (azul) versus unilaterais parietalmente-ratos lesionados (verde) em diversas fases de testes em dois formatos diferentes. No painel A, os dados são representados como um gráfico de barras com pontos brancos que representam pontos de dados para os ratos individuais em cada grupo. No painel B, os mesmos dados são representados graficamente num gráfico linear. Não há nenhuma diferença entre os grupos em qualquer um dos discriminações. Unilateralmente emjured realizado em ratos, ou, em alguns casos, ligeiramente mais elevado do que os níveis sham após lesão. para ver figura maior .

Discussão

Neste vídeo, mostramos como a tarefa Dig podem ser realizados utilizando relativamente materiais de baixo custo e, com alguma experiência, o teste pode ser realizado de forma bastante rápida (~ 10 min / animal). Isto permite que a tarefa a ser facilmente incorporado em baterias de testes existentes para TCE, lesões cerebrais, AVC e outros. A tarefa Dig também é robusto no que se pode avaliar a vários aspectos diferentes de cognição, incluindo avaliação de aprendizagem anterior, inversões e aquisições novas (por exemplo, conjunto de deslocamento). Mais importante ainda, a tarefa Dig foi demonstrado ser eficaz na avaliação da função frontal após danos cerebrais. Além disso, um paradigma escavação semelhante tem sido utilizada para estudar a transferência de valor, em ratos, após dano do hipocampo ^4, e, portanto, pode ser facilmente estudado após TBI.

Os principais benefícios de tarefas como este são a capacidade de avaliar outras formas de cognição do que o que normalmente é testado em mais garanhão lesão cerebrals. Neste momento existe uma falta de tarefas simples e rapidamente adquiridas para avaliar a cognição frontalmente mediada após dano cerebral. No campo da TBI experimental, há uma forte dependência labirintos como a avaliação da cognição sola ^9. Discriminação e comportamento de escolha são aspectos importantes do frontalmente mediada cognição, que devem ser avaliados danos no cérebro a seguir. Estes têm sido estudados sob muitos paradigmas diferentes (atrasado correspondência da amostra de reforço diferencial, de baixa taxa de resposta, baseada em esforço tomada de decisão, etc) no campo da análise experimental do comportamento, mas não existem estudos de lesão cerebral ^14-16. O desenvolvimento de novas terapêuticas para o tratamento de danos cerebrais requer validação em várias modalidades de motora, sensorial, e a função cognitiva. Tarefas como isso poderia se tornar vital para avaliar completamente a função cognitiva em tratamento terapêutico.

Enquanto a tarefa de re Digapresenta um passo na direção certa para avaliar a função cerebral após a lesão, ainda existem limitações a ela. A intenção é ser simples de construir, administrar e analisar, mas isso significa que há limites superiores para o que se pode medir. Atualmente, duas opções são tudo o que pode ser avaliado sob o paradigma dado. Além disso, a tarefa de escavação não é sensível o suficiente para lidar com outros aspectos de disfunção frontal, como impulsividade, que podem interferir com a capacidade de um animal de tomada de decisão.

Enquanto a tarefa Dig Foi demonstrado ser bem sucedida por nós na avaliação da lesão cerebral em animais jovens, ainda existem muitas coisas que podem ser feitas com a tarefa de aperfeiçoar e melhorar. Estes incluem a avaliação de populações especiais (idade, sexo, tensão), comparando-o diretamente com os paradigmas operantes é adaptado a partir, realizando uma comparação direta desta tarefa com outras tarefas que avaliam disfunção frontal após lesão, e explorar additional maneiras de analisar e comparar os dados gerados a partir da tarefa. Esta tarefa é projetado para lidar com algumas das questões em nosso campo, testando função frontal de várias maneiras da lesão cerebral. No entanto, uma tarefa não pode medir todos os processos cognitivos que são afetadas por uma lesão cerebral. Assim, defendemos que as pessoas continuam a desenvolver e aperfeiçoar tarefas como o descrito neste protocolo para avaliar mais completamente deficiências funcionais após lesões cerebrais. Ao fazê-lo, pode-se aumentar a eficácia do desenvolvimento de medicamentos e terapia para a lesão cerebral, avaliando através de múltiplas medidas.

Materiais

Nome de material	Companhia	Número de Catálogo	Comentários
			EQUIPAMENTOS
Câmara operante	Med Associates	ENV-008CT	Quantidade: 1 câmara padrão operante, há dispositivos externos.
Plexiglas	Loja local	N / A	Quantidade: 1 folha Corte em tamanho adequado para caber na câmara.
End Caps de PVC para tubos	Loja local	N / A	Valor: 2 instalação de copo / cheiro.
			REAGENTES
Areia	Loja local
Diversas especiarias	Mercearia local
Reforçador	Mercearia local
			* Equipamento está listado para a construção por câmara.