Оперантного процедуры оценки поведенческой гибкости у крыс

Резюме

The ability to assess executive functions such as behavioral flexibility in rats is useful for investigating the neurobiology of cognition in both intact animals and disease models. Here we describe automated tasks for assessing strategy shifting and reversal learning, which are particularly sensitive to disruptions in prefrontal cortical networks.

Аннотация

Исполнительные функции состоят из нескольких познавательных процессов высокого уровня, которые управляют поколение правило и поведенческие выбор. Возникающее свойство этих процессов является возможность регулировки поведение в ответ на изменения в окружающей его среде, (т.е., поведенческие гибкость). Эти процессы имеют важное значение для нормального человеческого поведения, и может быть нарушена в различных психоневрологических расстройств, включая шизофрению, алкоголизма, депрессии, инсульта и болезни Альцгеймера. Понимание нейробиологии исполнительных функций был значительно продвинулись от наличия задач животных для оценки отдельных компонентов поведения гибкости, в частности, стратегии переключения передач и реверсивного обучения. В то время как несколько типов задач, были разработаны, большинство из них не-автоматизирован, трудоемким и позволяет тестировать только один животного за один раз. Недавнее развитие автоматизированных оперантного основе задач для оценки поведения гибкость упрощает TESка, стандартизирует предъявления стимула и записи данных, а также значительно улучшает производительность. Здесь мы опишем автоматизированные стратегии переключение и восстановление задачи, используя рабочих камерах, контролируемых обычай письменных программ. С помощью этих задач, мы показали, что средней префронтальной коры головного мозга регулирует смещение стратегии, но не разворот обучения у крыс, аналогичной диссоциации наблюдается у людей. Кроме того, животные с неонатальной гиппокампа поражения, в отношении развития нервной модели шизофрении, избирательно нарушается на задаче стратегия переключения, но не задачи разворота. Стратегия перехода задача также позволяет идентифицировать отдельные типы ошибок производительности, каждый из которых относятся к разным нейронных субстратов. Наличие этих автоматизированных задач, и доказательств, подтверждающих диссоциирующие вклад отдельных районах префронтальной, делает их особенно хорошо подходит анализы для исследования основных нейробиологических процессов, а также докторОткрытие мкг и скрининга в моделях болезни.

Введение

Высокопоставленные когнитивные процессы, включая производство правило, поведенческой выбора и оценки стратегии совместно именуются как "исполнительные функции" или "поведенческой гибкости ^1." Такие процессы имеют решающее значение для нормального когнитивного функционирования, а может быть нарушена в таких разнообразных заболеваний, как шизофрения , алкоголизм, депрессии, инсульта, болезни Альцгеймера ^2-7. Регулирование процессов исполнительных функций, в первую очередь при посредничестве областях, в лобной коре, в том числе дорсолатеральной префронтальной коре и орбитофронтальную коры у человека ^8-10.

Разработка задач для оценки исполнительные функции и / или поведенческие гибкость в нечеловеческих животных, в частности грызунов, значительно продвинули в понимании нейробиологии познания ^11-14. Такие задачи стало возможным отдельно измерить различные компоненты поведения гибкости, в том числеСтратегия смены и реверсивное обучение. Стратегия смещение относится к способности активно подавляют ранее изученного стратегии реагирования при приобретении нового, соревнуясь стратегии, в частности, по измерениям стимула (внепространственной смену) - например, переход от выполнения дискриминации визуально-интерфейс (красный против зеленого, где красный "правильные" и тактильные раздражители не имеет значения) к выполнению тактильной дискриминации (гладкая против грубой, где гладкая является "правильным" и зрительные стимулы в настоящее время не имеет значения). С другой стороны, реверсивное обучение также включает в себя изменения в стратегии реагирования, но в пределах той же размерности стимул - например, в "красный против зеленого" Например, если красный был ранее правильно, разворот будет диктовать, что зеленый теперь правильно, в то время как тактильные раздражители останется не имеет значения.

Несколько задачи были разработаны, чтобы исследовать поведенческие гибкость в грызунов. Кросс-маZE задача требует животное сначала узнать либо направление на основе правила (например, "всегда повернуть направо") или визуально на основе правила (например, "всегда повернуться лицом к визуальным сигналом") к какому-либо критерию производительности. Затем животное необходимо неожиданно сдвиг либо по модальности в противоположную правило (стратегия сдвига, первоначально называемой "nonreversal сдвига" ¹⁵⁾ или сдвиг в модальности в противоположную непредвиденных (разворот обучения) ^13,14,16. Такие задачи чувствительны к перебоям в корковых и подкорковых сетей, включая префронтальной коры, таламуса и полосатого тела ^{1,13,14,16-18.} Другой тип для повышенного внимания множества смены задачи (иногда упоминается как задачи рытья) требует подготовки животных различать два контейнера, которые отличаются по двум или трем измерениям стимулирования (рытье СМИ, запах, и / или внешнего текстуры). Как и в поперечном лабиринтзадача, животные, то следует изменить либо по измерениям (стратегии переключение) или в той же размерности (реверсивное обучение), и эти задачи так же чувствительны к лобной коре манипуляций ^11,19. Преимущество этой задачи является то, что во время сдвига в экстра-мерном стратегии, крысы представлены новые наборы стимулов (экземпляров), что обеспечивает производительность нарушения на этом этапе, скорее всего, связано с перебоями в способности перенести к вниманию набор в различные аспекты составных стимулов, а не нарушенной способностью останавливать приближается определенный стимул ранее связанный с наградой. Тем не менее, эта функция также делает его более трудно установить специфику дефицита в течение установленного сдвига.

Хотя задачи, описанные выше, были также описаны в литературе, они оба имеют ряд процедурных недостатков, в первую очередь длина времени, которое требуется, чтобы проверить животных. В обоихЗадача кросс-лабиринт, и задача рытье, только одно животное может быть проверена в то время; Кроме того, тестирование должно быть введено в реальном времени с помощью специализированного экспериментатора, и может занять до нескольких часов в день на одно животное. Кроме того, презентация стимулов и запись поведенческих реакций в обоих типах задач вручную под контролем экспериментатора, и, таким образом, уязвимыми для человеческой ошибки и субъективной интерпретации.

Здесь мы опишем автоматизированный способ для оценки стратегии переключение и восстановление обучения у крыс, используя условные связи процедур, которые оптимизируют управление по стимулированию и представления данных, а также значительно улучшить скорость сбора данных и пропускной ^20,21. Методы, используемые для формирования и ж крыс описаны, а также компоненты самой задачи и анализа полученных данных. Мы обнаружили, что, как кросс-лабиринт и землеройные машины задач, эти автоматизированные задачи чувствительны к перебоям в префронтальнойи подкорковых схема, а также в отношении развития нервной системы манипуляции, что модели шизофрении ^20-23.

протокол

ПРИМЕЧАНИЕ: Все процедуры, описанные здесь, были одобрены уходу и использованию комитета Институциональная животных (IACUC) в Колледже Святой Марии штата Мэриленд, или Канадского совета по уходу за животными в университете Британской Колумбии мимо.

1. Животные

1. Используйте взрослый мужчина Sprague-Dawley или взрослого мужского Long-Evans крысы.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Несмотря на различия в производительности через эти двух штаммов не были протестированы формально, Лонг-Эванс крысы, как правило, приобретают визуальный дискриминацию кий (как описано ниже) немного быстрее, чем Спрэг-Доли крыс (Floresco, неопубликованные наблюдения).
2. По прибытии в колонию, дом взрослых крыс по отдельности или в группах, в зависимости от потребностей эксперимента и ограничений объекта. Используйте единый корпус для экспериментов, в которых животные могут обеспечить себя продовольствием ограничен, чтобы обеспечить лучший контроль потребления пищи. Разрешить животных, чтобы акклиматизироваться в колонию (без обработки или ограничений на продукты питания), по крайней мере, 3 дней послеприбытие.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Недавний отчет предположил, что экспериментатор пол может отрицательно повлиять на меры боли и тревоги поведения ^24, выводов, которые могут распространяться на другие стресс-чувствительных поведения, включая познания. Через наших исследований, мы не наблюдали каких-либо очевидных различий в производительности у крыс, обученных мужчин против женщин обработчиков, хотя мы официально не оценивали этот.
3. Обращайтесь животных ежедневно в течение примерно 3-5 минут каждый, по крайней мере, за 3 дня до начала тестирования поведения. В первый день обработки, получить массу свободного питания для каждой крысы. Целевой вес на ограничение пищи, если он используется, будет 85-90% этого свободного веса. Обратите внимание на целевой вес, например, в лаборатории ноутбуке или животного клетки карты. В некоторых случаях, ограничение пищи может не потребоваться, если подкрепление используется весьма приемлемым (например, подслащенное молоко), хотя животные могут стать сытым слишком быстро с использованием таких упрочнителей.
4. На EACч из разгрузочных дней, как обработка каждого животного уложите примерно 10-20 вознаграждения гранул внутри животного дома клетку, чтобы акклиматизироваться крыс (которые, как правило, neophobic) к арматуре, которая будет использоваться в задаче (см раздел 2.1.3 ниже).
5. За три дня обращения, постепенно сокращать ежедневное потребление пищи животных, чтобы принести их в целевые веса. Обязательно укажите на клетку карт или другой документации, что животные находятся теперь на ограниченной диеты.
   ПРИМЕЧАНИЕ: ограничение питания в отдельных требует одобрения институциональной IACUC или другого регулирующего органа до любых процедур может начаться. Общие ниже процедуры были утверждены соответствующими институциональными органами авторов; не забудьте проконсультироваться любые соответствующие местные и / или национальные руководящие принципы дополнительные требования на отдельных учреждений.
6. Взвешивание животных по крайней мере, два раза в неделю следить за здоровьем и убедитесь, что животные не падают существенно BELОй целевого веса. Убедитесь, что вода находится в свободном доступе во все времена.

2. Оборудование и программное обеспечение

1. Используйте оперантного камеры оснащены (как минимум) два выдвижных рычагов, два стимула фары, houselight и укрепление дозаторы для этих задач.
   1. Поместите рычаги по обе стороны от центральной области доставки арматуры с одним стимула, расположенного выше каждого рычага.
   2. Убедитесь, что houselight освещает всю камеру не мешая при обнаружении стимула света, например, разместить houselight на стене напротив рычагов и стимулов огней.
   3. Используйте вкусной пищи (например, сахарозы гранул ^20,21 или растворы сахарозы ²⁵⁾ для армирования. Везде, где это указано "усилить животное" ниже, поставить один 45 мг сахарозы гранул или один предписанное количество раствора сахарозы.
2. Презентация стимулом управления, рычаг Operatiна, и сбор данных через интерфейс с компьютером. Связаться с авторов за конкретной информации о целевых программ, написанных с помощью программного обеспечения MED-PC, программы, специально предназначенные для тестирования поведения и сбора данных.
   Примечание: Принципиальной особенностью программ, используемых для тестирования поведения является запись ключевых переменных на испытательный-с экспериментальной основе, в том числе позиции ключевой свет, рычаг, выбранного животного, будь то животное сделано правильно, неправильно или нет ответа (бездействия) и задержки, чтобы сделать выбор. Эти данные имеют важное значение для оценки конкретных типов ошибок, сделанных в ходе различных участков последовательности выбора, как будет описано ниже.
3. В начале предпроектной подготовки, присваивают каждому животному в оперантного камеры, где он будет тестироваться каждый день в течение всего эксперимента. Экспериментальные животные примерно то же самое время дня на протяжении всего эксперимента.
4. Чистый рабочих камерах регулярно (хотя бы раз в неделю) и SOAр и воды и / или антимикробный раствор.

3. Pretraining

ПРИМЕЧАНИЕ: После животные достигли своей целевой продовольственной ограниченным вес, они могут начать формировать в рабочих камерах. Pretraining процедуры, как правило, принимают около 10-20 дней, с существенной изменчивости между крысами. Смотрите рисунок 1С для обзора процедур.

1. Форма животные нажатия на рычаг.
   1. Железнодорожные животные под фиксированным соотношением (FR) -1 графику арматуры, то есть, один арматура поставляется для каждого нажатия на рычаг. Формирование можно вводить либо с обоими рычагами продлен (пресс-либо на усилена), или на одного рычага одновременно (например, один рычаг в день) с целью (слева / справа) опорные через животных и / или экспериментальных условиях.
      1. Для того чтобы сформировать с обеих рычагов расширенных, по-прежнему формировании сессий (один 30-минутный сеанс в день), пока животные не соответствовать минимальным критериям, по крайней мере 50-60 прессы за сессию в течение двух дней подряд. Это обычно занимает около 3-6 дней.
      2. Для того чтобы сформировать на каждом рычаге индивидуально, по-прежнему сессий на первый рычаг, пока животные не реагируют, по крайней мере 50-60 раз на первый рычаг представлены. Последующие сессии формовки должны использовать противоположный рычаг, пока крыса снова не достигает этого критерия. Как правило, этот второй критерий быстро приобрела после крысы научились нажмите первую рычаг.
         ПРИМЕЧАНИЕ: Формирование на одного рычага в то время, займет больше времени, (животное должно соответствовать критерию в два раза, один раз для каждого рычага), но будет гарантировать, что животные получают опыт отвечать на и переменного между двумя рычагами, важным компонентом задач, описанных ниже ,
2. Дайте животным выдвижной сессии рычаг учебные чтобы ознакомить их с выдвижения и втягивания рычагов, и обеспечить, чтобы крысы делают сравнительно мало упущения (обычно <5) к тому времени они продолжаютОсновное испытание фазы задачи.
   1. На каждом испытании, определить, какие рычаг расширить. Альтернативные расширения рычаг в порядке псевдослучайной таким образом, что есть 45 левый рычаг испытания и 45 правой кнопкой рычаг испытания, но не более, чем два последовательных испытаний продлить на тот же рычаг.
   2. Продлить выбранный рычаг. Усиление животное для печати на этот рычаг в течение 10 секунд, после чего рычаг отведен.
   3. Если животное не отвечает в течение 10 сек, убрать рычаг и записать упущение.
   4. Начните испытаний каждые 20 сек на протяжении всей сессии.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Во время выдвижным обучения рычага, предварительно воздействия стимула света (освещение обоих левых и правых стимулирования огней при каждом продлении рычага) могут быть использованы для уменьшения новизну и важность заботы панели света, и, таким образом, увеличить сложность последующего установить сдвига задачу ^20. С помощью этой процедуры будет заметно увеличить количество попыток, необходимых для достижения критерия PERFOrmance на визуальном дискриминации кий описано ниже, и животные могут потребоваться несколько дней, чтобы узнать это правило в этих условиях.
   5. Продолжить выдвижной сессии рычаг подготовки (один 30-минутный сеанс в день) в течение фиксированного числа дней, или до тех пор, животные не соответствовать минимальным критериям из пяти или менее упущения в течение двух дней подряд. Это обычно занимает около 5-10 дней.
      1. Для исследований с использованием острых манипуляции (например, тестирование на наркотики), использовать определенное количество дней (например, 5 дней), чтобы гарантировать, что все крысы получали подобную экспозицию к рычагам.
3. Оценка животных по привилегированным стороны.
   1. Проведение предпочтение сторона тестирования сразу же после последней сессии выдвижной обучения рычага (в тот же день; рис 1в). Задача предпочтение сторона состоит из семи испытаний, каждый из которых состоит из от двух до восьми подгрупп испытаний, разделенных фиксированным 20-сек intertrial интервала (ITI).
   2. НаКаждый суб-проба, расширить оба рычага в камеру на 10 сек или до рычага пресс-ответ сделал. Не освещения стимулирования огни на этом этапе обучения.
   3. Усиление ответа на любой рычаг на первой подкатегории суда каждого суда, и записать его как "первоначального ответа."
      1. Не усиления мер в ответ на тот же рычаг на последующих суб-проверок в рамках одной и той же суда. Разрешить до шести последующих ответов на тот же рычаг с судебного разбирательства, после чего дают вынужденную суб-процесс. Вынуждены югу суда состоит только из противоположного рычага расширяется в течение 10 сек или до ответа произведен.
   4. После первоначального ответа в каждом из испытаний, укрепить первый ответ на противоположной рычагу, а затем прервать это испытание. Таким образом, в каждом испытании (содержащие до восьми подгрупп испытаний), животное должно ответить по крайней мере, один раз на каждый рычаг.
   5. Определить предпочтение боковой каждого животного, как стороне, на которой majoritу исходных ответов состоялся (по крайней мере четыре из семи испытаний).
   6. Однако, если животное отвечает на непропорционально один рычаг в течение всей сессии (как определено выше в соотношении 2: 1), записывать эту сторону, как предпочтение животного.
   7. Начинайте тестирование на следующий день подряд после испытания предпочтение сторона.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В нашем опыте, большинство животных не отображаются при сильном боковом предпочтение. Для тех, кто, требуя от них нажимать на рычаг против их смещения во время тренировки дискриминации ответ гарантирует, что они учатся определенной реакции и вознаграждения случайностях, связанных с этим рычагом, а не просто реагировать на предпочтительном рычага.

4. Тестирование

Примечание: Животные могут быть испытаны в одном из трех последовательностей, каждая из которых состоит из двух различных задач. Стратегия смещение оценивается с помощью (1) Установка Переход от Кью реакции и / или (2) Set-Переход от реагирования к Cue; Reversal обучения оценивается с помощью (3) Восстановление Response. (Четвертая возможная последовательность, Восстановление Cue, не рекомендуется по причинам, изложенным ниже).

1. Общая информация о задачах и последовательностей.
   1. Провести каждую последовательность на последовательных дней. Каждая последовательность займет по меньшей мере два дня (начальное обучение, дискриминация и затем сдвигать или восстановление).
   2. Использование максимум между 150 и 200 проб в одной задачи, в зависимости от характера эксперимента. (Заметим, что использование большего числа испытаний обязательно увеличивает общее время сеанса до 60 мин или более, которые могут быть фактором для фармакологических испытаний с использованием соединений с более короткими продолжительностью действия.)
   3. Для каждой последовательности подопытных животных в одной задаче ("Set"), а затем второй задачи ("Shift" или "Восстановление"). Экспериментальные животные максимум для 3 дней (т.е. 450-600 испытаний) на каждой задачи, в течение максимум всего 6 дней.
      1. Удалятьживотные, которые не достигают критерия в течение 3 дней на первой задачи («Set») из эксперимента.
      2. Для животных, которые не достигают критерия в течение 3 дней на второй задачи ("Shift" или "Восстановление"), назначить максимальное количество баллов по испытаний критерию, который представляет ряд испытаний опытных (то есть, 450 испытаний в течение 3 дней по 150 испытаний каждый).
      3. Если параметры задачи были изменены таким образом, что контрольные животные могут добиться выполнения критерия на один день, а затем изменить задачу, чтобы все крысы получали только одну тестовую сессию и дать те, которые не достигают критерия течение отведенного числа попыток в Максимальный балл (150-200 испытаний, в зависимости от того, как задача была настроена).
      4. Во время сдвига или разворота задачи, есть животных или начать сеанс необходимости немедленно выполнить новое правило, или дать им 20 «Напоминание» испытаний, где они выполняют задачуиспользуя правило, извлеченных на первом этапе обучения, а затем правило переключается в ходе сессии ^22.
         Примечание: Эта последняя процедура особенно полезно для экспериментов оценки потенциальных про-познавательные соединений, которые могут улучшить гибкость, так как он может быть использован, чтобы выяснить, является ли более высокую производительность в течение смены / разворота из-за специально к повышению гибкости или нарушение извлечение предыдущего правила, что может способствовать изучение новой в течение смены.
2. Установка смещения: Cue Задачу реагирования задачи.
   1. Начинайте тестирование животных на задачи Cue (см рисунок 1a), что усиливает животных для реагирования на рычаге ниже подсветкой стимула света (CUE). Задача кий "Установить" задача в этой последовательности.
      1. Начинайте каждый суд с обеих рычагов втянут.
      2. Осветить левую или правую стимулирования свет в течение 3 сек; затем продлить оба рычага в камеру для 10с или до тех пор, реакция не происходит.
      3. Усилить только правильный ответ на сигнальном рычага. По ответа на любой рычаг, убрать рычаги.
      4. Начните испытаний каждые 20 сек на протяжении всей сессии. Псевдослучайно определить порядок испытаний, так что не более двух последовательных испытаний не происходит с той же стимула света (влево или вправо) горит.
      5. Продолжить испытания, пока животное не достигнет критерий (завершен 10 последовательных правильных ответов) и завершил минимум 30 испытаний, или до тех пор, 150-200 испытания не будут завершены, не достигнув критерий.
      6. Если критерий не будет достигнуто в первый день, проверить животное на задачи Cue снова на второй день, но удалить требование, чтобы завершить как минимум 30 испытаний. Если критерий не достигается на второй день, проверить животное на третий день после той же процедуры.
   2. На следующий день после достижения критерия на задаче Cue, переложить животных задача отклика (рис 1б), что усиливает животных для реагирования на рычаге противоположном их предпочтения на стороне, независимо от того, стимулом света (CUE) освещения. Задача ответа гораздо "Shift" задача в этой последовательности.
      1. Начинайте каждый суд с обеих рычагов втянут.
      2. Осветить левую или правую стимулирования свет в течение 3 сек; затем продлить оба рычага в камеру на 10 сек или пока не произойдет реакция. (Обратите внимание, что положение стимула света не имеет значения для выполнения этой задачи.)
      3. Усилить только ответ на правильность Положение рычага (слева или справа, напротив предпочтения на стороне животного). По ответа на любой рычаг, убрать рычаги.
      4. Начните испытаний каждые 20 сек на протяжении всей сессии. Псевдослучайно определить порядок испытаний, так что не более двух последовательных испытаний не происходит с той же стимула света (влево или вправо) горит.
      5. Продолжить испытания, пока животное не достигнетКритерий (завершен 10 последовательных правильных ответов) или до тех пор, 150 испытания не будут завершены, не достигнув критерий.
      6. Если критерий не будет достигнуто в первый день, проверить животное на задачи реагирования снова на второй день. Если критерий не достигается на второй день, проверить животное на третий день после той же процедуры.

. Рисунок 1: Дискриминация Задачи, используемые в Set-Сдвиг последовательности Эта цифра показывает задачи, выполняемые в последовательности Cue-на-реагирования; обратите внимание, что задачи, то же самое, просто в обратном порядке, в последовательности Ответ-к-Cue. () Во время обучения дискриминации визуально-кий, животные усилены ответа на рычаге под освещенной стимула света. (B) Во время обучения дискриминации отклика,imals усилены для реагирования на одном рычаге (влево или вправо), независимо от положения стимула света. (С) Блок-схема последовательности этапах подготовки для типичного стратегии переключения эксперимент с pretraining к тестированию с изображением. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.

3. Установка смещения: Ответ на CUE.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Эта последовательность та, которая приносит пользу больше всего от того визуального-кий освещении до контакта с pretraining ^20,21 (см Шаг 3.2.4 выше). Предыдущие исследования показали, что предварительная подвергая крыс в свет во выдвижной обучения рычага делает сдвиг ответ к сигналу сложнее и зависит от медиальной префронтальной коры головного мозга. Наоборот, передних inactivations не ухудшают этот тип сдвига, если эти процедуры pretraining не работают ^20.
   1. Начало тестирования животных по заданию ответ, который усиливает животных для реагирования на рычаге противоположном их предпочтения на стороне, независимо от стимула света (кью) освещение. Задача ответа гораздо "Установить" задача в этой последовательности.
      1. Продолжайте тестирования, как описано в стадии 4.2.2 (задача реагирования) выше.
      2. У животных пройти минимум 30 испытаний на себя эту задачу, так как это "Установить" задача.
   2. На следующий день после достижения критерия на задаче реагирования, переложить животных задачи Cue, который усиливает животных для реагирования на рычаге ниже подсветкой стимула света (CUE). Задача кий "Shift" задача в этой последовательности.
      1. Продолжайте тестирования, как описано в стадии 4.2.1 (Cue задачи) выше. Минимум 30 испытаний выполненных нет необходимости, когда эта задача "Shift" задача.
4. Восстановление Response.
   1. Begin животные "тестирование на задаче ответ, который усиливает животных для реагирования на рычаге противоположном их предпочтения на стороне, независимо от того, стимулом света (CUE) освещения. Задача ответа гораздо "Установить" задача в этой последовательности.
      1. Продолжайте испытаний, изложенным в стадии 4.2.2 (задача реагирования) выше.
      2. У животных пройти минимум 30 испытаний на себя эту задачу, так как это "Установить" задача.
   2. На следующий день после достижения критерия на задаче реагирования, подопытные животные на разворот задачи ответ, который усиливает животных для реагирования на противоположной рычагу, как и на первой задачи, то есть рычаг, соответствующий их первоначальной стороны предпочтений. Это новая задача откликов "Восстановление" задача в этой последовательности.
      1. Далее с испытаний, как описано в шаге 4.2.2 выше, за исключением того, армированного положение рычага теперь равна исходной боковой предпочтение животного.

5. Поведенческие меры

1. Запишите испытания критерию как на "SET" задачи и "Shift" задачи. Испытания на критерию Основной мерой точности, определяется как число попыток, необходимых для завершения 10 последовательных испытаний, в том числе тех 10 испытаний. Обратите внимание, что количество пропусков следует вынести из этой меры (например, если крысы требуется 100 испытаний, чтобы достичь критерий и составляет 10 упущений, фактические испытания, чтобы критерий 90).
2. Граф был достигнут как на "SET" задачи и "Shift" задачи число ошибок, сделанных до критерию. Ошибки в критерий дополнительной мерой точности, которые могут быть более чувствительны, чем испытания, чтобы критерий и не зависит от увеличения ставок упущение.
3. Для типов ошибок сдвиг, дополнительный анализ типов ошибок, сделанных на "Shift" задачи определенного сдвига последовательности.
   1. Граф ошибку, как"Персеверативного / регрессивный тип", когда животное неправильно отвечает на "Shift" задачи в соответствии с правилом, которое было правильным на вчерашнем "SET" задачи. Затем, используйте следующие рекомендации, чтобы разделить ошибки этого типа в персеверативного и регрессивный, соответственно.
      1. Разделите "Shift" сессию в блоки 16 последовательных завершенных испытаниях (не включают пропущенные испытания). В пределах каждого блока, определить, какие ошибки подпадают под определение этого типа, то есть, крыса сделал неправильный ответ, который соответствует "SET" правило задач. Там будет максимум 8 возможных ошибок такого типа в каждом блоке 16 испытаний.
      2. Показатель, выявленные ошибки, как персеверативного до менее чем шесть из них не сделал внутри блока.
      3. Начиная со следующего блока и вплоть до завершения задачи, оценка ошибки этого типа, как регрессивный.
      4. Если животное был протестирован в "SHIFT "задача более чем на один день, по-прежнему голевых ошибок, как будто блоки были смежными.
   2. Граф ошибку как "никогда не армированные", когда животное неправильно отвечает на "Shift" задачи с ответом, который не был правильно ни на "SET" или "Shift" задачи.
4. Для типов ошибок разворот, дальнейший анализ типов ошибок, сделанных на "Поворот" ТАСК последовательности реверсивного обучения. Ошибки разворота разбиты по двум направлениям: (1) в персеверативного и регрессивных ошибок, и (2) в направлении-дистрактора и вдали от дистрактора ошибок.
   1. Разделите суммарной ошибки в персеверативного и регрессивным.
      1. Разделите "Поворот" сессию в блоки 16 последовательных завершенных испытаниях. Количество ошибок в каждом блоке (максимум 16 ошибок можно).
      2. Оценка ошибки, как персеверативного до менее чем 10 из них не сделал внутри блока.
      3. Начиная со следующего блока и вплоть до завершения задачи, оценка ошибки регрессивными.
      4. Если животное было испытано в "Поворот" ТАСК более чем на один день, по-прежнему голевых ошибок, как будто блоки были смежными.
   2. Разделите суммарной ошибки в сторону-дистрактора (была освещена стимул света над неправильным, прессованные рычага) и вдали от дистрактора (стимул свет горит над правильной, непрессованной рычага).
5. Запишите количество пропущенных испытаний, чтобы обеспечить широкий меру уровня мотивации животного.
   1. Проверьте результаты упущение после каждого ежедневного тестовой сессии, чтобы исключить сбои в работе оборудования, которые могут быть обозначены высокие баллы упущение.
   2. При отсутствии неисправности оборудования, исключает упущение данные животных с аномально высоким числом бездействия (обычно ≥3 стандартных отклонения выше среднего) по обе задачи.
6. Запись задержки реагирования путем измерения времени, прошедшего между удлинитель рычага и ответ. Задержки обеспечить грубую меру двигательной функции и / или скорости обработки.

Результаты

Острый, обратимой инактивации префронтальной коры может быть достигнуто путем инфузии местного анестетика бупивакаина гидрохлорида (0,75%, 0,5 мкл) в прелимбальной области с помощью хирургически имплантируемого инфузионной канюли ²⁰ приблизительно 10 мин до начала испытаний. Кроме того, последствия инактивации либо во время первого задания ("Установить") или второй задачи ("Shift" или "разворота") может быть оценена в целях выявления возможных общих воздействия на процесс обучения. Рисунок 2 иллюстрирует результаты таких inactivations на животных выполнения стратегии смены последовательности биток к реагированию. Префронтальной инактивации в первый день, Cue / "Установить" задача, не снижают производительность (рис 2а), предполагая, что медиальная префронтальная кора не является необходимым для начального обучения дискриминации. Тем не менее, префронтальная инактивации на второй день, ответа / "Shift" задача, signifщественно ухудшение работы в том, что животных, необходимого, по существу, большее количество испытаний для достижения Критерий (рис 2б). Когда префронтальная кора инактивируется, животные сделали больше персеверативного, как ошибки, чем никогда не армированных ошибок на задаче Shift (рис 2С). Эти данные повторить предыдущие данные о значении средней префронтальной коры головного мозга по стратегии переключения передач и, в частности, в подавлении ранее изученного стратегию ^13,20.

С другой стороны, животные, прошедшие подготовку в Сторно последовательности ответ не показать эту префронтальной зависимость. Животные, получающие инактивации префронтальной коры на "Поворот" день ничем не отличался от солевых проникнуты животных либо на начальной дискриминации ответов (рисунок 3A) или последующего разворота (рис 3B) ²⁰ которые пребывают результаты согласуются с предыдущими исследований, показывающих, что йе орбитофронтальной коры, не средней префронтальной коры головного мозга, регулирует разворот обучения на различных задач ^12,19,26, в том числе оперантной задачи, подобной той, которая описана здесь ^27.

Рисунок 2. Инактивация зыбучих префронтальной коры ухудшает стратегии., Испытания критерию на исходную задачу Cue дискриминации («Set») по крыс, получавших инфузии физиологического раствора или бупивакаина (BUPI) в медиальной префронтальной коры на множестве день. Префронтальной инактивация не оказывает никакого влияния на начальной приобретения. Б, испытания критерию на переход к задаче ситуации ("Shift") после медиальной префронтальной вливаний физиологического раствора или бупивакаина в день смены. Инактивация префронтальной коры нарушается стратегии перехода к задаче реагирования на.С Типы ошибок, совершенных животных в день смены. Префронтальной инактивация до задачи сдвига ("SAL-BUPI" группы) привело к увеличению в персеверативного, как ошибки. * Р <0,05 по сравнению с физиологическим раствором раствора. Эта цифра была изменена с Floresco и др. ²⁰ Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 3. Инактивация префронтальной коры Листья реверсивного обучения нетронутыми. А, испытания критерию во время начальной подготовки дискриминации ответ крысами, которые впоследствии получающие вливания физиологического раствора или бупивакаина (BUPI) в медиальной префронтальной коры до разворотного обучения. Никаких различий не наблюдалось. BИ испытания критерию во время разворота дискриминации ответ, после медиальной префронтальной вливаний физиологического раствора или бупивакаина. Префронтальной инактивация не снижают реверсивного обучения. Эта цифра была изменена с Floresco и др. ²⁰

Данные, представленные на рисунке 4 приведен пример того, как требует крыс на выполнение работ «напоминания» испытаний, используя старое правило до сдвига стратегия может помочь в интерпретации данных. В этом исследовании (Enomotor и Floresco, неопубликованные наблюдения), крысы были подобраны для исполнения на приобретение визуальный правило кий на 1 день (рис 4а). На 2-й день крысам транспортное средство или 0,2 мг / кг галоперидола. В начале тестовой сессии День 2, они получили 20 испытаний, где они должны были отвечать с помощью визуального правило кий приобретенные на 1 день, после чего правило включении середине сессии в дискриминации отклика. Как показано на рисунке 4B, это лечение обесценения поиск правила визуального сигнала в течение первых 20 напоминаний испытаний сессии. Впоследствии, галоперидол крыс, получавших необходимые меньшее число попыток для достижения критерия (рис 4C), и сделала меньше персеверативного ошибки (рис 4D) на смену стратегии. Обратите внимание, что, если бы мы не использовали Напоминание испытания до сдвига, эти данные могут быть интерпретированы как улучшение множества сдвига галоперидолом. Тем не менее, ухудшение во время правления поисковой фазы можно предположить, что эти эффекты лучше понять, как нарушения памяти ранее приобретенного правило, которое, возможно, привело к уменьшению конфликтов ответа, когда крысы должны были научиться новый правило и, таким образом, быстрее меняется.

Рисунок 4. Нарушение правил Восстановление и упрощенному Set Сдвиг, индуцированный Haloperidol Лечение., испытания критерию на визуальном дискриминации кия от крыс, которые должны были получить автомобиль (солевой раствор) или допамина D2 антагониста галоперидола (0,2 мг / кг) до стратегии последовательность переключения на следующий день. Животные в обеих группах показали сравнимую производительность до наркотиков. B, В начале тестирования на 2-й день, крысы получали 20 напоминания испытания, где они были необходимы, чтобы продолжать реагировать, используя правило визуальный сигнал с первого дня 1. Лечение с галоперидолом значительно снизилась точность в течение этих напоминание испытаний. С, после 20 напоминаний испытаний, правила сместился в середине сессию к дискриминации отклика. Галоперидол крыс, получавших требуется меньшее число попыток для достижения критерия в течение смены. D. галоперидола также снижается персеверативного ошибки. Хотя эти данные могут предложить улучшенное быстродействие, нарушения в правилах поисковой дисплее в B указывает, что очевидно "улучшенное переключение стратегия", скорее всего, объясняется сокращением вмешательства со стороны ранее приобретенного правила. Эномото и Floresco, неопубликованные наблюдения. *, р <0,05 по сравнению с транспортного средства.

Новорожденных вентральной гиппокампа поражения (NVHL) манипуляция была использована для моделирования некоторые аспекты шизофрении у крыс ^28, в частности, когнитивных нарушений ^29,30. Вкратце, эксайтотоксический поражения вводят в гиппокампе 7-дневных крыс, и испытание проводят у взрослых (60 + дней постнатального). . Это модели предположили, траектория развития шизофрении ²⁸ Рисунок 5 иллюстрирует производительность NVHL и контрольных крыс на предварительно подвергается версии Set-Shifting: реакция на последовательность Cue NVHL крыс незатронутым на изучение первое правило (Ответ / "Set. ", 5А), но резко ухудшается на переход к новому правилу (метки / "Shift"), как показано с увеличением числа испытаний, необходимых для достижения критерия (фиг.5В). Кроме того, этот дефицит был обусловлен главным образом увеличением количества ошибок персеверативного, как показано на рисунке 5С, предполагая, префронтальной аномалии ^20,21. Эти результаты подтверждают предыдущие выводы зрением стратегии меняется в NVHL животных с использованием кросс-лабиринт задачу ^29.

Подобно данным prefrontally инактивированной животных было показано выше, NVHL животные не были обесцененными при обращении обучения (рис 6а, б), хотя они были медленнее, чтобы ответить (6С, г). Этот негативный вывод означает, что наблюдаемый стратегия перехода дефицита не могут быть отнесены к простому неспособности переключаться между стимулами ^21.

ES.jpg "/>
Рисунок 5. Нарушение Set Сдвиг в NVHL модели шизофрении. Выступление на предварительно подвергается версии установленных смены последовательность (ответ к Cue) в NVHL и фиктивных контрольных животных. А, NVHL животных незатронутым на ответ («Set») задача. B, однако, NVHL животных, необходимого значительно больше испытаний, чем Шамс достичь критерий на визуальный сигнал ("Shift") задачей. С, Ошибки на "Shift" день. NVHL животных из более персеверативного ошибок, чем фиктивные животных, но не различались по регрессивной или никогда не армированных ошибок. * Р <0,05 по сравнению с обманом. Эта цифра была изменена с plácek и др. ²¹

Рисунок 6. Отсутствие NVHL обесценения на реверсивное обучение. , B, NVHL и фиктивных животные не отличаются по своей способности приобретать либо задачу начального обучения отклика («Set»), или разворота реагирования. C, D, NVHL животные были медленнее, чем фиктивным, чтобы ответить на обоих "Set" и "Поворот" задачи. Эта цифра была изменена с plácek и др. ²¹

Наконец, опытно-промышленные испытания показали, что животные практически не в состоянии узнать разворот задачи Cue, т.е. нажимать на рычаг напротив освещенной стимула света. Пять из шести подопытных животных завершена 450 разворота испытания (3 дня), не достигая критерия, а шестой животных требуется 418 пробы (Брэйди неопубликованные наблюдения, данные не приведены). Это, вероятно, потому, что стимула огни очень заметные и привлекательные сигналы, которые делают его очень трудным для крысы, чтобы направить отвечать подальше от них. Таким образом, эта последовательность тестирование не выздоровеетmmended.

Обсуждение

Развитие поведенческих задач для измерения когнитивных конструкций высшего порядка грызунов необходимо заранее знать, нейробиологии познания. С хорошо построены и проверенные задач, грызуны могут быть оценены на задачах сложности конкурирующих тех приматов или даже человека. Здесь мы показали, как две стороны исполнительной функции, стратегии переключения передач и реверсивного обучения, могут быть исследованы на грызунах с использованием автоматизированных методов оперантного. Используя эти автоматизированные задачи, мы воспроизвели предыдущие выводы в крестообразном лабиринте и землеройные машины задания по нейронных субстратов Set-передач и реверсивного обучения ^{11,13,18-21,27,29,} предполагая, что оперантного задачи являются действительными оценку этих строит.

Эти автоматизированные задачи имеют ряд льгот и преимуществ по сравнению с существующими Неавтоматизированная кросс-лабиринт и землеройные машины задач. Большинство убедительным является выше скорость сбора данных в автоматизированных оперантного версии. Каждыйобучение или тестирование дня занимает всего 30-60 минут, и полностью управляется компьютером, требующий минимального контроля со стороны экспериментатора. Кроме того, несколько животных может быть проверена одновременно с установкой оперантной многокамерной. В каждой серии задачей, от формирования до конечного тестирования, может быть завершена в пределах 2-3 недель. Еще одним важным преимуществом автоматизированных задач точный контроль предъявления стимула, таким образом, сводя к минимуму возможность ошибки экспериментатора. Например, порядок представления кий месте на каждом испытании рандомизированных и контролируемых компьютером, а не экспериментатором вручную консультации проб по-испытательного списка. Времени между испытаниями точно измеряется и последовательным, и не путали время, необходимое экспериментатор, чтобы, например, удалить крысу из кросс-лабиринт или изменить рытье контейнеров. Доставка Армирование осуществляется автоматически и не подлежит экспериментатора ошибку (например, забывая приманкиправильно рычага поперечного лабиринта). Сбор данных аналогично улучшена, с автоматической записью отклика, в том числе измерения точных задержки отклика. При отсутствии других аномалий двигателя, изменения в задержки ответа могут быть использованы, чтобы сделать вывод свидетельствует о измененной скорости обработки и / или судить уровень когнитивной сложности поставленной задачи ^21,22.

Автоматизированные задачи также сохранить одно важное преимущество кросс-лабиринт задач: возможность провести детальный анализ типов ошибок, допущенных на смену или разворота день. Различие между заданными смены ошибок, которые копируют предыдущего дня стратегии (персеверативного или регрессивные ошибки) и ошибки, которые представляют ранее обвиняемые стратегии (никогда не армированные ошибки) может помочь при характеристике конкретных дефицит в поведенческой гибкости. В частности, персеверативного ошибки, возникающие в начале тестирования отражают неспособность животного отказаться от предыдущего улrategy, а позже происходит регрессивные ошибки отражают неспособность животного удерживаться на новую стратегию раз персеверация перестала ^20. Never-армированные ошибки могут указывать на неспособность приобрести новую стратегию, или неспособность реагировать систематически в соответствии с правилом ^20. Предыдущие результаты ^16,17,20, демонстрирующие диссоциирующие нейроанатомической базы этих типов ошибок также являются ценными для интерпретации результатов этих задач.

Наши процедуры были разработаны и оптимизированы для использования с крысами. Это, как говорится, другие группы использовали аналогичные процедуры для тестирования, установленные смены способности у мышей ^31. Тем не менее, некоторые изменения должны быть использованы с мышами для размещения на видовых различий. Они включают в себя больше презентация визуальный сигнал света до удлинитель рычага, обучение за несколько дней, используя 30 испытаний / день и внедрение тайм-аута наказания после неудачного выбора. AlthouGH эти изменения делают этот анализ менее поддаются для использования с фармакологическими проблем, это может оказаться полезным для оценки когнитивной гибкости в генетически измененных мышей (хотя неясно, являются ли эти изменения позволит сохранить фронтальную чувствительность коры задачи).

Конечно, есть и ограничения этих задач. Некоторые из этих ограничений возникают из-за автоматизированного характера поставленной задачи, в то время как другие связаны с параметрами самой задачи. Что касается последнего, набор смены Задача, описанная здесь (а также кросс-лабиринт установить сдвига задача ²⁶⁾ используют ограниченный набор стимулов и реакций. В отличие от копания задачи, на которых новые экземпляры (например, незнакомые запахи или копать средства массовой информации) могут быть использованы для построения новых к вниманию наборы на каждом этапе ^11,19, оперантного набор смены задача обязательно требует выбора между двумя стимулами, которые знакомы животное - либо слева противПраво кий свет, или слева против правильном положении. Это означает, что оперантного и кросс-лабиринт набор смены задачи включают конфликт реагирования, а также стратегии смещение, хотя понятие перехода свое стратегию на новый, ранее не относящейся к делу измерения стимула сохраняется ^20,23. На соответствующую записку, заданного сдвига и разворота оперантного задачи, описанные здесь, не позволяют третьего измерения стимула, как в копания задача, которая может включать в себя рытье СМИ, запах и текстуру ^11,19. Тем не менее, мы не считаем, что это роковая ошибка, как оперантного набор смены задача по-прежнему требует животное, чтобы подавить ранее соответствующую стратегию дискриминации и посещать с ранее игнорировались измерения стимула. Кроме того, кажется, предположить, что модификации оборудования и целевых параметров может поддерживает добавление третьего измерения стимула, таких как слуховые сигналы или запах, хотя эти дополнения, скорее всего, сделать процесс обучения более сложным и менее AmeNable для однодневных фармакологических тестов.

Наконец, потенциальное ограничение любого оперантного основе задачи является потеря прямой информации о поведении крыс - то есть, экспериментатор уже не смотрят на крысу. Мы считаем, что преимущества в объективности и сбора данных о скорости, предоставляемые автоматизации более чем компенсировать эту потерю, и камеры, установленные в рабочих камерах являются относительно простой способ, чтобы восстановить индивидуальный визуальный доступ, если это необходимо.

Есть ряд шагов, которые могут быть предприняты для достижения максимального успеха с помощью этих оперантного задачи. Во-первых, важность обработки животных перед тренировкой начинается не может быть переоценена; как и в любой поведенческой задачи, хорошо обрабатываются животные легче работать, испытывают меньший стресс, и, как правило, производят меньше переменных данных. Во-вторых, некоторые пилотные испытания могут быть необходимы для определения лучшее время дня для проведения тестирования; мы испытываем во время светового цикла, и обнаружили, что езультатыCE является оптимальным, когда животные испытывают в конце этого цикла (например, примерно 4:00 вечера для светового цикла, заканчивающегося в 7:00 вечера). В-третьих, следует соблюдать осторожность, чтобы подтвердить, что стабильную работу устанавливается на каждом этапе, прежде чем pretraining животное переходит на следующий шаг. Например, последовательным и надежным выступление на выдвижной сцене рычаг обучение является отличным показателем опытным выступления на "SET" задачи дискриминации. Что касается оборудования, хотя все действия выполняются автоматически, вмешательство экспериментатора по-прежнему необходимо, чтобы подтвердить, что все компоненты находятся в рабочем состоянии. Например, проверка оборудования должна выполняться ежедневно (или несколько раз в день, если большое количество животных проходят испытания), чтобы убедиться, что все фары, рычаги, и системы доставки награда находятся в рабочем состоянии. В частности, сбои в работе систем доставки награда (в частности, на пеллетах диспенсеры) может существенно повлиять на производительность. Необычно высокое число пропусков наданный день может указывать на проблему с доставкой награда оборудования, и таким образом выходные данные должны быть проверены каждый день экспериментатором, знакомый с задачей и ожидаемым уровнем производительности. В отсутствие неисправности оборудования, большое количество пропусков может указывать на другие проблемы с мотивацией или здоровья животных. Если животное здоровы, ограничение пищи может быть увеличена до брать животное, 80-85% от веса свободного кормления в течение короткого времени, пока производительность не восстановится.

Эти установленные сдвига и разворота задачи могут быть использованы в различных экспериментальных парадигм. Например, последствия манипуляций, таких как поражения, развития методов лечения, диетических манипуляций, долгосрочного медикаментозного лечения, или генетических модификаций можно исследовать. В то время как эффект лечения на множестве сдвига или разворота этапе может быть основной интерес, отметим, что, поскольку такие хронические или постоянные процедуры должны обязательно вводиться до TraiНин начинается эффекты на нескольких этапах выполнения (особенно на начальном дискриминации или «Set») также должны быть рассмотрены ^21. Использование острых манипуляций, таких как фармакологических методов лечения или временных нейроанатомические inactivations, особенно хорошо подходит для этих задач. В таких случаях, добавление третьей группы (как показано на фиг.2) является полезным; Таким образом, основной экспериментальная группа получает манипуляции интереса в день смены или разворот, в то время как одна контрольная группа получает манипуляции в день первоначального дискриминации или "SET", чтобы проверить на широких воздействия на процесс обучения, и второй контрольной группы получает нет манипуляции (или фиктивных лечение) в оба дня ^20,22. Следует отметить, что для таких исследований острой манипуляции, желательно, чтобы соответствовать крыс для выполнения во время обучения из исходного набора и выделить их в экспериментальной группе и второй (контрольной группе), соответственно. Это минимтеризует вероятность того, что различия вызванных лечением в производительности может быть озадачены индивидуальных вариаций в том, как легко крысы научиться различать раздражители. Кроме того, если эксперимент требует проверки нескольких когорт в течение нескольких недель или месяцев, каждый когорты должна включать животных от всех экспериментальных групп. Например, исследование проверка воздействия острых фармакологических манипуляций в течение смены может потребовать 48 крыс в целом и 3 экспериментальные группы, проверенные в трех когорт 16 животных в каждой. В этом случае, каждый когорты должна содержать 5-6 крыс в каждой экспериментальной группе. В идеале, статистический анализ должен включать в себя фактор, который подтверждает не было никаких различий в показателях по каждой группе крыс. Наконец, эти оперантного задачи могут быть особенно полезны для применения в технике звукозаписи, естественных, в том числе микродиализа, вольтамперометрии и электрофизиологии, из-за таких компонентов, как контролируемой среде, точного времени стимула Presentatионов и ответы, а также ограничениями на передвижение животных, которые не доступны или практичны в крестообразном лабиринте или копаться задач.

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
Behavioral Chamber Package with Retractable Levers	Med Associates, Inc.	MED-008-B2	Required components include two retractable levers, two stimulus lights, houselight, and reinforcement delivery system
MED-PC software	Med Associates, Inc.	SOF-735
MPC2XL software	Med Associates, Inc.	SOF-731	Data transfer utility for importing raw data into Excel format
Dustless precision pellets, 45 mg, sugar	Bio-Serv	F0042