Оперантное внутри- / Дополнительное одномерное множество сдвиг задача для мышей

Резюме

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.

Аннотация

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.

Введение

К вниманию набор-смещение является мерой когнитивной гибкости и исполнительных функций ^1. Это относится к способности переключения между произвольными внутренними правилами ("когнитивно-к вниманию наборы"). Наиболее широко используемые нейропсихологические задачи для измерения к вниманию установку переключение передач и познавательную гибкость в человека являются Висконсин тест сортировки карточек (WCST) ^{2 и} более поздние и более изысканный вариант: внутри- и экстра-мерном к вниманию набор смены (ID / ЭД) из Кембриджского нейропсихологических тестов автоматизированной батарея (Кембриджский) ^3,4. Эти задачи были использованы для идентификации конкретных когнитивных нарушений у широкого круга психических расстройств, включая аутизм, шизофрения ^{5 6,} болезнь Паркинсона ^7, обсессивно-компульсивные расстройства ^{8 и} дефицита внимания / гиперактивности расстройства ^9. Клиническая значимость и твердые методологический подход WCST и ID / ED тесты имеют ATTracted интерес к реализации подобных тестов в доклинических исследований ^10,11. Эти задачи позволяют для селективного измерения в той же теме различных когнитивных способностей, таких как дискриминационный обучения, разворота обучения, формирования к вниманию набор, смещение внимания в той же размерности (т. Е, внутри сдвиг измерений: IDS) и между различными восприятия размеры (т.е. экстра-мерном сдвиг:. EDS). Это важно, потому что различные участки мозга, а также невропатологии может изменить эти различные когнитивные функции по-разному. Например, двойной диссоциации или функциональный эффект специализации была продемонстрирована между боковыми (у обезьян и человека) / медиальной (у грызунов) и орбитальных областей ПФУ в заданных к вниманию сдвига задач. В то время как орбитофронтальную кора более активное участие в повороте фаз этих задач, боковая / медиальная область ПФК регулирует этапы экстра-размерные сдвига^12-14.

Грызунов версии этих сосредоточения внимания набор смены тестов для приматов были успешно создана ^13-16. Тем не менее, некоторые аспекты этих версий грызунов были ограничения их применения и использования. Например, эти задачи вручную запустить и, следовательно, весьма трудоемкий и трудно стандартизировать. Кроме того, наличие пищевых подкреплений внутри стимулов может привести к неоднозначной интерпретации ответов на животных и потенциального смещения в выборе решений ^10. Эти характеристики ограничивают пропускную способность тестирования и, что более важно, их применение в крупномасштабных генетических и / или наркотиков скрининг-исследований.

Чтобы преодолеть эти ограничения и повысить потенциальные применения ID / ED смены парадигм в грызунов, мы представляем здесь новый двухпалатный оперантного основе задачу для проверки когнитивной гибкости у мышей. Эта задача роман точно имитирует задачу ID / ED используется в человеческой и не-приматов и обходит проблемы ранних версий. грызунов

протокол

Все процедуры были одобрены Министерством здравоохранения Италии и комитета местного использования животных и были проведены в соответствии с Руководством по уходу и использованию лабораторных животных директив Совета Европейского Сообщества.

Примечание: На рисунке 6 показан график всей процедуры протокола проверки ID / задачи ED.

1. Устройство

Рисунок 1. двухкамерный аппарат "Оперон". (А) Вид сверху всего устройства и (б) вид спереди одного камере, имитирующей мыши точки зрения в ходе испытания. 1: визуальные стимулы (LED); 2: журнал пищи; 3: нос совать отверстия-; 4: тактильные стимулы (текстуры); 5: обонятельные стимулы; 6: автоматические раздвижные двери; 7: Дом -легкий; 8: инфракрасный photobeam для контроля двери. Камеры (16 х 16 х 16 ^см 3) отделены друг от друга прозрачной пластиковой двери (6). Инфракрасные photobeams (8) отслеживали перемещения животных и контролировать открытие / закрытие автоматической дверью, чтобы позволить мышь для изменения камеры. Каждая камера представляет два носа совать отверстия (3) с инфракрасными photobeams, и между ними, питание журнал (2) с photobeams где осадок диспенсер доставил пищевое подкрепление. Дом света (7) расположена над каждой из двух журналов питания. Каждый нос совать отверстия-оснащен сменными серии стимулов, которые могли бы меняться в трех различных размеров (восприятия запаха, вид, такт). Первоначально опубликовано в "The конечной внутри- и внепространственной к вниманию набор-Shifting задача для мышей» ^19. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Содержание "> Примечание: Устройство Оперон (Рисунок 1) состоит из двух идентичных камер с плексигласа стенами и алюминиевой этаже (16 х 16 х 16 ^см 3 для каждой камеры) Камеры разделены прозрачной оргстекла разделительной дверью, которая может быть автоматически. контролируется, чтобы мышь, чтобы получить доступ к любой камере. Каждая камера имеет два носа совать отверстия с инфракрасными photobeams, и между ними, питание журнал с photobeams где осадок диспенсер доставил пищевое подкрепление. Вентилятор и дом света находятся Над каждым из двух журналов питания.

1. Одета каждый нос совать отверстие с рядом изменчивых раздражителей (таблица 1), которые различаются в трех различных размеров восприятия (например, запах, зрение, тактильные). Примечание: Стимулы, предложенные в таблице 1, были выбраны так, чтобы избежать какого-либо сбивающий фактор и / или смещения из-за предотвращения или предпочтений. Пять пар экземпляров для каждого измерения позволяют св-субъект тестирование всех сдвигов, с новыми стимулами в каждую смену.
   1. Чтобы доставить обонятельные стимулы в нос совать отверстия, используйте разбавления ольфактометра, какое условие входящего воздуха к носу-совать отверстия, автоматически высушивания, фильтрации, повторной гидратации и контроля презентация пар ароматов.
      1. Используйте одну ольфактометра контролировать два отверстия носа тыкать. Регулировать поток воздуха с помощью воздушного насоса и вакуум для удаления запаха в нос совать отверстия. Подключение воздушный насос к входному отверстию ольфактометра и вакуума к выходам установленных на нос совать устройства. Затем подключите выход для доставки запах каждого входе нос совать. Отрегулируйте расход до 1,5 л в минуту.
      2. Развести Запах Запахи 1:20 в минеральном масле и заполнения бутылок ольфактометра.
   2. Для визуальных раздражителей, место светоизлучающих диодов (LED) на верхней части каждой носом тыкают отверстие и закрепите их в металлической рАнель камеры (подробности см на рисунке 1 и в таблице 1). Подключение их в выходной интерфейс.
   3. Для тактильных раздражителей, крепление сменных текстуры пола перед каждым нос совать отверстия. Установите различные текстуры на раздвижных поддержку и перемещать их с помощью кадров под полом, так что они будут представлены в соответствие с небольшим отверстием (3 х 3 см ²⁾ на полу перед каждым носом тыкают отверстие.
2. Управление презентация стимулов с использованием программного обеспечения в соответствии с инструкциями завода-изготовителя с целью автоматического изменения стимулы разных размеров во время эксперимента.
3. Поставьте камеру на верхней части аппарата для записи базальной чередование и двигательную активность, используя программное обеспечение для мониторинга поведения (например,., Ethovision, Anymaze), которые могли бы помочь устранить животных, которые имеют проблемы, не связанные с когнитивными функциями.

Запахов	ТЕКСТУРЫ	ОГНИ
персик против мудрец	липучке против фильма	огни на V погаснет.
ванильного против лаванды	грубая наждачная бумага против мелкой наждачной бумагой	красный против зеленого
клубника против корицы	гладкой картон против коньковый картон	синий v. желтый
грейпфрут против орегано	Губка v. гладкого пластика	оранжевый против белый
лимон против абрикос	honeycАБУ бумага против алюминиевой фольги	исправить огни ст. мигалками

Таблица 1. экземпляров, используемые в ID / ED Operon задачи. Составные дискриминация на основе фиксированных комбинаций пар экземпляров (рисунок 2 для примера последовательности дискриминации). Для образца пары из разных размеров представлены в случайных сочетаниях. Нейтральные стимулы для различных размерностей: поток воздуха с запахом не; белая бумага; нет света раздражители. Таблица первоначально опубликован в "The Ultimate внутри- и внепространственной к вниманию набор-Shifting задача для мышей» ^19.

2. Подготовка животных

Примечание: представитель результаты, представленные здесь, были получены от мужчин C57BL / 6J, от 3 ​​до 7 месяцев, в течение световой фазы.

1. Взвесьте мышей, однократно дом, а потом обработать в течение 1 мин на тричерез день.
2. После одной недели акклиматизации к одной-корпус, записи массы тела и потребления пищи 24-часовой в течение трех дней подряд для определения базового веса и потребление пищи.
3. Применить небольшое режим голодания в течение 1 недели перед тренировкой для теста. Проверка веса животных ежедневно в то время как еда ограничены в течение всего эксперимента, чтобы сохранить около 90% от их базового уровня свободного вскармливания массы тела. За три дня подряд перед фазой привыкание подготовки, дают мышей в их доме клетку также ≈20 пищевое подкрепление гранул. Эти пищевые гранулы, которые будут использоваться в последующих испытаний.
   Примечание: ограничение продуктов питания используется для повышения мотивации животных на работу в задаче, однако, на любом этапе всей процедуры не превышает 10% потери веса, как это может привести к неправильным поведением и чрезмерного напряжения для мышей, которые может повлиять на результаты.
   1. Кроме того, во избежание единый корпус, лепр мышей группу-размещенный (от 2 до 4, каждый клетка) и давать доступ к вволю пищи в течение определенного периода времени после тестирования. Проверка веса животных ежедневно в то время как еда ограничены в течение всего эксперимента, чтобы сохранить около 90% от их базового уровня свободного вскармливания массы тела.

3. Привыкание

1. Поезд мышей в 1-й день сессии 40 мин перемещения внутри аппарата без делителя двери, где нос-мешке в любых нос-мешке отверстий приводит к доставке гранул в пищевой емкости. Во время этой фазы, использовать только нейтральные стимулы (таблица 1) для всех различных размеров (привыкания 1).
2. На следующий день, обучать животных в течение 40 мин, чтобы перейти от одной камеры в другую в конце каждого испытания (привыкания 2). Используйте только нейтральные стимулы для всех различных размеров. Кроме того, в этой фазе, нос-совать в любом из носа совать отверстия приводит к доставке гранул в пищевой журнала.Когда мышь получает награду в пищевой журнала, снизить разделительную дверь, чтобы дать доступ к мыши в другую камеру для следующего испытания.
3. На третий день (привыкания 3), обучать животных выполнять два простых дискриминацию (SD1 и SD2;. Например, на липучке против фильма;. Свет кий на против света реплику от; персик против шалфея.) С критерием 8 правильных ответов из 10 последовательных испытаний. Не используйте эти экземпляры снова в течение следующих этапах теста.
   1. Для начала, поместите мышь в одной камере с нейтральными стимулами, в то время как в другой камере раздражителей сигналы включены; затем опустите дверцу, чтобы дать доступ к мыши камеры с активированным стимулов киев. Мышь должна научиться выбирать нос совать-отверстие, где правильный стимул представлено. Сессии длиться в течение 40 мин.
   2. Награда нос совать в-правильное отверстие с доставкой гранул и, когда мышь попадает в пищевую журнал, снизить разделительную дверьдать доступ мыши в другую камеру для следующего испытания. Не вознаградить нос совать-в неправильном отверстие и включить дома свет в течение 5 сек. Затем опустите дверцу, чтобы дать доступ к мыши в другую камеру для следующего испытания.
   3. Провести первые десять испытания каждой сцене, как формирование испытания: если мышь выбирает неправильный отверстие, записать ошибку, но не прекратить судебное разбирательство до тех пор, пока мышь тычет также в правильное отверстие. В последующие испытания, если мышь тычет в неправильном отверстие, записать ошибку и отключить все размерные стимулы для прекращения судебного разбирательства.
   4. Завершить каждую сессию после 40 минут или если мышь не в состоянии сделать любой ответ в течение пяти минут подряд, в зависимости от того пришел первым. Если мышь не достигает критерия в одной сессии, по-прежнему тест на следующий день.
   5. Если мышь не может достичь критерий в SD1 SD2 или в Привыкание 3 после 5 сеансов, остановить тестирование мышь и устранить ее из исследования, потому что этоне в состоянии надежно выполнять основные дискриминацию, которые могут в дальнейшем повлиять на результаты задачи ID / Под ред.

Рисунок 2. Пример задачи ID / Под ред. Пример ID / ED "застрял-в-установите 'и' два 'парадигмы измерения показан. Взято из «Окончательное внутри- и внепространственной к вниманию набор-Shifting задача для мышей» ^19. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

4. «Застрял в-установите" ID / ED Процедура парадигма

Примечание: Для этой процедуры, которые ранее использовались в обоих приматов и грызунов ^7,15,16, необходимо, чтобы манипулировать три различных восприятия размеров длякаждый отдельный мыши испытания. Что касается этапов привыкания, все тестирования ежедневных сеансов начать путем размещения мыши в одном из двух камер, где все стимулы нейтральным. Перед началом пробы, стимул сигналы включены в противоположном камере. Затем делением дверь опускается, чтобы дать доступ мыши в другую камеру, где стимула реплики на.

1. Чтобы обучить животное разработать набор, или уклон, к конкретной восприятия размерности (. Например, запах, свет или пол текстуры), выставить мышей следующих дискриминации, представленных в этом порядке (см также пример на рисунке 2):
   1. По той простой дискриминации (SD), ввести мышей в размерности (запах, свет или текстуры, рисунок 2), который соответствует во всех задачах, пока ЭЦП. То есть, соответствующая размерность один, указывающий, где правильным ответом является. Следуя примеру рисунке 2, представляют два запахи, такие как ваnilla (О1) и лаванды (О2), и выберите O1, как правильный ответ.
   2. Для дискриминации соединение (CD), ввести второе измерение, например, свет, который не имеет значения (то есть, не указывая были правильным ответом является). Нынешние два фонари (L1 и L2) вместе с запахами (O1 и O2), чтобы иметь два возможных дискриминацию (см пример на рисунке 2). В правильные и неправильные экземпляры такие же, как в SD.
   3. Для разворота соединения дискриминации (CDRe), оставьте экземпляры и соответствующую единицу измерения без изменений, но есть животные, узнав, что ранее правильно стимулом теперь неверен. Например, выберите лаванду, как реагировать, с ванильным быть теперь неправильный выбор. Эти же условия будут найдены другие фазы разворота (т.е. IDSRe, IDS2Re и EDSRe).
   4. После этого, выберите Intra-сдвиг измерений (IDS), в которых новые экземпляры используются как для актуальныи неуместные размеры (общая конструкция изменить). Например, можно использовать клубнику и корицу (O3 и O4) в качестве запахов и синими и желтыми огнями (L3 и L4), как свет. Однако, убедитесь, что субъекты испытаний держать в том же измерении соответствующей для того, чтобы найти правильный ответ. Эти же условия будут найдены для другого intradimensional сдвига (т.е. IDS2).
   5. Как и в предыдущем дискриминации, есть мыши выполнить разворот в Intra-мерного сдвига (IDSRe). Используйте те же условия, как и в CDRe.
   6. Для Intra-мерного сдвига 2 (IDS2), использовать те же условия, как и в IDS.
   7. Точно так же, использовать те же условия, как и в CDRe для разворота внутри одномерной сдвига 2 (IDSRe2).
   8. В экстра-мерном сдвига (EDS), имеют мышей выбрать правильный отверстие после недавно представленного измерении стимула. Представьте пару стимулов с новое измерение, которое является текстуры. Например использовать грубой шкуркой (T1) в качестве правильных разрешенииПонсе и мелкой наждачной бумагой (Т2), как неправильно, и представить их с двух новых запахов, например, лимона и абрикоса (O7 и O8). Ранее соответствующий размер в настоящее время становятся неактуальными. Не представить ранее ненужную измерение больше.
   9. Для Экстра-мерном разворота (EDSRe), ​​использовать те же условия, как и в CDRe.
2. Измерение производительности мышей, пока они не достигнут критерий 8 правильных выборов из 10 последовательных испытаний для завершения каждого этапа. Установите программу (см таблицу материалов), чтобы автоматически перейти к следующей стадии после критерием будет достигнута. Стоп ежедневный сеанс после 40 мин, или, если мышь не в состоянии сделать любой ответ в течение 5 минут подряд, завершить сеанс и продолжить на следующий день с помощью мыши на той же сцене, где она была остановлена.
   1. Для каждого этапа, измерения времени, чтобы достичь критерий. Если мышь не достигает критерия в одной сессии, суммировать общее время в последовательных сессий. Длякаждое испытание, измерять время от предъявления стимулов (запахов, света, текстуры) в ответ нос совать (Задержка реагировать).
3. В конце каждой сессии, протрите аппарат с 70% алкоголя.
4. Используйте всегда один и тот же порядок дискриминации. Тем не менее, случайно изменить размеры стимулирующих и пары экземпляров, используемых и в равной степени представляют их в экспериментальных группах и уравновесить их между группами.
5. Убедитесь, что в равной степени уравновесить восприятия размеров, используемых внутри и между каждой экспериментальной группе, так что каждый можно ЭД сдвиг представлена ​​(т.е. свет запах, свет текстуры, запаха к свету, благоухание текстуры, текстуры к свету, текстура на запах) , Комбинации экземпляров слишком многочисленны, чтобы разрешить полный уравновешивания; Поэтому, чтобы уменьшить число степеней свободы, всегда используют экземпляры в парах; например, ваниль стимулом лаванды и т.д. (см таблицу 1).

5. ID Порядок / ED парадигма "Двумерная«

Примечание: Еще одно условие для измерения к вниманию набор смены способность, используются как в приматов и грызунов ^{12,17 13,} является "двумерный" парадигма. В этом случае, только два восприятия размеры используются во время испытания.

1. Для этого протокола, использовать порядок дискриминации и порядок, чтобы следовать, как описано для «застрял-в-SET 'протокола до стадии EDS (см пример на рисунке 2):
   1. Для SD и следующих этапов, не использовать те же пары в "застрял-в-набора", до IDS2Re. Как показано в примере на фиг.2, используют два запахи (O1 и O2, O1 использовать как правильный стимул).
   2. Для компакт-диска, а в протоколе "застрял-в-набора", ввести новое измерение (например, света L1 и L2), что не имеет значения, и будет служить в качестве confounder.
   3. CDRe похож, как ян протокол "застрял-в-набора", таким образом, оставить экземпляры и соответствующую единицу измерения без изменений, но есть животные, узнав, что ранее правильно стимулом теперь неверен (например, О1).
   4. В IDS, всегда использовать новые пары стимулов для обоих размеров (O3 и O4, L3 и L4, где О3 является правильным стимулом).
   5. Для IDSRe, есть мыши выполнить разворот в IDS. Выберите правильный образец, который является тот, который был неправильно во время IDS (например, О4).
   6. Для IDS2, внедрять новые пары стимулов для обоих размеров (O5 и O6, L5 и L6).
   7. Как и в предыдущих этапах разворота, в IDS2Re, есть животные, узнав, что ранее правильно стимулом теперь неверен (например, O5).
   8. Для "двумерной" протокола, СЭД, мыши должны выбрать правильный ответ после того, как ранее значения размеров теперь становится уместным измерение. Таким образом, свет новый актуальны измерение, бееч показывает правильный ответ. В частности, красный свет (L7) является правильным ответом. С другой стороны, ранее отношение размера (в примере, запах) в настоящее время является одним значения.
   9. После EDS, для разворота (EDSRe), ​​использовать одни и те же условия, как в CDRe. Соответствующий размер такой же, как в EDS но правильные и неправильные экземпляры инвертированы. Так, например, зеленый свет (L8) в настоящее время является правильным ответом.

Анализ 6. Данные

1. Измерение производительности по: количество испытаний для достижения критерия; Время достижения критерия (в минутах); Время от представления стимулов к ответ нос совать (Задержка ответить).
2. Для статистического анализа используют ANOVAs с разных этапах (SD, CD, CDRe, IDS, IDSRe, IDS2, IDSRe2, EDS, и EDSRe) как фактор в-субъект изучить ряд испытаний, необходимых для достижения критериев, сроки необходимы для завершения каждого этапа и задержки, чтобы ответить. Противканал ретроспективном анализе с помощью теста Ньюмана-Keuls. Примечание: допустимое значение для значения р <0,05.

Результаты

Рисунок 2 показывает пример задачи ID / Под ред. Пары стимулов (или "Дискриминация 1 'или' 2 различения») случайно представлены на каждом этапе, и мышь должны выбрать правильный стимул в каждой паре. В этом примере таблицы, правильный образец Сообщается, жирным шрифтом. На первом этапе (SD или просто дискриминация), стимулы, представленные в два отверстия носа мешке отличались в одном из трех измерений (например, О1: Ваниль против O2: Лаванда) и мышь вознаграждены за выбор правильного образцом (например, О1). После того, как объект достигнет критерий в этой стадии, на следующий этап (CD или соединение дискриминация) начинается, где одни и те же образцами соответствующей размерности подарил обложил наугад экземпляров секунды, но ненужную измерение, введенный в сбивающий фактор ( например, L1:. синий свет vs.L2: желтый свет). Два разных дискриминация возможны в этой стадии (eitheR 'дискриминация 1 "или" 2 различения'). На следующем этапе (CDRe или соединение дискриминация разворота), награда непредвиденные вспять, но экземпляры и соответствующая размерность остаются неизменными: мышь имеет, чтобы узнать, что ранее правильно стимулом теперь неверен (например, лаванды запах теперь вознаграждены). На следующем этапе (IDS или внутри мерного сдвига), новые экземпляры (оба запахи и огни) вводятся, но соответствующая размерности (запах в данном примере) остается тем же (например, клубника является правильный выбор). На следующем этапе (РДЭ или внутри мерного разворот), награда непредвиденные вспять. После второго внутри сдвига измерений (IDS2 и его разворота), новые экземпляры введены, чтобы проверить экстра-сдвиг измерений (EDS), в котором изменяется соответствующая измерение. В «застрял-в-набора" EDS, мышь должна сосредоточиться на новом измерении (например, текстуры, T1: грубой шкуркой против T2: прекрасный SAndpaper), в то время как ранее отношение размера (в данном случае, запах) в настоящее время является значения измерения. В 'двухмерной "EDS, ранее значения измерения (в данном случае свет) теперь соответствующее измерение. На заключительном этапе (EDSRe или экстра-мерном разворота), награда непредвиденные вспять.

Для того чтобы получить достоверные результаты, размеры стимулирующих используемые в задаче должны быть одинаково хорошо научились. Как показано на рисунке 3, визуальная, тактильная и запах дискриминация в этом нового устройства требуется одинаковое время (F _(2,64) = 0,36; р = 0,69) и аналогичное число испытаний (F _(2,64) = 0,059; р = 0.94), чтобы достичь критерий, предполагая, что животные способны выполнять простые дискриминацию вне зависимости от размера подарил.

Если надежным к вниманию набор был разработан в течение тестирования этапов задачи, рнаилучших показателей нормального мыши дикого типа должны быть беднее на стадии EDS по сравнению с предыдущими и следующими этапами, как сообщалось в предыдущих исследованиях грызунов и приматов ^12,13. В частности, надежная увеличение времени и испытаний, необходимых для достижения критериев должно быть найдено в СЭД по сравнению с стадиях IDS. Как показано на рисунке 4, в нашем эксперименте с протоколом "застрял-в-установите", анализ выполнения мышей показало, эффект дискриминации по количеству испытаний (F _(8,168) = 9.23, P <0,0001) и время ( _{F (8168)} = 8,62, р <0,0001), необходимое для достижения критериев. В самом деле, мышей, необходимые больше испытаний и больше времени, чтобы решить этап EDS по сравнению с стадиях CD, IDS, IDS2 и EDSRe (р <0,05; рис 4A-B). Аналогично, анализ производительности тестируемого с "двумерный" протокола (рисунок 5) показал значительное влияние дискриминации по количеству испытаний (F _(8,72) = 3.66; р <0,005) и время (F _(8,72) = 4,65; р <0,0005), которые необходимы для достижения критериев. В самом деле, мы показываем, что необходимые мышей больше испытаний (р <0,05) и более раз (р <0,05), чтобы решить EDS по сравнению с компакт-диска, IDS, IDS2 и EDSRe (5А-Б). Никаких различий в меняющихся возможностей не должно наблюдаться между мышами протестированы с различными размерами.

В нормальном мыши дикого типа, обучение первой разворот (т.е.., CDRe) сложнее, чем начальная дискриминации (т.е., CD). В соответствии, как видно из рис 4 и 5, мыши требуется больше испытаний (р <0,05; рис 4-5a) и больше времени (р <0,05; рис 4-5B), чтобы завершить эту стадию. Кроме того, производительность разворот должны улучшить от CDRe в IDSRe в IDS2Re, как мы покажем в нашем эксперименте с обеих «застрял-в-набора» и протоколов "двумерных". Эти ResulTS дальнейшего укрепления доказательства формирования к вниманию набор через задачи.

На протяжении задачи, мыши должны улучшить свою скорость, чтобы ответить в течение нескольких последовательных этапов. Соответственно, анализ задержки реагирования показали существенное влияние дискриминации _{(F (8200) =} 42,59, р <0,0001). В частности, как показали результаты репрезентативных на рисунке 4C задержка тыкать в стадии IDS2 уменьшается по сравнению с, что в стадии IDS, CD и SD (р <0,0005). Кроме того, задержка реагировать в увеличилась на стадии EDS по сравнению с предыдущим IDS2 и IDS2Re и последовательных этапов EDSRe (р <0,05). В соответствии с этими результатами, анализ задержки отвечать во время «двумерной» задачи также показали значительное влияние дискриминации (F _(7,63) = 9,98, р <0,0005). Как показано на рисунке 5С, задержка сделать выбор ша увеличилась за EDS по сравнению с предыдущим IDS2 и IDS2Re и последовательного EDSRe (р <0,05). Поскольку задержка в ответ был рассмотрен индекс принятия решения обработки ^18, эти результаты позволяют предположить, что мыши возникли некоторые проблемы обработки новой отличительной правило в течение ЭЦП. На основании поведенческой производительности мышей дикого типа (Рисунок 4-5), мы определили, что минимальное количество размера выборки (по анализу мощности R) для каждой экспериментальной группы должен быть 8.

Рисунок 3. Простые дискриминация света, запаха и текстуры эквивалентны. (А) Количество испытаний и (Б) время, необходимое для достижения критерия на простых дискриминации с только света, запах или текстуры раздражители. Значения представляют среднее ± SEM по всему рисунках 2-4. Ори данныхзавод е опубликованы в «The конечной внутри- и внепространственной к вниманию набор-Shifting задача для мышей» ^19.

Рисунок 4. дикого типа C57BL6J производительность самцов мышей в «застрял-в-установите" ID / ED OPERON задача. (А) испытаний, (Б) время (в минутах) и дни, необходимые для достижения критерия в различных стадиях идентификатор / ED Оперон задача, используя 'застрял-в-установите "ID / ED парадигму. (С) Время (в секундах), прошедшее между открытием делителя двери и ответ нос совать (Задержка ответить) во время различных этапов задачи. В общей сложности 26 мышей были протестированы; 4 мыши были исключены, потому что они не были надежно тыкать, чтобы получить пищевое подкрепление во время обучения или не смогли закончить еntire процедура. A: * р <0,05 по сравнению с CD, IDS, IDS2, IDS2Re и EDSRe; B: * р <0,05 по сравнению с CD, IDS2, IDS2Re и EDSRe. А и Б: #p <0,05, ## р <0,005 по сравнению с CD, IDSRe и IDS2Re. С: * р <0,05 по сравнению с IDS2, IDS2Re и EDSRe. Обратите внимание, что мыши смогли завершить всю задачу в 5-9 дней во всех экспериментах на рисунках 3-4. Данные впервые опубликована в "The конечной внутри- и внепространственной к вниманию набор-Shifting задача для мышей» ^19. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 5. Дикого типа C57BL6J производительность самцов мышей в «двумерных» ID / EDОперон задача. (A) испытания, (Б) время (в минутах) и дни, необходимые для достижения критерия в разных стадиях ID / ED Operon задачи с использованием двумерную парадигму. (С) Время (в секундах), прошедшее между открытием делителя двери и ответ нос совать (Задержка ответить) во время различных этапов задачи. В общей сложности 13 мышей были испытаны; 3 мыши были исключены, потому что они не были надежно тыкать, чтобы получить пищевое подкрепление во время обучения или не смогли закончить всю процедуру. А и Б: #p <0,05 в сравнении с CD и IDS2Re * р <0,05 по сравнению с компакт-диска, IDS, IDS2, EDSRe. С: * р <0,05 по сравнению с IDS2, IDS2Re и EDSRe. Данные впервые опубликована в "The конечной внутри- и внепространственной к вниманию набор-Shifting задача для мышей» ^19. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобыпросмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 6. Хронология всей процедуры протокола, чтобы проверить ID / ED задачу.

стадия	Описание	Дополнительные замечания	Рекомендации
Простой Дискриминация (SD)
Соединение Дискриминация (CD)	Стимулы различаются в двух измерениях восприятия, такие как цвет и форма для зрительных стимулов в человеческом задачи, или между текстурными и запах стимулов для грызунов
Восстановление обучения (CDRe - IDSRe - IDS2Re - EDSRe)	Два образцомс в пределах восприятия размера у их армирование условные повернут так, что то, что было ранее правильно, то неправильно это, и наоборот)	В серийное обучения разворота, повышает производительность с последовательными в пределах съемочной разворотов. Таким образом, этапы разворота (т.е.., CDRe, IDSRe, IDS2Re) не только оценить функцию различных областей коры, но и служить 1) с образованием когнитивно к вниманию набор оспорены стадии EDS, и 2) для предотвращения суеверный кондиционирования для непреднамеренное аспекты стимула	- Поражения орбитофронтальную коры у мышей (Bissonette др., 2008) и monkyes обесценения Восстановление обучения (Диас и др., 1996) - МРТ во время выступления на обучение разворота показали активацию орбитофронтальную коры (Хэмпшир и Оуэн, 2006)
Intradimensional сдвига (IDS - IDS2)	Новые экземпляры введены, но то же самое измерение усиливается	IDS этапы сЭрве в качестве важнейшего внутреннего контроля (т.е.., EDS должен быть сложнее, чем IDS), а также внести свой ​​вклад, чтобы сформировать когнитивно-к вниманию набор	Допамин истощение в ПФУ обесценения образование к вниманию набор (Роббинс и Робертс, 2007). 6-OHDA повреждениями обезьяны не показать классическую сокращение сокращение ошибок с первого (idS1) до последнего (IDS5) дискриминации, которые должны отражать приобретение в наборе к вниманию
Внепространственной сдвиг (EDS)	"застрял-в-установите" Протокол: ранее размер не имеет значения стимула заменен новое измерение стимулов, которые сразу же становится актуальным	Неспособность перейти к новой соответствующей размерности, не могут быть отнесены к какой-либо предварительной Узнав об этом измерении, так как он ранее не испытывал. Отказ, следовательно, отражает персеверации к ранее соответствующей размерности	- Поражения от гепатита mPFCе было показать ухудшить EDS у мышей (Bissonette и др., 2008), и mokeys (Диас и др., 1996) - Фронтальные пациентов лепестков обесценились в застрял-в-набора "персеверации" состоянии, но не в «два измерения» состоянии (. Оуэн и др, 1993) - Допамин в mPFC модулируется EDS производительность у мышей (Papaleo др., 2008;. Scheggia др 2014) и крыс (Танбридж др., 2004)
	Протокол 'двух измерениях »: ранее значения измерение усиливается	очевидный провал переложить к вниманию набор может возникнуть, когда субъект способен отвлечь внимание от ранее соответствующей размерности (когда она становится не имеет значения), но, тем не менее, не в состоянии переориентировать внимание на недавно соответствующего размера	- Поражение в mPFC у крыс (Birrell и Браун, 2000) нарушена EDS сдвиг - МРТ во время выступления на EDS было показано активации вентро-боковая PFC (Гемпшире и Оуэн, 2006 г.)60;

Таблица 2: Этапы ID / ED О Перон задача Описание этапов задачи, в том числе ссылок на поражения и фармакологических исследований, рассматривающих роль областях мозга, участвующих в различных конструкций проверенных в ходе задачи..

Обсуждение

В этом исследовании мы представляем новый автоматизированный двухпалатный ID / ED "оперона" задачу мышей, которые способны надежно измерить когнитивные гибкость благодаря разворотной обучения, формирования к вниманию множеств и передач. Эта парадигма аналогична WCST и ID / ED задач, обычно используемых в человека и приматов и преодолевает основные ограничения предыдущих версий для грызунов. Эта парадигма Оперон может быть использован в качестве нового эффективного инструмента для большого препарата и / или генетических скринингов соответствующих когнитивных (дис) функции у мышей с высокой отношение к трансляционной медицины.

Эта автоматизированная задача имеют следующие преимущества по сравнению с ранее используемой ID / ED задачи для грызунов: (1) она имеет меньше процедур трудоемких, чем ручной версии (например, программное обеспечение регулирует все этапы задачи, значительно уменьшая Интервенции. экспериментатор); (2) исключает источник субъективности в измеряемом парамеметры (например, экспериментатор не требуется, чтобы судить, является ли животное на самом деле сделал выбор ответа); (3) оно исключает возможность, что у мышей может последовать армирующие связанных сигналы для того, чтобы сделать ответ (то есть, награда всегда автоматически доставлены в центральной журнала); (4) это позволяет избежать произвольных условий окружающей среды (например, использование лабиринтов и аппаратуры различных размеров / материалов, использование подготовленных вручную реплика стимулов); (5) он позволяет манипулировать различными размерами три с большим диапазоном различных стимулов, в соответствии с эквивалентным человека задач, используемых в клинической практике. Здесь мы представляем только данные от мышей, но подобные преимущества можно ожидать и для крыс.

Есть критические шаги в задаче, которые внутренние параметры конструкция недействительности, которые могут быть использованы для того, чтобы определить areliable к вниманию набор смены производительность: я) беднее производительности в COMPAR EDSред предыдущих этапах II) общего улучшения от IDS до IDS2; III) конкретного улучшение последовательных этапов разворота, а тем более животное обучается в течение посаженными развороты, тем лучше она должна выполнять на последующее течение съемочной Восстановление ^20; IV) более высокую производительность в EDSRe по сравнению с ЭЦП. Этот роман ID / ED оперон задача представляет все эти функции, в соответствии с предыдущими исследованиями, у приматов с помощью CANTAB ID / ED задачу и грызунов с использованием ручного "копания" версию ^12,13. Кроме того, каждый этап этой задачи автоматизированной стало известно, в эквивалентном количестве испытаний независимо от соответствующего размера / нерелевантной используемого (т.е., запах, текстура и свет) ^19. Это показывает, что все используемые раздражители имеют аналогичную выпукло и пригодны для установки к вниманию пласта и / или смещения. Наши эксперименты показывают, что трудности в решении EDS также особо увеличения задержки отклика. Время обработкиувеличивается для поддержания оптимальной точности при твердых дискриминации ^21. Таким образом, учитывая ожидания реагировать как показатель скорости обработки информации, принятия решений и решения проблем ^18, более медленные задержки во время EDS, возможно, отражает стратегию, принятую к лицу трудности в решении поставленной передач.

Мы показали, что наша новое устройство может быть эффективно использован с более «классический» к вниманию набор смены парадигмы использования только два измерения на протяжении всего испытания (т.е. двумерный) или с застрял-в-набор парадигмы, подразумевая использование трех измерений. В зависимости от когнитивной области интереса, можно выбрать наиболее подходящую протокол. Оба этих парадигм ранее использовались в людях, приматов и грызунов ^7,12-17. Тем не менее, застрял-в-установите порядок способен различать между различными компонентами установки смещения и утраРуды избирательное меру фронтальной доли функционирования в человеческих пациентов ^7,22. Кроме того, одна проблема, которая может возникнуть в двумерном парадигмы ученые неуместность, что может исказить результаты. Узнал неуместность персеверация относится к неспособности присутствовать на и узнать о информации, которая была ранее значения ^7. Такая ситуация может возникнуть в фазе EDS в двумерном парадигмы, как субъект обязан перенести внимание на ранее неактуальной измерении. В этом случае, в принципе невозможно различить ли дефицит EDS обусловлено невозможностью отвлечь внимание от ранее соответствующего размера и / или невозможности теперь переход внимание на ранее нерелевантной измерении. Обесценение может потом просто отражают активное торможение, отвечая на измерении ранее из значения его случайной ассоциации с армированием обратной связи. В противоположность этому, в застрял-в-Con установленусловие, отказ перейти к новой соответствующей размерности, не могут быть отнесены к какой-либо предварительной Узнав об этом измерении, так как он не был ранее испытывали. Отказ, следовательно, отражает персеверации к ранее соответствующей размерности. В заключение, даже если в нормальных мышей дикого типа "застрял-в-установите" и "двумерная" к вниманию набор смены парадигмы может производить аналогичные результаты, мы однозначно предпочитают застрял-в-установите персеверации по причинам, рассмотренным выше.

Материалы

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