Operant protokoller for å vurdere kost-nytte analyse under forsterket beslutningsprosesser av gnagere
Summary
En kost-nytte analyse er en veiing skala tilnærming som hjernen utfører i løpet av beslutningsprosesser. Her foreslår vi en protokoll for å trene rotter på en operant-baserte beslutninger paradigme der rotter velge høyere gevinster på bekostning av venter 15 s motta dem.
Abstract
Forsterkning-guidede beslutningsprosesser er muligheten til å velge mellom konkurrerende kurs av handlingen basert på den relative verdien av fordelene og deres konsekvenser. Denne prosessen er integrert i normal menneskelig atferd, og har vist seg å være forstyrret av nevrologiske og psykiske lidelser som avhengighet, schizofreni og depresjon. Red har lenge vært brukt å avdekke nevrobiologi av menneskelig kognisjon. Dette har blitt utviklet flere atferdsmessige aktiviteter; men de fleste er ikke-automatiske og arbeidskrevende. Den siste utviklingen av åpen kildekode microcontroller har aktivert forskere til å automatisere operant oppgaver for å vurdere en rekke kognitive oppgaver, standardisering stimulans presentasjonen, forbedre data innspillingen og dermed forbedre forskningspublikasjoner. Her beskriver vi en automatisert forsinkelse baserte forsterkning-guidede beslutningstaking oppgave, bruker en operant T-maze kontrollert av tilpasset skrevet programvare. Bruker oppgavene beslutningstaking, viser vi endringene i lokale feltet potensielle aktiviteter i anterior cingulate cortex av rotte mens den utfører en forsinkelse baserte kostnader og nytte beslutningstaking.
Introduction
Beslutningstaking er prosessen med å gjenkjenne og velge valg basert på verdier og preferansene til beslutningstaker og konsekvensene av den valgte handling1. Selv om beslutningsprosesser har vært grundig studert i ulike felt (dvs., økonomi, psykologi og nevrovitenskap), neural mekanismene bak slike kognitive evner ikke er ennå fullt ut forstått. To underkategorier av beslutningsprosesser er perseptuell beslutningsprosesser og forsterkning-guidede beslutningsprosesser. Selv om de innlemme betydelig overlappende elementer og konsepter, Perseptuell beslutningsprosesser er avhengig av tilgjengelig sensoriske informasjonen1,2, mens forsterkning-guidede beslutninger omhandler den relative verdien handlinger fått over en bestemt tidsskalaen3. Et viktig aspekt ved forsterket beslutningsprosesser er kost-nytte analysen utføres intuitivt av hjernen av databehandling fordelene gitt valg og trekke de tilhørende kostnadene av hver alternativ1.
T-maze (eller variant Y-labyrint) er en av de mest brukte labyrinter i kognitiv eksperimenter ved hjelp av gnagere. Dyr er plassert i starten armen (base t) og lov til å velge målet armen (en av side armene). Oppgaver som en tvungen veksling eller venstre-høyre diskriminering brukes hovedsakelig med Red i T-maze for å teste referanse og arbeider minne4. T-labyrinter er også mye brukt i beslutningsprosessen eksperimenter5,6,7. I enkleste design, er belønningen plassert i ett mål arm. Valget er forutsigbar, og dyr ville sikkert foretrekker belønning i stedet for ingenting, uavhengig av belønning verdien. Et annet alternativ er å plassere belønninger i begge mål armene og la dyr gjøre et utvalg av hvilken vei å ta avhengig av flere parametere (dvs., naturlig preferanse for dyret, forskjellen i belønning, og kostnadene skal betales). I verdi-basert design, er oppgaven mer komplisert ved veiing skala egenskaper. På denne måten får et dyr annerledes verdsatt belønninger ved å velge mellom de to alternativene og mellom kostnadene ved handlinger [dvs., mengden venter (forsinkelse-basert) eller mengden innsats (innsats-basert) for å motta belønninger] hver bidrar til valget som er gjort5,6.
I tradisjonell forsinkelse baserte T-maze beslutningsprosesser, dyr er opplært til å velge høy lønn armen (HRA) og unngå motsatt lav belønning arm (LRA). Sidene av HRA og LRA uforandret gjennom hele eksperimentet. Selv om oppgaven beskrevet ovenfor har vært godt dokumentert i litteraturen, lider den av flere fremgangsmåter for ulemper. Først ved å ha en fast mål arm, vet dyret som arm for å velge fra begynnelsen av hvert forsøk. I dette scenariet kan dyr velge mål arm basert på deres minne i stedet for beslutningstaking. Derfor i en forsinkelse baserte beslutninger paradigme kan hvis et dyr velger lav belønning på grunn av studien intervensjon, det ikke klart om dette skyldes tap av minne eller studie intervensjon. En hukommelse kontrollgruppe å skille observert virkemåten minne problemet bli vurdert, men dette byrder forskere og dyr likt på grunn av det ekstra arbeid7. En andre bekymring er øyeblikk av beslutningsprosesser av dyret: når dyr når sonen beslutning (alle tre armene krysset), de vanligvis ser til venstre og til høyre, veier kostnader og fordeler når det gjelder hver arm, og deretter gjør sine vedtak. Men etter noen forsøk, de utfører slike en beregning før ankomst til sonen beslutning og bare går direkte til belønning armen. Som et resultat, disse to ulemper-en pre bias til en arm og finne øyeblikk av beslutningsprosesser – både svært avbryte tolkning av elektrofysiologiske og neuroimaging data.
I metoden beskrevet i dette dokumentet, foretrukne armen (HRA) er cued av en auditory stikkordet og kan variere fra prøveversjon til rettssaken. Dyr starte forsøk ved å angi sonen test (figur 1) og utløse auditiv bunken av “nese-poking” en infrarød port som er plassert i krysset av de tre armene. Lydsignalet (20 dB, mellom 500 og 1000 ms) spilles fra en høyttaler på slutten av målet armen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Red har lenge vært brukt i neuroscientific studier som omhandler forskjellige emner, fra kognitive evner som læring og hukommelse2,14 og forsterket atferd7,15,16 til en sentral kontroll av organer17,18 og neuropharmacology19,20. Den foreslåtte protokol…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskningen ble støttet av RMH nevrovitenskap Foundation, Australia; den australske hjernen Foundation; RACP Thyne Reid fellesskap, Australia; og av et prosjekt fra kognitiv vitenskap og teknologi råd, Iran til Abbas Haghparast.
Materials
| T-maze | Self made | ||
| Dustless Precision Sugar Pellets | TSE Systems Intl. Group | F0023 | 45 mg, Sucrose |
| Ketamine Hydrochloride Injection, USP | Sigma-Aldrich | 6740-87-0 | |
| Xylazine | Sigma-Aldrich | 7361-61-7 | |
| stereotaxic device | Stoelting | ||
| Isofluran | Santa Cruz Biotechnology | sc-363629Rx | |
| PFA-coated stainless-steel wires | A-M systems | ||
| acrylic cement | Vertex, MA, USA | ||
| (wooden or PVC (polyvinyl chloride)-made) | local suppliers | ||
| Mini-Fit Power Connector | Molex | 15243048 | |
| ethannol 70% | Local suppliers | ||
| buprenorphine | diamondback drugs | ||
| Arduino UNO | Arduino | https://www.arduino.cc/ | |
| Infrared emitting diode | Sharp | GL480E00000F | http://www.sharp-world.com/ |
| Chronux Toolbox | Chronux.org | ||
| Arduino codes | https://github.com/dechuans/arduino-maze |
References
- Gold, J. I., Shadlen, M. N. The neural basis of decision making. Annual Review of Neuroscience. 30, 535-574 (2007).
- Shi, Z., Müller, H. J. Multisensory perception and action: development, decision-making, and neural mechanisms. Frontiers in Integrative Neuroscience. 7, 81 (2013).
- Sutton, R. S., Barto, A. G. . Reinforcement Learning: An Introduction. 1, (1998).
- Khani, A., Rainer, G. Neural and neurochemical basis of reinforcement-guided decision making. Journal of Neurophysiology. 116, 724-741 (2016).
- Fatahi, Z., Haghparast, A., Khani, A., Kermani, M. Functional connectivity between anterior cingulate cortex and orbitofrontal cortex during value-based decision making. Neurobiology of Learning and Memory. 147, 74-78 (2018).
- Khani, A., et al. Activation of cannabinoid system in anterior cingulate cortex and orbitofrontal cortex modulates cost-benefit decision making. Psychopharmacology. 232, 2097-2112 (2015).
- Rudebeck, P. H., Walton, M. E., Smyth, A. N., Bannerman, D. M., Rushworth, M. F. Separate neural pathways process different decision costs. Nature Neuroscience. 9, 1161-1168 (2006).
- Gage, G. J., et al. Surgical implantation of chronic neural electrodes for recording single unit activity and electrocorticographic signals. Journal of Visualized Experiments. (60), e3565 (2012).
- Paxinos, G., Watson, C. . The Rat Brain in Stereotaxic Coordinates. , (1998).
- Bokil, H., Andrews, P., Kulkarni, J. E., Mehta, S., Mitra, P. P. Chronux: a platform for analyzing neural signals. Journal of Neuroscience Methods. 192, 146-151 (2010).
- Cohen, M. X. . Analyzing Neural Time Series Data: Theory and Practice. , (2014).
- Luk, C. -. H., Wallis, J. D. Choice coding in frontal cortex during stimulus-guided or action-guided decision-making. Journal of Neuroscience. 33, 1864-1871 (2013).
- Rudebeck, P. H., et al. Frontal cortex subregions play distinct roles in choices between actions and stimuli. Journal of Neuroscience. 28, 13775-13785 (2008).
- Goshadrou, F., Kermani, M., Ronaghi, A., Sajjadi, S. The effect of ghrelin on MK-801 induced memory impairment in rats. Peptides. 44, 60-65 (2013).
- Haghparast, A., et al. Intrahippocampal administration of D2 but not D1 dopamine receptor antagonist suppresses the expression of conditioned place preference induced by morphine in the ventral tegmental area. Neuroscience Letters. 541, 138-143 (2013).
- Esmaeili, M. -. H., Kermani, M., Parvishan, A., Haghparast, A. Role of D1/D2 dopamine receptors in the CA1 region of the rat hippocampus in the rewarding effects of morphine administered into the ventral tegmental area. Behavioural Brain Research. 231, 111-115 (2012).
- Chaleek, N., Kermani, M., Eliassi, A., Haghparast, A. Effects of orexin and glucose microinjected into the hypothalamic paraventricular nucleus on gastric acid secretion in conscious rats. Neurogastroenterology & Motility. 24, e94-e102 (2012).
- Kermani, M., Eliassi, A. Gastric acid secretion induced by paraventricular nucleus microinjection of orexin A is mediated through activation of neuropeptide Yergic system. Neurosciences. 226, 81-88 (2012).
- Kermani, M., Azizi, P., Haghparast, A. The role of nitric oxide in the effects of cumin (Cuminum Cyminum L.) fruit essential oil on the acquisition of morphine-induced conditioned place preference in adult male mice. Chinese Journal of Integrative Medicine. , 1-6 (2012).
- Ahmadi, A., et al. Synthesis and antinociceptive behaviors of new methyl and hydroxyl derivatives of phencyclidine. Current Medicinal Chemistry. 19, 763-769 (2012).
