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.
تتكون المهام التنفيذية من العمليات المعرفية على مستوى عال متعددة التي تدفع الجيل حكم واختيار السلوكية. خاصية الناشئة من هذه العمليات هي القدرة على ضبط السلوك في استجابة للتغيرات في بيئة واحدة (أي المرونة والسلوكية). هذه العمليات ضرورية لسلوك الإنسان العادي، ويمكن أن تتعطل في ظروف نفسية وعصبية متنوعة، بما في ذلك الفصام وإدمان الكحول والاكتئاب والسكتة الدماغية، ومرض الزهايمر. فهم بيولوجيا الأعصاب من الوظائف التنفيذية قد تقدمت بشكل كبير من قبل توافر المهام الحيوان لتقييم مكونات منفصلة من المرونة السلوكية، وخاصة التحول استراتيجية والتعلم انعكاس. بينما عدة أنواع من المهام قد وضعت معظمها غير الآلي، وعمالة كثيفة، والسماح اختبار حيوان واحد فقط في كل مرة. التطورات الأخيرة في والمهام على أساس استثابي الآلي لتقييم المرونة السلوكية يبسط قسم التدريب والامتحاناتتينغ، توحد عرض الحوافز وتسجيل البيانات، ويحسن بشكل كبير الإنتاجية. هنا، نحن تصف الآلي تحول استراتيجية والمهام انعكاس، وذلك باستخدام غرف استثابي التي تسيطر عليها برامج مخصصة مكتوب. باستخدام هذه المهام، لقد أظهرنا أن قشرة الفص الجبهي وسطي تحكم تحول استراتيجية ولكن ليس عكس التعلم في الفئران، على غرار التفكك التي لوحظت في البشر. وعلاوة على ذلك، والحيوانات مع آفة قرن آمون حديثي الولادة، وهذا نموذج النمو العصبي الفصام، يتم تخفيض قيمة انتقائي على المهمة تحول استراتيجية ولكن ليس من مهمة انعكاس. مهمة استراتيجية التحول كما يسمح بتحديد أنواع منفصلة من أخطاء الأداء، كل منها أن ينسب إلى ركائز العصبية متميزة. توافر هذه المهام الآلي، والأدلة المؤيدة للمساهمات غير إجتماعي المناطق الفص الجبهي منفصلة، ويجعل لهم فحوصات ولا سيما جيدا مناسبة للتحقيق في العمليات العصبية الحيوية الأساسية وكذلك الدكتوراكتشاف ميكروغرام والفرز في نماذج المرض.
ويشار إلى العمليات المعرفية رفيعة المستوى بما في ذلك توليد الحكم، واختيار السلوكية، وتقييم استراتيجية مجتمعة ب "وظيفة تنفيذية" أو "المرونة السلوكية 1." مثل هذه العمليات ذات أهمية حاسمة لالوظيفة الإدراكية العادية، ويمكن أن تضعف في مثل هذه الاضطرابات متنوعة مثل الفصام وإدمان الكحول والاكتئاب والسكتة الدماغية، ومرض الزهايمر 2-7. وتوسط في تنظيم العمليات وظيفة تنفيذية في المقام الأول من قبل مناطق في القشرة الأمامية، بما في ذلك قشرة الفص الجبهي الظهرية الوحشية والقشرة الأمامية المدارية في البشر 8-10.
تطوير المهام لتقييم الوظيفة التنفيذية و / أو المرونة السلوكية في الحيوانات غير البشرية، وخاصة القوارض، وقد تقدمت كثيرا في فهم بيولوجيا الأعصاب من الإدراك 11-14. جعلت هذه المهام من الممكن قياس حدة مكونات متميزة من المرونة السلوكية، بما في ذلكتحول استراتيجية والتعلم انعكاس. يشير استراتيجية التحول إلى القدرة على قمع بنشاط استراتيجية استجابة تعلمت سابقا حين الحصول على وضع استراتيجية جديدة المتنافسة، ولا سيما عبر أبعاد التحفيز (التحول extradimensional) – على سبيل المثال، والتحول من إجراء تمييز على بصريا (الأحمر مقابل الأخضر، حيث الأحمر هو "الصحيحة" واللمس المحفزات ليست ذات صلة) لإجراء التمييز عن طريق اللمس (سلس مقابل الخام، حيث نحو سلس هو "الصحيح" والمحفزات البصرية الآن غير ذي صلة). من جهة أخرى، ينطوي على التعلم انعكاس أيضا تغييرا في الاستراتيجية ردا على ذلك، ولكن ضمن نفس البعد التحفيز – على سبيل المثال، في "حمراء مقابل الأخضر" سبيل المثال، إذا كان الأحمر الصحيح سابقا، عكس ستأمر بأن اللون الأخضر هو الصحيح الآن، بينما المنبهات اللمسية ستبقى غير ذي صلة.
وقد وضعت عدة مهام للتحقيق المرونة السلوكية في القوارض. للأماه عبرمهمة تتطلب زي حيوان لمعرفة أولا إما الحكم القائم على الاتجاه (على سبيل المثال، "تتحول دائما على حق") أو قاعدة تستند البصرية (على سبيل المثال، "تتحول دائما نحو جديلة البصرية") لمعيار معين من الأداء. ثم، هناك حاجة الحيوان إلى التحول بشكل غير متوقع إما عبر طريقة لحكم المعاكس (تحول استراتيجية، وأشار في الأصل على أنها "تحول nonreversal" 15) أو التحول داخل طريقة للطوارئ المعاكس (التعلم انعكاس) 13،14،16. مثل هذه المهام حساسة للاضطرابات في الشبكات القشرية وتحت القشرية، التي تنطوي على قشرة الفص الجبهي، المهاد، والمخطط 1،13،14،16-18. نوع آخر من الإنتباه المهام تحويل مجموعة (يشار إليها أحيانا على أنها مهمة الحفر) يتطلب الحيوانات التدريب على التمييز بين حاويتين التي تختلف على طول اثنين أو ثلاثة أبعاد التحفيز (حفر وسائل الإعلام، ورائحة، و / أو الملمس الخارجي). وعلى غرار-متاهة عبرالمهمة، ثم يتم المطلوبة الحيوانات إلى التحول إما عبر أبعاد (التحول استراتيجية) أو ضمن نفس البعد (التعلم الانعكاس)، وهذه المهام حساسة على غرار التلاعب القشرة الأمامية 11،19. ميزة هذه المهمة هي أنه خلال التحول من خارج الأبعاد الاستراتيجية، يتم عرض الفئران مع مجموعات جديدة من المحفزات (النماذج)، والذي يضمن أن ضعف الأداء خلال هذه المرحلة من المرجح تعزى إلى اضطرابات في القدرة على تحويل مجموعة الإنتباه إلى جوانب مختلفة من المحفزات المجمع، بدلا من ضعف القدرة على وقف تقترب من التحفيز محددة مرتبطة سابقا مع مكافأة. ومع ذلك، هذه الميزة أيضا يجعل الأمر أكثر صعوبة للتأكد من طبيعة معينة من العجز خلال تحول مجموعة.
على الرغم من أن المهام المذكورة أعلاه قد تم توثيقها جيدا في الأدب، وكلاهما يعاني من عدد من العيوب الإجرائية، في المقام الأول طول الوقت الذي يستغرقه لاختبار الحيوانات. في كلمهمة عبر متاهة ومهمة الحفر، ويمكن اختبار حيوان واحد فقط في كل مرة. علاوة على ذلك، يجب أن تدار اختبار في الوقت الحقيقي من قبل المجرب مخصص، وقد يستغرق فترة تصل إلى عدة ساعة يوميا لكل حيوان. وبالإضافة إلى ذلك، عرض المحفزات وتسجيل الاستجابات السلوكية في كلا النوعين من المهام يتم التحكم يدويا من قبل المجرب، وبالتالي فهي عرضة للخطأ البشري والتفسير الذاتي.
هنا، نحن تصف أسلوب مؤتمت لتقييم استراتيجية التحول وانعكاس التعلم في الفئران، وذلك باستخدام الإجراءات استثابي التي تسهل السيطرة التحفيز وعرض البيانات، ويحسن بشكل كبير من معدل جمع البيانات والإنتاجية 20،21. الطرق المستخدمة لتشكيل وتم وصفها الفئران القطار، وكذلك مكونات مهمة نفسها وتحليل البيانات الناتجة عن ذلك. لقد وجدنا أن مثل عبر متاهة وحفر المهام، هذه المهام الآلي حساسة للاضطرابات في الفص الجبهيوالدوائر تحت القشرية، وكذلك إلى التلاعب النمو العصبي أن النماذج الفصام 20-23.
تطوير المهام السلوكية لقياس العليا البنى المعرفية في القوارض ضرورية لدفع عجلة المعرفة للبيولوجيا الأعصاب من الإدراك. مع المهام التي شيدت بشكل جيد والتحقق من صحتها والقوارض يمكن تقييم على المهام من التعقيد تنافس تلك من الرئيسيات أو حتى البشر. نحن هنا أظهرت كيف جانبين من جوانب وظيفة تنفيذية، تحول استراتيجية والتعلم انعكاس، يمكن التحقيق في القوارض باستخدام تقنيات استثابي الآلي. باستخدام هذه المهام الآلي، ونحن قد منسوخة النتائج السابقة في عبر متاهة والمهام حفر بشأن ركائز العصبية للمجموعة-التحول وانعكاس التعلم 11،13،18-21،27،29، مما يشير إلى أن المهام استثابي هي تقديرات صحيحة لهذه يبني.
هذه المهام الآلي لديها عدد من الفوائد والمزايا على المهام الحالية غير الآلي عبر متاهة والحفر. الأكثر إلحاحا هو معدل أعلى من جمع البيانات في النسخة هواء فعال الآلي. كلالتدريب أو الاختبار اليوم يأخذ دقائق فقط 30-60، وهي التي تتطلب الحد الأدنى من الإشراف من قبل المجرب الكمبيوتر التي تسيطر عليها بشكل كامل. وعلاوة على ذلك، يمكن اختبار العديد من الحيوانات في وقت واحد مع غرفة متعددة-الإعداد استثابي. كل سلسلة المهمة، من تشكيل لاختبار النهائي، يمكن أن تكتمل في حوالي 2-3 أسابيع. وثمة ميزة أخرى مهمة من المهام الآلي هي مراقبة دقيقة من عرض الحوافز، مما يقلل من احتمال الخطأ المجرب. على سبيل المثال، عشوائية ترتيب العرض من موقع جديلة على كل محاكمة والتي تسيطر عليها الكمبيوتر، بدلا من مجرب استشارة محاكمة من قبل المحاكمة القائمة يدويا. يتم قياس التوقيت بين التجارب بدقة ومتسقة، وليس مرتبك من الوقت الذي يستغرقه مجرب ل، على سبيل المثال، وإزالة الفئران من-متاهة عبر أو إعادة ترتيب الحاويات الحفر. تسليم التعزيز هو تلقائي وغير خاضع لالمجرب خطأ (على سبيل المثال، متناسين أن الطعمالذراع الصحيح ل-متاهة عبر). تم تحسين جمع البيانات على نحو مماثل، مع تسجيل التلقائي لأنماط استجابة بما في ذلك قياس الإختفاء استجابة بالضبط. في حالة عدم وجود تشوهات السيارات الأخرى، والتغيرات في الإختفاء استجابة يمكن استخدامها لاستنتاج الأدلة على تغييرها سرعة المعالجة و / أو للحكم على مستوى التعقيد المعرفي للمهمة 21،22.
المهام الآلي أيضا الاحتفاظ ميزة واحدة مهمة من المهام عبر متاهة: القدرة على إجراء تحليل مفصل لأنواع الأخطاء التي على التحول أو عكس اليوم. يمكن التمييز بين أخطاء تحويل مجموعة التي تحاكي في اليوم السابق للاستراتيجية (مواظب أو أخطاء الرجعية) والأخطاء التي تمثل سابقا استراتيجيات مجربة (أخطاء عززت أبدا) مساعدة في تشخيص العجز محددة في المرونة السلوكية. على وجه الخصوص، أخطاء مواظب التي تحدث في اختبار مبكر تعكس عدم قدرة الحيوان على التخلي عن الحادي السابقrategy، بينما التي تحدث في وقت لاحق تعكس أخطاء رجعية عدم قدرة الحيوان للحفاظ على استراتيجية جديدة بمجرد توقف الاجتهاد 20. قد يشير أخطاء عززت أبدا الفشل في الحصول على استراتيجية جديدة، أو عدم القدرة على الاستجابة بشكل منتظم وفقا لأحكام المادة 20. النتائج السابقة 16،17،20 يدل قواعد تشريحي عصبي غير إجتماعي من هذه الأنواع من الأخطاء هي أيضا قيمة في تفسير نتائج هذه المهام.
وقد وضعت إجراءات لدينا والأمثل للاستخدام مع الفئران. يقال هذا، وقد استخدمت مجموعات أخرى إجراءات مماثلة لاختبار التحول المنصوص-قدراتهم في الفئران 31. ومع ذلك، تحتاج بعض التعديلات لاستخدامها مع الفئران لاستيعاب الاختلافات بين الأنواع. وتشمل هذه أطول عرض ضوء جديلة البصرية مسبق للتمديد ذراع، والتدريب على مدى أيام متعددة باستخدام 30 محاكمات / يوم وإدراج عقوبة المهلة بعد اختيارات صحيحة. AlthouGH هذه التعديلات تجعل هذا الاختبار أقل قابلية للاستخدام مع التحديات الدوائية، ويمكن أن تكون مفيدة لتقييم المرونة الإدراكية لدى الفئران المعدلة وراثيا (على الرغم من أنه من غير الواضح ما إذا كانت هذه التعديلات من شأنه الحفاظ على حساسية القشرة الأمامية المهمة).
بالطبع، هناك أيضا قيود على هذه المهام. بعض من هذه القيود تنشأ من طبيعة الآلية المهمة، في حين أن آخرين ترتبط المعلمات المهمة نفسها. وفيما يتعلق الأخيرة، والمهام تحويل مجموعة الموصوفة هنا (وكذلك عبر متاهة التحول المنصوص-المهمة 26) الاستفادة من مجموعة محدودة من المحفزات والاستجابات. وخلافا للمهمة حفر، والتي النماذج الجديدة (على سبيل المثال، الروائح غير مألوفة أو حفر وسائل الإعلام) يمكن استخدامها لبناء مجموعات الإنتباه جديدة في كل مرحلة 11،19، والمهام تحويل مجموعة استثابي يتطلب بالضرورة اختيار بين اثنين من المنبهات التي هي مألوفة ل الحيوان – إما مقابل تركالصحيح ضوء جديلة، أو اليسار مقابل الموقف الصحيح. وهذا يعني أن استثابي وعبر متاهة-تحويل مجموعة المهام تشمل الصراع استجابة وكذلك تحول استراتيجية، على الرغم من أن مفهوم التحول استراتيجية واحدة لذلك، البعد التحفيز غير ذي صلة سابقا الجديد هو الحفاظ 20،23. وعلى صعيد متصل، مجموعة-التحول وانعكاس المهام استثابي كما هو موضح هنا لا تسمح بعدا التحفيز الثالث، كما هو الحال في مهمة الحفر والتي قد تشمل حفر وسائل الإعلام، ورائحة، والملمس 11،19. ومع ذلك، فإننا لا نعتبر هذا خطأ فادح، لأن المهام تحويل مجموعة استثابي لا يزال يحتاج الحيوان إلى قمع الاستراتيجية ذات الصلة التمييز سابقا وحضور لالبعد التحفيز تجاهلها سابقا. بالإضافة إلى ذلك، يبدو المتصور أن التعديلات على المعدات ومهمة المعلمات أن تدعم إضافة بعد التحفيز ثالث، مثل الاشارات السمعية أو رائحة، على الرغم من أن هذه الإضافات من المرجح أن تجعل التعلم أكثر صعوبة وأقل AMEnable لاختبارات الدوائية في يوم واحد.
وأخيرا، وجود قيود المحتمل لأية مهمة القائم على استثابي هو فقدان معلومات مباشرة حول سلوك الفئران – أي المجرب لم يعد يراقب الفئران. ونحن نرى أن مزايا في الموضوعية وجمع البيانات السرعة التي يمنحها أتمتة أكثر من تعويض عن هذه الخسارة، وشنت الكاميرات في غرف استثابي هي طريقة سهلة نسبيا لاستعادة الوصول البصرية الفردية اذا شئت.
وهناك عدد من الخطوات التي يمكن اتخاذها لتحقيق أقصى قدر من النجاح باستخدام هذه المهام استثابي. أولا، على أهمية التعامل مع الحيوانات قبل أن يبدأ التدريب لا يمكن المبالغة. كما هو الحال مع أي مهمة السلوكية والحيوانات التعامل معها بشكل جيد، هي أسهل للعمل مع، هي أقل شددت، وتميل إلى إنتاج بيانات أقل المتغيرة. ثانيا، قد تكون بعض الاختبار التجريبي ضروري لتحديد أفضل وقت من اليوم لإجراء الاختبار؛ ونحن اختبار خلال دورة الخفيفة، وتجد أن الاداءم هو الأمثل عندما يتم اختبار الحيوانات قرب نهاية هذه الدورة (على سبيل المثال، حوالي 16:00 لدورة الخفيفة تنتهي في الساعة 7:00 مساء). ينبغي أن تؤخذ الثالثة والرعاية للتأكد من أن أداء مستقر ينشأ في كل مرحلة قبل التدرب قبل حيوان متقدمة إلى الخطوة التالية. على سبيل المثال، أداء ثابت وقوي في مرحلة التدريب ذراع قابل للسحب هو مؤشرا ممتازا على أداء بارعا على "مجموعة" مهمة التمييز. وفيما يتعلق المعدات، وعلى الرغم من ومؤتمتة جميع الخطوات، لا يزال تدخل مجرب ضروري للتأكد من أن جميع المكونات هي من أجل العمل. على سبيل المثال، يجب تشغيل الاختيار المعدات يوميا (أو أكثر من مرة في اليوم، إذا كان يتم اختبار عدد كبير من الحيوانات) لضمان أن كل الأضواء، والعتلات، ونظم تقديم مكافأة جاهزة للعمل. على وجه الخصوص، يمكن أن الأعطال في نظم تقديم مكافأة (خاصة موزعات بيليه) يؤثر بشكل كبير على الأداء. عدد عالية بشكل غير عادي من السهو علىيوم معين قد تشير إلى مشكلة مع المعدات تسليم مكافأة، وبالتالي يجب أن يتم التحقق إخراج البيانات كل يوم من قبل المجرب دراية المهمة ومستويات الأداء المتوقع. في حالة عدم وجود عطل المعدات، وعدد كبير من السهو قد يشير إلى مشاكل أخرى مع الدافع أو الصحة الحيوانية. إذا كان الحيوان هو الأصحاء، ويمكن زيادة تقييد الغذاء لاتخاذ الحيوان إلى 80-85٪ من وزن التغذية الحرة لفترة قصيرة حتى يتعافى الأداء.
هذه مجموعة-التحول وانعكاس المهام يمكن استخدامها في مجموعة متنوعة من النماذج التجريبية. على سبيل المثال، يمكن أن يتم التحقيق في آثار التلاعب مثل الآفات وعلاجات التنموية، التلاعب الغذائية، والعلاج الدوائي طويل الأجل، أو التعديلات الجينية. في حين أن تأثير العلاج على مجموعة-التحول أو عكس المرحلة قد يكون من مصلحة الأولية، نلاحظ أنه منذ يجب بالضرورة أن تدار مثل هذه العلاجات المزمنة أو الدائمة قبل ترينينغ يبدأ، والآثار على مراحل متعددة من الأداء (وخاصة على التمييز الأولي أو "مجموعة") كما يجب فحص 21. استخدام التلاعب الحادة، مثل العلاجات الدوائية أو inactivations تشريحي عصبي مؤقتة، بشكل خاص مناسبة تماما لهذه المهام. في مثل هذه الحالات، إضافة مجموعة ثالثة (كما هو موضح في الشكل رقم 2) هي مفيدة؛ وبالتالي، وتتلقى المجموعة التجريبية الأولية التلاعب الفائدة يوم تحول أو انقلاب، في حين تستقبل المجموعة الضابطة واحد التلاعب في يوم التمييز الأولي أو "مجموعة" لاختبار آثار واسعة على التعلم، ويتلقى مجموعة التحكم الثاني لا التلاعب (أو العلاجات الزائفة) على كلا أيام 20،22. لاحظ أن لمثل هذه الدراسات التلاعب الحادة، فإنه من المستحسن أن تطابق الفئران لأداء خلال التعلم من مجموعة أولية وتخصيصها لصالح المجموعة التجريبية و (الثانية) المجموعة الضابطة وفقا لذلك. هذه قطرةizes احتمال أن الخلافات الناجمة عن العلاج في الأداء قد تكون مشوشة الاختلافات الفردية في كيفية بسهولة تعلم الجرذان على التمييز بين المحفزات. وعلاوة على ذلك، إذا تتطلب تجربة اختبار الأفواج متعددة على مدى أسابيع أو أشهر، ويجب على كل فوج تشمل الحيوانات من جميع المجموعات التجريبية. على سبيل المثال، دراسة اختبار آثار التلاعب الدوائية حادة خلال التحول قد تتطلب 48 الفئران في المجموع و 3 مجموعات تجريبية، واختبارها في ثلاثة أفواج من 16 الحيوانات لكل منهما. في هذه الحالة، يجب أن يحتوي كل فوج 5-6 الفئران في كل مجموعة التجريبية. من الناحية المثالية، ينبغي أن تشمل التحليلات الإحصائية أحد العوامل التي تؤكد وجود فروق في الأداء عبر كل فوج من الفئران. وأخيرا، قد تكون هذه المهام استثابي مفيدة بشكل خاص للتطبيق في تقنيات التسجيل الجسم الحي، بما في ذلك microdialysis، القياس الفولطي، والكهربية، وذلك بسبب مكونات مثل بيئة تسيطر عليها، والتوقيت الدقيق لpresentat التحفيزأيون والاستجابات، والحركات المحظورة من الحيوانات التي لا تتوفر أو عملي في-متاهة عبر حفر أو المهام.
The authors have nothing to disclose.
Research described here was supported by a grant from the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada to S.B.F.
Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
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 |