Een volledig geautomatiseerde Knaagdieren Conditioning Protocol voor Sensomotorische Integratie en cognitieve controle-experimenten
Summary
Voorgesteld wordt een volledig geautomatiseerd protocol voor knaagdieren operante conditionering. Het protocol is gebaseerd op nauwkeurige tijdelijke controle gedrags gebeurtenissen in hoeverre dit besturingselement beïnvloedt hersenactiviteit onderliggende sensorimotorische integratie en cognitieve controle-experimenten onderzocht.
Abstract
Knaagdieren zijn traditioneel gebruikt als een standaard diermodel laboratoriumexperimenten waarbij een groot aantal zintuiglijke, cognitieve en motorische opdrachten. Hogere cognitieve functies die nauwkeurige controle over sensomotorische reacties zoals besluitvorming en aandachtsprocessen modulatie vereisen echter worden meestal onderzocht in niet-menselijke primaten. Ondanks de rijkdom van primaten gedrag dat verschillende varianten van deze functies te bestuderen kan het knaagdier model aantrekkelijk blijft, kosteneffectief alternatief voor primaatmodellen. Bovendien is de mogelijkheid om volledig te automatiseren operante conditionering bij knaagdieren voegt unieke voordelen ten opzichte van de arbeidsintensieve opleiding van niet-humane primaten tijdens de studie een breed scala van deze complexe functies.
Hier introduceren we een protocol voor operantly conditioning ratten over het uitvoeren werkgeheugen taken. Tijdens kritieke tijdperken van de taak, het protocol zorgt ervoor dat openlijke beweging van het dier wordt geminimaliseerd door requiring het dier te 'fixeren' tot een Go cue wordt geleverd, verwant aan humane primaten experimenteel ontwerp. Een eenvoudige twee alternatieve geforceerde keuze taak wordt uitgevoerd om de prestaties te tonen. We bespreken de toepassing van dit paradigma voor andere taken.
Introduction
Onderzoek naar de relatie tussen neurofysiologie en gedrag is het uiteindelijke doel in de systemen van de neurowetenschappen. Historisch gezien is er sprake van een afweging tussen diermodel keuze en gedragsrepertoire 1-5 geweest. Terwijl eenvoudige organismen zoals zeeslakken 6 of inktvis 7 zijn uitgebreid gebruikt om de eigenschappen van enkele ionenkanalen, neuronen en eenvoudige neurale circuits te bestuderen, worden hogere orde soorten nodig om meer complexe functies, zoals ruimtelijke navigatie, besluitvorming 8-11 en cognitieve studeren controle 12-14. Ondanks dat het een standaard diermodel voor menselijke achtig gedrag, het gebruik van niet-humane primaten vraagt kosten en ethische overwegingen dat het gebruik ervan in de weg staat aan de overkant van een brede waaier van experimenten in een laboratorium setting 15-18. Eenvoudiger diermodellen zoals knaagdieren algemeen de voorkeur 19, mits zij vergelijkbare neurale substraten grondslag liggen aan de gedragingen van belang.
"> Er is voldoende bewijs dat knaagdieren delen dezelfde corticale en subcorticale structuren zoals die gevonden in primaten 20-22. Knaagdieren zijn ook bekend om informatie over meerdere zintuiglijke modaliteiten te integreren om hun actie te begeleiden 23-25, bijvoorbeeld door het coördineren kloppen en snuiven tijdens verkennende gedrag 26 of door het integreren van auditieve en visuele / olfactorische gebeurtenissen 25,27.Hier beschrijven we een kader voor operante conditionering van knaagdieren gebruikt om cognitieve taken 28-32 testen. In dit kader zijn proefpersonen nodig te fixeren in een nosepoke gat en hun snuit te houden in het gat tot aan de presentatie van een go cue. De gedrags-taak is een vijf-gat nosepoke ontwerp dat conventioneel wordt gebruikt voor 5-keuze seriële reactietijd taak studies. Tijdens de vertragingstijd, wordt een reeks van instructie signalen gepresenteerd aan het onderwerp te begeleiden om een actie uit te voeren. Dit kader kan eenvoudig worden aangepast om te passeneen breed scala aan experimenten waarbij het trainen van de onder zijn openlijke beweging over een korte tijd zoveel mogelijk te beperken is nodig. Dit maakt het bestuderen van de mate waarin stekelige activiteit van individuele neuronen met specifieke signalen tijdens dit interval. Het protocol kan de training te minimaliseren en kan leren variabiliteit over-onderwerp te verminderen. Een schematisch stroomdiagram van de taak wordt getoond in figuur 1.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ratten zijn op grote schaal gebruikt in neurowetenschappelijk onderzoek voor meer dan een eeuw. Sinds Thorndike's introductie van het concept van de wet van effect bij katten 34, heeft operante conditionering de standaard benadering van de verschillende aspecten van het gedrag van dieren testen. Veel neurowetenschappelijke experimenten met besluitvorming en motorische voorbereiding omvatten een periode vertraging tussen de instructie signalen en de actie interval. Het is wenselijk om bewegingen te minimal…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door de NINDS subsidie # NS054148.
Materials
| 5-HOLED NOSE POKE WITH 3STIM CUE LIGHT – RAT CAGE | Coulbourn | H21-06M/R | |
| TEST CAGE | Coulbourn | H10-11R-TC | |
| Graphic State Software | Coulbourn | ||
| PROGRAMMABLE TONE/NOISE GENERATOR | Coulbourn | A12-33 | |
| Dustless Precision Pellets | Bio-Serv | F0165 | |
| SPEAKER MODULE | Coulbourn | H12-01R |
Referências
- Goldstein, E. B. . Cognitive psychology: Connecting mind, research, and everyday experience. , (2008).
- Kandel, E. R., Schwartz, J. H., Jessell, T. M., et al. 4th edition. Principles of neural science. , (2000).
- Cisek, P., Kalaska, J. F. Neural mechanisms for interacting with a world full of action choices. Ann. Rev. Neurosci. 33, 269-298 (2010).
- Kalat, J. W. . Biological psychology. , (2012).
- Banich, M. T., Compton, R. J. . Cognitive neuroscience. , (2010).
- Carew, T. J., Pinsker, H. M., Kandel, E. R. Long-term habituation of a defensive withdrawal reflex in aplysia. Science. 175, 451-454 (1972).
- Hodgkin, A. L., Huxley, A. F. A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve. J. Physiol. 117, 500 (1952).
- Romo, R., Salinas, E. Flutter discrimination: neural codes, perception, memory and decision making. Nat. Rev. Neurosci. 4, 203-218 (2003).
- Romo, R., de Lafuente, V. Conversion of sensory signals into perceptual decisions. Prog. Neurobiol. 10, (2012).
- Shadlen, M. N., Britten, K. H., Newsome, W. T., Movshon, J. A. A computational analysis of the relationship between neuronal and behavioral responses to visual motion. J. Neurosci. 16, 1486-1510 (1996).
- Beck, J. M., et al. Probabilistic Population Codes for Bayesian Decision Making. Neuron. 60, 1142-1152 (2008).
- Goldman-Rakic, P. S. Circuitry of primate prefrontal cortex and regulation of behavior by representational memory. Compr. Physiol. , (1987).
- Miller, E. K., Erickson, C. A., Desimone, R. Neural mechanisms of visual working memory in prefrontal cortex of the macaque. J. Neurosci. 16, 5154-5167 (1996).
- Fuster, J. M., Alexander, G. E., et al. Neuron activity related to short-term memory. Science. 173, 652-654 (1971).
- Fetz, E. E., Baker, M. A. . Operantly Conditioned Patterns of Activity and Correlated Responses Cells and Contralateral Muscles. , (1973).
- Carmena, J. M., et al. Learning to control a brain–machine interface for reaching and grasping by primates. PLoS Biol. 1, e42 (2003).
- Georgopoulos, A. P., Schwartz, A. B., Kettner, R. E. Neuronal population coding of movement direction. Science. 233, 1416-1419 (1986).
- Donoghue, J. P., Sanes, J. N., Hatsopoulos, N. G., Gaál, G. Neural discharge and local field potential oscillations in primate motor cortex during voluntary movements. J. Neurophysiol. 79, 159-173 (1998).
- Abbott, A. Laboratory animals: the Renaissance rat. Nature. 428, 464-466 (2004).
- Fuster, J. . The prefrontal cortex. , (2008).
- Britten, K. H., Shadlen, M. N., Newsome, W. T., Movshon, J. A. The analysis of visual motion: a comparison of neuronal and psychophysical performance. J. Neurosci. 12, 4745-4765 (1992).
- Abbott, A. Neuroscience: The rat pack. Nature. 465, 282-283 (2010).
- Uchida, N., Mainen, Z. F. Speed and accuracy of olfactory discrimination in the rat. Nat. Neurosci. 6, 1224-1229 (2003).
- Jaramillo, S., Zador, A. M. The auditory cortex mediates the perceptual effects of acoustic temporal expectation. Nat. Neurosci. 14, 246-251 (2010).
- Cohen, L., Rothschild, G., Mizrahi, A. Multisensory integration of natural odors and sounds in the auditory cortex. Neuron. 72, 357-369 (2011).
- Deschênes, M., Moore, J., Kleinfeld, D. Sniffing and whisking in rodents. Curr. Opin. Neurobiol. 22, 243-250 (2012).
- Raposo, D., Sheppard, J. P., Schrater, P. R., Churchland, A. K. Multisensory decision-making in rats and humans. J. Neurosci. 32, 3726-3735 (2012).
- Bari, A., Dalley, J. W., Robbins, T. W. The application of the 5-choice serial reaction time task for the assessment of visual attentional processes and impulse control in rats. Nat. Protoc. 3, 759-767 (2008).
- Brasted, P. J., Dunnett, S. B., Robbins, T. W. Unilateral lesions of the medial agranular cortex impair responding on a lateralised reaction time task. Behav. Brain Res. 111, 139-151 (2000).
- Gage, G. J., Stoetzner, C. R., Wiltschko, A. B., Berke, J. D. Selective activation of striatal fast-spiking interneurons during choice execution. Neuron. 67, 466-479 (2010).
- Erlich, J. C., Bialek, M., Brody, C. D. A cortical substrate for memory-guided orienting in the rat. Neuron. 72, 330-343 (2011).
- Mohebi, A., Oweiss, K. G. Neural ensemble correlates of working memory in the rat medial prefrontal cortex. 41 st Ann. Meet. Soc. Neurosci. , (2011).
- Oweiss, K. G. . Statistical signal processing for neuroscience and neurotechnology. , (2010).
- Thorndike, E. L. Animal intelligence: An experimental study of the associative processes in animals. Psychol. Monographs: Gen. Appl. 2, 1-109 (1898).
