Un protocole conditionné rongeurs entièrement automatisé pour sensorimotrice intégration et expériences de contrôle cognitif
Summary
Un protocole entièrement automatisé pour rongeur conditionnement opérant est proposé. Le protocole repose sur le contrôle temporel précis des événements de comportement pour enquêter sur la mesure dans laquelle les expériences influences ce contrôle l'activité sous-jacente de neurones d'intégration sensori-motrice et de contrôle cognitif.
Abstract
Rongeurs ont été traditionnellement utilisé comme un modèle animal standard dans des expériences de laboratoire portant sur une multitude de tâches sensorielles, cognitives et motrices. Fonctions cognitives supérieures qui nécessitent un contrôle précis sur les réponses sensori-motrices telles que la prise de décision et la modulation de l'attention, cependant, sont généralement évalués chez les primates. Malgré la richesse de comportement des primates qui permet de multiples variantes de ces fonctions à étudier, le modèle de rongeur reste une alternative intéressante et rentable pour des modèles primates. En outre, la capacité d'automatiser entièrement le conditionnement opérant chez les rongeurs ajoute des avantages uniques sur la formation de main-d'œuvre de primates non humains tout en étudiant un large éventail de ces fonctions complexes.
Ici, nous introduisons un protocole pour les rats de conditionnement opérante sur l'exécution des tâches de mémoire de travail. Au cours des époques critiques de la tâche, le protocole assure que le mouvement manifeste de l'animal est réduit au minimum par requIring l'animal à «faire une fixation» jusqu'à un repère Go est livrée, qui s'apparente à la conception expérimentale primate non humain. Une tâche simple de deux alternatives forcé de choix est mis en œuvre pour démontrer la performance. Nous discutons de l'application de ce paradigme à d'autres tâches.
Introduction
L'étude de la relation entre la neurophysiologie et comportement est le but ultime de neurosciences des systèmes. Historiquement, il a été un compromis entre le choix de modèle animal et répertoire comportemental 1-5. Alors que les organismes simples comme les limaces de mer 6 ou calmars 7 ont été largement utilisés pour étudier les propriétés des canaux unique ioniques, les neurones et les circuits neuronaux simples, les espèces d'ordre supérieur sont nécessaires pour étudier des fonctions plus complexes telles que la navigation spatiale, la prise de décision 8-11 et cognitive contrôler 12-14. En dépit d'être un modèle animal standard pour l'homme comme le comportement, l'utilisation de primates non humains invite coûts et considérations éthiques qui empêche leur utilisation dans un large éventail d'expériences dans un cadre unique 15-18 laboratoire. Modèles animaux simples comme les rongeurs sont généralement préférées 19, à condition qu'ils aient substrats neuronaux sous-jacents similaires les comportements d'intérêt.
"> Il ya de nombreuses preuves suggérant que les rongeurs part structures corticales et sous-corticales similaires à ceux trouvés chez les primates 20-22. Rongeurs sont également connus pour intégrer l'information sur plusieurs modalités sensorielles pour guider leur action 23-25, par exemple, en coordonnant et en fouettant renifler pendant comportement exploratoire 26 ou en intégrant des événements auditifs et visuels / olfactives 25,27.Ici, nous décrivons un cadre pour le conditionnement opérant de rongeurs utilisés pour tester des tâches cognitives 28-32. Dans ce cadre, les sujets sont tenus de fixer dans un trou nosepoke et maintenir leur museau dans le trou jusqu'à ce que la présentation d'une remise repère. La tâche comportementale est une conception de nosepoke cinq trous qui est classiquement utilisé pour les études de la tâche de temps de réaction de série 5 choix. Au cours de la période de retard, une gamme de signaux d'instruction est présenté pour guider le sujet pour effectuer une action. Ce cadre peut être facilement modifié pour répondreun large éventail d'expériences dans lesquelles la formation de l'objet afin de minimiser son mouvement visible sur un bref laps de temps est nécessaire. Ceci permet l'étude de la mesure dans laquelle l'activité de dopage de neurones individuels est influencée par des signaux spécifiques au cours de cet intervalle. Le protocole peut réduire le temps de formation et peut réduire la variabilité entre-objet d'apprentissage. Un diagramme schématique de la tâche est représentée sur la figure 1.
Protocol
Representative Results
Discussion
Les rats ont été largement utilisés dans la recherche en neurosciences depuis plus d'un siècle. Depuis l'introduction de Thorndike du concept de la loi de l'effet chez les chats 34, le conditionnement opérant a été l'approche standard pour tester les différents aspects du comportement animal. De nombreuses expériences en neurosciences impliquant la prise de décision et la préparation du moteur comprennent une période de retard entre les signaux d'instruction et l'intervalle…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par le NINDS subvention # 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).
