Vi beskriver protokoll för utbildning av råttor för kroniska elektrofysiologiska inspelningar i helautomatiska kognitiva uppgifter på ett golv Projection Maze.
Neuropsykologiska uppgifter som används i primater för att undersöka mekanismerna för inlärning och minne är vanligtvis visuellt styrd kognitiva uppgifter. Vi har utvecklat visuella kognitiva uppgifter för råttor med hjälp av projektions Golv Maze 1,2 som är optimerade för visuella förmågor av råttor tillåter starkare jämförelser av experimentella fynd med andra arter.
För att undersöka neurala korrelat till inlärning och minne, har vi integrerat elektrofysiologiska inspelningar i helautomatiska kognitiva uppgifter på Projection Golv Maze 1,2. Behavioral programvara gränssnitt med ett djur tracking system möjliggör övervakning av djurets beteende med exakt kontroll av bildpresentation och belöna utsedda bättre utbildade djur. Integration med ett in vivo elektrofysiologiska inspelning systemet möjliggör undersökning av beteende korrelat till neural aktivitet vid valda epoker av en viss kognitiv uppgift. </ P>
Vi beskriver protokoll för ett modellsystem som kombinerar automatiserad visuell presentation av information till gnagare och intrakraniell belöning med elektrofysiologiska metoder. Vår modell system erbjuder en sofistikerad uppsättning verktyg som en ram för andra kognitiva uppgifter för att bättre isolera och identifiera specifika mekanismer som bidrar till vissa kognitiva processer.
Visuella uppgifter används ofta i mänskliga och apa studier för att undersöka mekanismerna bakom inlärning och minne. Gnagare modeller, dock är mer lättillgängliga för forskare för större skala, bättre kontrollerade studier, och har den extra fördelen att tillåta mer invasiva elektrofysiologiska tekniker. I kombination med andra metoder, till exempel genetiska manipulationer, elektrofysiologiska inspelningar i fritt rörliga råttor ger en användbar modell för exakt inriktning mekanismer och kretsar underliggande kognitiva processer. Primate visuella uppgifter kräver patienterna att rikta blicken till visuella stimuli på en bildskärm, medan råtta uppgifter kräver patienterna att interagera med en miljö. Den Projection Golv Maze utnyttjar den naturliga tendensen hos råttor att aktivt utforska miljön samtidigt som sköter synintryck.
Kognitiva uppgifter med pekskärmsapparater som utformats speciellt för gnagare har låtitbättre översättning av resultaten från djurmodeller till människor 3. Pekskärms uppgifter utförs typiskt i en kammare med två dimensionella visuella stimuli som presenteras vertikalt på väggarna 3-7. Dessa pekskärm uppgifter kräver att motivet bakåt mot målet visuell stimulans och bryta en infraröd photobeam eller trycka på en tryckplatta för att registrera sitt svar. Anatomiska och beteendemässiga bevis, dock tyder på att råttor bearbetar visuell information i den nedre visuella hemifield mer effektivt för att styra beteendet 8-10. Vårt labb har utvecklat kognitiva uppgifter som använder Projection Golv Maze 2 där två-dimensionella visuella stimuli tillbaka projiceras på golvet i testarenan. I Floor Projection Maze råttor kan spåras när du utför uppgifter i en stor öppen arena jämfört med pekskärm apparat. Således kan geografisk information i inspelade neural aktivitet erhållas utöver neurala korrelat till visuell information end beslutsfattande.
Vi levererar intrakraniell stimulering (ICS) till den mediala framhjärnan bunt (MFB) som belöning 11. Denna metod för belöning leverans har fördelar jämfört med mat och dryck belöningar. Mat och dryck belöningar kan leda till mättnad, även i mat-berövade råttor, att begränsa antalet försök ett djur kommer att utföra och eventuellt bromsa utbildningen. ICS ger omedelbar belöning som ger omedelbar feedback på uppgiften prestanda. De omedelbara belöning ger snabbare formning och förvärv och väsentligt minskar längd för utbildningsprotokoll. Dessutom kan ett större antal försök att slutföras under en session, ökar mängden data som samlats in och som resulterar i en mer tillförlitlig urval av uppgiftsrelaterat beteende.
Använda Golv Projection Maze, kommer vi att beskriva en generell protokoll för att forma beteendet hos råttor för att utföra komplexa kognitiva uppgifter. This generella protokoll ger en ram för utbildning av råttor över en mängd olika uppgifter som för närvarande används för inspelning av neurala korrelat till uppmärksamhet och visuell diskriminering 1. Således är det Projection Golv Maze optimerad för visuella förmågor av råttor och tillåter starkare jämförelser med visuella arbetsuppgifter hos människor och icke-mänskliga primater.
Vi beskriver formellt protokoll för att utbilda råttor på helautomatiska komplexa visuella kognitiva uppgifter på Projection Golv Maze. Den Projection Golv Maze har använts framgångsrikt för att fastställa neurala korrelat till objektlokaliserings konjunktioner och felsignaler i postrhinal cortex under prestanda på en 2-val visuell diskriminering uppgift 1.
Den beteendemässiga formn protokollet är utformat för att vara flexibelt så att det kan anpassas för att passa en enskild råtta inlärningshastighet. Anpassad kod skriven för beteende-systemet tillåter försöksledaren att styra sannolikheten för automatiserade ICS leverans vid kritiska steg under träning, t.ex. utbilda "klar ståndpunkt". Koden ska också möjliggöra manuell leverans av ICS med hjälp av en programmerbar knapp låda under. Målet med Early formning är att skapa en effektiv ICS stimulans för belöning leverans för att förstärka beteendet. Om möjligt rekommenderar vi implanterar stiformulera elektroder bilateralt in MFB vid ineffektiva stimulering i en halvklotet. Vår erfarenhet har dock varit att nästan alla implanterade ICS elektroder har varit funktionellt att leverera en givande stimulans. Den Mellan formande skede är avgörande för att träna råttan att upprätthålla en "färdig ställning" i Ready-området. I "klar ståndpunkt", bör råttan vara stilla med nosen pekande mot bildområden där valet bilderna kommer att presenteras. Den "klar ståndpunkt" styr när bilderna visas, den riktning från vilken råttan närmar bilderna och avståndet från vilken råttan ser bilderna. Vi rekommenderar spårning lysdioder monterade på råttans huvudsteg för att övervaka i vilken riktning råttans huvud pekar på bättre styrning av beteende och mer exakt kontroll av målbilden presentation. Manuell leverans av ICS kan utfärdas för att utbilda råttor för att bibehålla lämplig "klar ställning & #8217;. När råttan är att upprätthålla tillfredsställande "färdiga positioner" i varje försök är utbildning i sen forma uppgiften specifik. Vid sen formning råttor är utbildade för att lära sig särskilda regler för att utföra en viss uppgift.
Vi använder ICS som vår metod för belöning leverans eftersom denna metod ger omedelbar feedback till råttan vilket resulterar i snabbare inlärning under beteendeformning, och mer fullständiga prövningar i en session vid insamling neurala data i den automatiska uppgiften. ICS leverans resulterar emellertid i elektriska artefakter i de neurala inspelningar, och kan vara problematiskt för att analysera kontinuerliga LFP eller multiunit data. Intervallet kring elektriska artefakten kan tas bort offline från neurala registreringsdatafilen innan kontinuerlig dataanalys. Stereotypa artefakter från ICS i höga pass filtrerad spik data kan lätt tas offline utan att påverka enda spik analyser. Framtida optimering av protokoll för Projection Golv Maze inkluderar använder optogenEtic verktyg för att leverera intern belöning för att minimera och eliminera artefakter i samband med elektrisk stimulering.
Den Projection Golv Maze är optimerad för de visuella funktionerna i råttor och är därför bättre lämpad för visuellt styrda beteende uppgifter. Det bör noteras att direkta jämförelser inte kan göras mellan experimentella paradigm i Floor Projection Maze och operant kammare på grund av olika experimentella protokoll som används och olika definitioner av kriterium för framgångsrika förvärvet av en given uppgift. Vi har tidigare visat dock att råttor fick en enkel 2-valet visuell diskriminering uppgift i ~ 50 försök i Golv Projection Maze 2 jämfört med> 300 försök i andra studier där bilder presenterades vertikalt i operant kammare 3,10. VSA uppgift var modellerad efter den klassiska 5-valet serie reaktion uppgift 13 (5-CSRT) för att bedöma visuella attentionalprocesser. Typiskt är 5-CSRT utföres i ett operant kammaren och kräver djuret att göra en näsa peta i lämplig nos-peta hål indikeras av en ljusblixt; här VSA uppgift utförs i en öppen arena där djuren måste förbli stillastående på en viss plats i arenan, rikta sin uppmärksamhet mot målet platser och vänta på ljuset stimulans att visas. I vår erfarenhet, råttor krävs ~ 3.200 försök att nå kriteriet (75% på två dagar i följd) i 5-CSRT 14 jämfört med ~ 800 försök i VSA uppgiften i Projection Golv Maze.
En annan fördel med beteendemässiga uppgifter som utförs på Projection Golv Maze är att uppgifterna utförs i en stor öppen arena, som utnyttjar den naturliga tendensen för råttan att utforska sin omgivning, till skillnad från uppgifter som kräver att djuret att fixera blicken på en stillastående mål. En stor fördel med användning av fritt rörliga råttor i en öppen arena &# 160, i Golv Projection Maze apparat är att både allocentric och egocentriskt rumslig information kan samlas in med visuell information. En annan fördel med vårt paradigm är att uppgifterna behöver inte begränsas till presentation av statiska bilder. Ställning och funktioner i visuella stimuli som är dynamiska kan användas i framtida uppgifter. Med hjälp av spårningsmöjligheten av cineplex Behavioral Research System, kan uppgifterna tas fram för en mer detaljerad funktions förståelse av en viss hjärnstruktur. Kombinera samtidiga elektrofysiologiska inspelningar med visuellt guidade kognitiva uppgifter kan grundläggande frågor om hur hjärnaktivitet är relaterat till kognitiva processer såsom beslutsfattande och visuell diskriminering utforskas.
Använda visuellt styrda uppgifter, kan resultaten från råttstudier bättre översättas till människor med det slutliga målet att ge behandlingar för mänskliga kognitiva sjukdomar.
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete stöddes av NSF IOS 1146334, NSF EFRI 0937848, N66001–C-2010 10 DARPA och NSF IOS 0.522.220 till RDB. Vi tackar Stacie Hyatt at Plexon Inc för att få hjälp att förbereda detta manuskript.
OmniPlex D Neural Data Acquisition System | Plexon Inc | ||
DigiAmp Digitizing Amplifier | Plexon Inc | ||
Frame for Floor Projection Maze | 80/20 Inc | 15 Series T-slot framing | |
Short throw projector | NEC Display Solutions | WT610E | |
Da-Lite lace and grommet screen | Da-Lite Screen Company | 81326C | |
PlexiGlass | Modern Plastics | ||
SuperPort Input card | Med Associates Inc | DIG-713A | |
SuperPort Output card | Med Associates Inc | DIG-726 | |
SmartCtrl Interface module | Med Associates Inc | DIG-716B | |
Decoder card | Med Associates Inc | DIG-700F | |
PCI card | Med Associates Inc | DIG-704PCI-2 | |
Programmable audio generator | Med Associates Inc | ANL-926 | |
Programmable Intracranial Self Stimulation Stimulator | Med Associates Inc | PHM-150B | Operated by a PHM-152COM card |
2 Channel electrode | Plastics1 | MS303/13/SP | Cut 15 – 20 mm below the pedestal |
Software | |||
MED-PC IV Software | Med Associates Inc | SOF-735 | |
OmniPlex Software | Plexon Inc | ||
CinePlex Software: Tracking and Basic Behavior Modules | Plexon Inc |