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.
Executive funktioner består af flere højt niveau kognitive processer, der driver regel generation og adfærdsmæssige valg. En emergent egenskab af disse processer er evnen til at justere adfærd som reaktion på ændringer i en miljø (dvs. adfærdsmæssige fleksibilitet). Disse processer er afgørende for normal human adfærd og kan afbrydes i forskellige neuropsykiatriske tilstande, herunder skizofreni, alkoholisme, depression, slagtilfælde og Alzheimers sygdom. Forståelse af neurobiologi af udøvende funktioner er blevet væsentligt fremført af tilgængeligheden af animalske opgaver til vurdering diskrete komponenter i adfærdsmæssige fleksibilitet, især strategi gearskift og tilbageførsel læring. Mens flere typer af opgaver er blevet udviklet, de fleste er ikke-automatiserede, arbejdskrævende og tillader afprøvning af kun et dyr ad gangen. Den seneste udvikling af automatiserede, operant-baserede opgaver til vurdering adfærdsmæssige fleksibilitet strømliner tesTing, standardiserer stimulus præsentation og dataregistrering, og dramatisk forbedrer gennemløb. Her beskriver vi automatiseret strategi gearskift og vending opgaver, hjælp operantkamre kontrolleres af brugerdefinerede skriftlige softwareprogrammer. Ved hjælp af disse opgaver har vi vist, at den mediale præfrontale cortex regulerer strategi skiftende, men ikke omvendt læring i rotter, svarende til dissociation observeret i mennesker. Desuden dyr med en neonatal hippocampal læsion, en neurologisk model af skizofreni, selektivt svækket om strategien skiftende opgave, men ikke tilbageførsel opgave. Strategien skiftende opgave tillader også identifikation af forskellige typer af ydeevne fejl, som hver især kan henføres til forskellige neurale substrater. Tilgængeligheden af disse automatiserede opgaver, og dokumentation for dissocierbare bidrag separate præfrontale områder, gør dem særligt velegnede analyser til undersøgelse af basale neurobiologiske processer samt drUG opdagelse og screening i sygdomsmodeller.
Højt niveau kognitive processer, herunder reglen generation, adfærdsmæssige udvælgelse og strategi evaluering under ét benævnt "udøvende funktion" eller "adfærdsmæssige fleksibilitet 1." Sådanne processer er afgørende for normal kognitiv funktion, og kan være nedsat i så forskellige lidelser som skizofreni , alkoholisme, depression, slagtilfælde og Alzheimers sygdom 2-7. Reguleringen af udøvende funktion processer medieres primært af områder i den frontale cortex, herunder dorsolaterale præfrontale cortex og orbitofrontal cortex hos mennesker 8-10.
Udviklingen af opgaver at vurdere udøvende funktion og / eller adfærdsmæssige fleksibilitet i ikke-humane dyr, især gnavere, i høj grad har fremmet forståelsen af neurobiologi af kognition 11-14. Disse opgaver har gjort det muligt at særskilt måle forskellige komponenter af adfærdsmæssige fleksibilitet, herunderstrategi gearskift og tilbageførsel læring. Strategi skiftende refererer til evnen til aktivt at undertrykke en tidligere lært svar strategi, mens erhverve en ny, konkurrerende strategi, især på tværs stimulus dimensioner (extradimensional skift) – f.eks, skifte fra at udføre et visuelt baseret diskrimination (rød vs. grøn, hvor rød er "rigtige" og taktile stimuli er irrelevante) til at udføre en taktil diskrimination (glat vs. ru, hvor glat er "korrekt" og visuelle stimuli er nu irrelevant). På den anden side, tilbageførsel læring indebærer også en ændring i reaktion strategi, men inden for samme stimulus dimension – fx i eksemplet "røde vs grønne", hvis rød var tidligere rigtig, en vending vil diktere, at grøn er nu korrekt, mens taktile stimuli forbliver irrelevant.
Flere opgaver er blevet udviklet til at undersøge adfærdsmæssige fleksibilitet i gnavere. På tværs af maze opgave kræver et dyr først lære enten en retning baseret regel (fx "altid drej til højre"), eller et visuelt baseret regel (fx "altid vende mod det visuelle cue") til en bestemt kriterium ydeevne. Derefter dyret skal uventet skifte enten tværs modalitet til den modsatte regel (strategi gearskift, der oprindeligt omtalt som en "nonreversal skift" 15), eller skift i modalitet til den modsatte uforudsete (tilbageførsel læring) 13,14,16. Disse opgaver er følsomme over for forstyrrelser i subkortikale netværk, der involverer det præfrontale cortex, thalamus og striatum 1,13,14,16-18. En anden type af opmærksomhedsgraden set-skiftende opgave (undertiden benævnt grave opgave) kræver træning dyr til at skelne mellem to beholdere, der afviger langs to eller tre stimulus dimensioner (grave medier, lugt og / eller ekstern konsistens). Svarende til cross-labyrintopgave, er dyrene herefter forpligtet til at flytte enten på tværs af dimensioner (strategi shifting) eller inden for samme dimension (tilbageførsel læring), og disse opgaver er ligeledes følsomme over for frontale cortex manipulationer 11,19. En fordel ved denne opgave er, at under den ekstra-dimensionelle strategi skift er rotter præsenteret med nye sæt af stimuli (forbilleder), som sikrer, at ydeevnen nedskrivninger i denne fase vil sandsynligvis tilskrives forstyrrelser i evnen til at flytte opmærksomhedsgraden sæt til forskellige aspekter af sammensatte stimuli, snarere end en nedsat evne til at holde op med henvendelse til en bestemt stimulus tidligere forbundet med belønning. Men denne funktion gør det også vanskeligere at fastslå den særlige karakter af et underskud i et sæt skift.
Selv om de ovenfor beskrevne opgaver er veldokumenteret i litteraturen, de begge lider af en række proceduremæssige ulemper, primært længden af tid, det tager at teste dyr. I beggecross-labyrint opgave og grave opgave, kan kun ét dyr testes på et tidspunkt; Endvidere skal test administreres i realtid af en dedikeret experimenter, og kan tage op til flere timer per dag per dyr. Desuden er præsentationen af stimuli og registrering af adfærdsmæssige reaktioner i begge typer opgaver manuelt styret af en eksperimentator, og er således sårbar over for menneskelige fejl og subjektive fortolkning.
Her beskriver vi en automatiseret metode til vurdering af strategi gearskift og vending læring i rotter, ved hjælp af operant procedurer, der strømliner stimulus kontrol og data præsentation, og dramatisk forbedre hastigheden af dataindsamling og throughput 20,21. De metoder, der anvendes til at forme og tog rotter er beskrevet, såvel som dele af selve opgaven og analyse af de resulterende data. Vi har fundet, at ligesom cross-labyrint og gravere opgaver disse automatiserede opgaver er følsomme over for forstyrrelser i præfrontaleog subkortikale kredsløb, samt en neurologisk manipulation at modeller skizofreni 20-23.
Udviklingen af adfærdsmæssige opgaver at måle højere ordens kognitive konstruktioner i gnavere er afgørende for at fremme viden om neurobiologi af kognition. Med godt bygget og validerede opgaver, kan gnavere vurderes på opgaver kompleksitet rivaliserende dem af primater eller endda mennesker. Her har vi vist, hvordan to aspekter af udøvende funktion, strategi gearskift og vending læring, kan undersøges i gnavere ved hjælp af automatiserede operant teknikker. Ved hjælp af disse automatiserede opgaver, har vi gentaget tidligere resultater på tværs af labyrinten og gravere opgaver vedrørende de neurale substrater af set-shifting og vending læring 11,13,18-21,27,29, hvilket tyder på, at de operant opgaver er gyldige vurderinger af disse konstruktioner.
Disse automatiserede opgaver har en række fordele og fordele i forhold til eksisterende ikke-automatiseret tværs labyrint og gravere opgaver. Mest overbevisende er den overlegne sats for indsamling af data i automatiseret operant version. Hverdags træning eller testning tager kun 30-60 minutter, og er fuldt computerstyret kræver minimal tilsyn fra forsøgslederen. Desuden kan flere dyr testes samtidigt med en multi-kammer operant setup. Hver opgave serie, fra udformningen til endelig afprøvning, kan være afsluttet i ca. 2-3 uger. En anden vigtig fordel ved de automatiserede opgaver er præcis styring af stimulus præsentation, hvilket minimerer muligheden for forsøgslederen fejl. For eksempel er rækkefølgen af præsentationen af cue placering på hvert forsøg randomiseret og kontrolleret af computeren, snarere end ved en eksperimentator manuelt hørt en trial-by-forsøg listen. Timingen mellem forsøg præcist måles og konsekvent, og er ikke forvirret af den tid det tager en eksperimentator til fx fjerne en rotte fra på tværs af labyrinten eller omarrangere grave containere. Forstærkning levering er automatisk og er ikke omfattet af forsøgslederen fejl (fx til at glemme agnkorrekt arm af en cross-labyrint). Dataindsamlingen er ligeledes forbedret, med automatisk registrering af reaktionsmønstre, herunder måling af eksakte respons ventetid. I mangel af andre motoriske abnormiteter, kan ændringer i respons latenstider bruges til at udlede tegn på ændret behandling hastighed og / eller at bedømme omfanget af kognitiv kompleksitet af en opgave 21,22.
De automatiserede opgaver også bevare en vigtig fordel af de cross-labyrint opgaver: evnen til at foretage en detaljeret analyse af de typer af fejl begået på skift eller tilbageførsel dag. Skelne mellem set-skiftende fejl som kopierer den foregående dags strategi (perseverative eller regressive fejl) og fejl, der repræsenterer tidligere uprøvede strategier (aldrig-forstærkede fejl) kan hjælpe med at karakterisere specifikke underskud i adfærdsmæssige fleksibilitet. Især perseverative fejl forekommer tidligt i test afspejler et dyrs manglende evne til at opgive den tidligere strategy, mens senere forekommende regressive fejl afspejler et dyrs manglende evne til at opretholde den nye strategi, når perseveration er ophørt 20. Never-forstærkede fejl kan indikere en manglende erhvervelse af den nye strategi, eller en manglende evne til at reagere systematisk efter en regel 20. Tidligere fund 16,17,20 demonstrerer dissocierbare neuroanatomiske baser af disse typer af fejl er også værdifulde i fortolkning af resultaterne af disse opgaver.
Vores procedurer er udviklet og optimeret til brug med rotter. Når dette er sagt, andre grupper har brugt lignende procedurer til test set-skiftende evner i mus 31. Brug visse ændringer dog at være ansat med mus til at rumme for artsforskelle. Disse omfatter længere præsentation af visuelle cue lys før løftestang udvidelse, uddannelse over flere dage ved hjælp 30 forsøg / dag og inkorporering af en time-out straf efter forkerte valg. Although disse ændringer gør dette assay mindre medgørlige til brug med farmakologiske udfordringer, kan det vise sig nyttige ved vurderingen kognitiv fleksibilitet i genetisk ændrede mus (selvom det er uklart, om disse ændringer vil bevare den frontale cortex følsomhed af opgaven).
Selvfølgelig er der også begrænsninger for disse opgaver. Nogle af disse begrænsninger skyldes den automatiske karakter af den opgave, mens andre er relateret til parametre selve opgaven. Med hensyn til sidstnævnte, den indstillede skiftende opgave beskrevet her (samt på tværs af labyrinten sæt skiftende opgave 26) anvende et begrænset sæt af stimuli og reaktioner. I modsætning til den grave opgave, hvor nye forbilleder (f.eks ukendte dufte eller grave medier) kan anvendes til at konstruere nye koncentrationsproblemer sæt på hvert trin 11,19, nødvendigvis kræver operant set-skiftende opgave at vælge mellem to stimuli, der er kendt af dyr – enten venstre vs.højre cue lys, eller den venstre vs. rigtige position. Det betyder, at operant og cross-labyrint set-skiftende opgaver involverer svar konflikt samt strategi gearskift, selv om begrebet flytte en strategi om at en ny, hidtil irrelevant stimulus dimension bevares 20,23. På et beslægtet note, set-shifting og vending operant opgaver som beskrevet her ikke mulighed for en tredje stimulus dimension, som i grave opgave, som kan omfatte grave medier, lugt og tekstur 11,19. Men vi ikke overveje dette en fatal fejl, da den operant set-skiftende opgave kræver stadig dyret at undertrykke den tidligere relevante strategi diskrimination og deltage i en tidligere ignoreret stimulus dimension. Derudover ser det ud tænkeligt, at ændringer af udstyr og task parametre kunne støtte tilføjelsen af en tredje stimulus dimension, såsom auditive signaler eller lugt, selv om disse tilføjelser sandsynligvis ville gøre læring mere vanskelig og mindre amebende, at single-dages farmakologiske forsøg.
Endelig er en potentiel begrænsning af en operant-baserede opgave er tabet af direkte information vedrørende rotte adfærd – dvs. at forsøgslederen ikke længere ser rotter. Vi føler, at fordelene i objektivitet og dataindsamling hastighed knyttet automation mere end kompensere for dette tab, og kameraer monteret i operantkamre er en forholdsvis nem måde at genoprette individuelle visuel adgang, hvis det ønskes.
Der er en række skridt, der kan tages for at maksimere succes ved hjælp af disse operant opgaver. For det første er vigtigt at håndtere dyrene før træning begynder kan ikke overvurderes; Som med enhver adfærdsmæssig opgave, er godt håndteres dyr nemmere at arbejde med, er mindre stressede og tendens til at producere mindre variable data. For det andet kan nogle pilotforsøg være nødvendigt at bestemme den bedste tid på dagen til at udføre test; Vi tester i lyset cyklus, og opdager, at performance er optimal, når dyrene testes i slutningen af denne cyklus (f.eks ca. 4:00 til en lys cyklus slutter 7:00 PM). Bør tages tredje omhu for at bekræfte, at stabile præstationer etableres på hver pretraining stadium, før et dyr er avanceret til næste trin. For eksempel, konsekvent og robust ydeevne på det optrækkelige håndtag uddannelse fase er en glimrende indikator for dygtige resultater på "set" opgave diskrimination. Med hensyn til udstyr, selv om alle trin er automatiseret, er fortsat nødvendigt eksperimentator intervention for at bekræfte, at alle komponenter er i orden. For eksempel bør et udstyr kontrol køres dagligt (eller mere end en gang om dagen, hvis store antal dyr testes) for at sikre, at alle lys, håndtag og belønning levering er operationelle. Især kan fejlfunktioner i belønning administrationssystemer (især pellets dispensere) drastisk påvirke ydeevnen. Et usædvanligt højt antal undladelseren given dag kan indikere et problem med belønning levering udstyr, og dermed data output bør kontrolleres hver dag af en eksperimentator kender opgaven og forventede ydeevne. I mangel af en funktionsfejl i udstyret, kan et stort antal udeladelser tyder andre problemer med motivation og dyrs sundhed. Hvis et dyr er ellers sundt, kan mad begrænsning forhøjes for at tage dyret til 80-85% af prisen frit fodring vægt for en kort tid, indtil ydeevne bedres.
Disse fastsatte skiftende og vending opgaver kan bruges i en række forskellige eksperimentelle paradigmer. For eksempel kan virkningen af manipulationer, såsom læsioner, udviklingsmæssige behandlinger, kosten manipulationer, langsigtet farmakologisk behandling eller genetiske modifikationer undersøges. Mens effekten af en behandling på set-shifting eller tilbageførsel fase kan være af primær interesse, opmærksom på, at da sådanne kroniske eller permanente behandlinger nødvendigvis skal administreres før Training begynder, effekter på flere stadier af ydeevne (især om den oprindelige diskrimination eller "sæt"), skal også undersøges 21. Anvendelsen af akutte manipulationer, såsom farmakologiske behandlinger eller midlertidige neuroanatomiske inaktivering, er særligt velegnet til disse opgaver. I sådanne tilfælde, tilsætning af en tredje gruppe (som illustreret i figur 2) er nyttig; således, den primære forsøgsgruppe modtager manipulation af renter på dagen for skift eller tilbageførsel, mens en kontrolgruppe modtager manipulation på dagen for første forskelsbehandling eller "set" at teste for brede effekter på indlæring, og en anden kontrolgruppe modtager ingen manipulationer (eller falske behandlinger) på begge dage 20,22. Bemærk, at sådanne akutte manipulation studier, er det tilrådeligt at matche rotter for ydeevne under indlæringen af det første sæt og tildele dem til forsøgsgruppen og (anden) kontrolgruppe i overensstemmelse hermed. Denne minimizes muligheden for, at behandling-inducerede forskelle i præstation kan blive beskæmmet af individuelle variationer i, hvor let rotter lærer at skelne mellem stimuli. Desuden, hvis et forsøg kræver afprøvning af flere kohorter over uger eller måneder, bør hver kohorte omfatte dyr fra alle forsøgsgrupper. For eksempel kan en undersøgelse teste virkningerne af akutte farmakologiske manipulationer under et skift kræver 48 rotter i alt 3 forsøgsgrupper, testet i tre grupper af 16 dyr hver. I dette tilfælde skal hver kohorte indeholde 5-6 rotter i hver forsøgsgruppe. Ideelt set bør de statistiske analyser omfatter en faktor, der bekræfter, at der ikke var nogen forskel i ydelse på tværs af hver kohorte af rotter. Endelig kan disse operant opgaver være særlig nyttig for anvendelse in vivo optagelse teknikker, herunder mikrodialyse, voltammetri, og elektrofysiologi, forårsaget af bestanddele såsom kontrolleret miljø, præcis timing af stimulus Præsention og svar, og begrænsede bevægelser af dyr, som ikke er til rådighed eller praktisk i cross-labyrint eller grave opgaver.
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 |