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.
Las funciones ejecutivas se componen de múltiples procesos cognitivos de alto nivel que impulsan la generación de reglas y la selección de comportamiento. Una propiedad emergente de estos procesos es la capacidad de ajustar el comportamiento en respuesta a los cambios en uno de medio ambiente (es decir, flexibilidad, de comportamiento). Estos procesos son esenciales para el comportamiento humano normal, y pueden ser interrumpidos en diversas condiciones neuropsiquiátricas, como la esquizofrenia, el alcoholismo, la depresión, los accidentes cerebrovasculares y la enfermedad de Alzheimer. La comprensión de la neurobiología de las funciones ejecutivas se ha avanzado mucho gracias a la disponibilidad de las tareas de animales para evaluar los componentes discretos de flexibilidad de comportamiento, particularmente estrategia de cambio y el aprendizaje de reversión. Aunque se han desarrollado varios tipos de tareas, la mayoría son no automatizados, mano de obra intensiva, y permiten realizar pruebas de sólo un animal a la vez. El reciente desarrollo de tareas automatizadas y basadas en operantes para la evaluación de la flexibilidad conductual agiliza testing, estandariza la presentación del estímulo y el registro de datos, y mejora considerablemente el rendimiento. A continuación, describimos automatizamos estrategia de cambios y las tareas de reversión, utilizando cámaras operantes controlados por programas de software escrito personalizado. El uso de estas tareas, hemos demostrado que la corteza prefrontal medial gobierna estrategia de cambio, pero no el aprendizaje inverso en la rata, similar a la disociación observada en los seres humanos. Además, los animales con una lesión del hipocampo neonatal, un modelo del neurodesarrollo de la esquizofrenia, están alteradas selectivamente en la tarea estrategia de cambio, pero no la tarea de reversión. La tarea estrategia cambiando también permite la identificación de los tipos separados de errores de actuación, cada uno de los cuales es atribuible a los sustratos neurales distintas. La disponibilidad de estas tareas automatizadas, y la evidencia que respalda las contribuciones disociables de áreas prefrontales separados, los convierte en los ensayos particularmente bien adaptado para la investigación de procesos neurobiológicos básicos, así como drdescubrimiento ug y el cribado en modelos de enfermedad.
Procesos cognitivos de alto nivel, incluyendo generación de reglas, la selección de comportamiento, y evaluación de la estrategia se conocen colectivamente como "función ejecutiva" o "flexibilidad conductual 1." Tales procesos son cruciales para la función cognitiva normal, y puede verse afectada en diversos trastornos tales como la esquizofrenia , el alcoholismo, la depresión, los accidentes cerebrovasculares y la enfermedad de Alzheimer 2-7. La regulación de los procesos de la función ejecutiva está mediada principalmente por áreas en la corteza frontal, incluyendo la corteza prefrontal dorsolateral y la corteza orbitofrontal en humanos 10.8.
El desarrollo de tareas para evaluar la función ejecutiva y / o flexibilidad de comportamiento en los animales no humanos, en particular los roedores, se ha avanzado en gran medida la comprensión de la neurobiología de la cognición 11-14. Estas tareas han hecho posible medir por separado los distintos componentes de la flexibilidad del comportamiento, incluyendoestrategia de cambio y el aprendizaje de reversión. Cambio de estrategia se refiere a la capacidad de suprimir activamente una estrategia de respuesta aprendida previamente, mientras que la adquisición de una nueva estrategia de la competencia, en particular a través de dimensiones de estímulo (turno extradimensional) – por ejemplo, el cambio de la realización de una discriminación basada visual (rojo vs. verde, donde el rojo es estímulos "correctas" y táctiles son irrelevantes) para llevar a cabo una discriminación táctil (liso vs. áspero, donde el liso es "correcto" y estímulos visuales ahora son irrelevantes). Por otra parte, el aprendizaje de inversión también implica un cambio en la estrategia de respuesta, pero dentro de la misma dimensión de estímulo – por ejemplo, en el ejemplo "rojo vs. verde", si el rojo era previamente correcta, una inversión dictaría que el verde es ahora correcta, mientras que los estímulos táctiles permanecerían irrelevante.
Varias tareas se han desarrollado para investigar flexibilidad de comportamiento en los roedores. La cruz-matarea ze requiere un animal para conocer de primera sea una regla basada en la dirección (por ejemplo, "siempre gire a la derecha") o una norma basada visual (por ejemplo, "gire siempre hacia la pista visual") a un determinado criterio de rendimiento. Entonces, se requiere que el animal desplazarse inesperadamente ya sea a través de la modalidad a la regla opuesta (estrategia de cambio, inicialmente denominado un "cambio nonreversal" 15) o cambiar dentro de la modalidad de la contingencia opuesto (aprendizaje reversión) 13,14,16. Estas tareas son sensibles a interrupciones en las redes corticales y subcorticales, que implica la corteza prefrontal, el tálamo y el cuerpo estriado 1,13,14,16-18. Otro tipo de juego que cambia de tarea atencional (a veces conocido como la tarea de excavación) requiere el entrenamiento de animales para discriminar entre dos contenedores que difieren a lo largo de dos o tres dimensiones de estímulo (cavar medios, olor y / o textura externa). Al igual que en la cruz-laberintotarea, los animales son entonces obligados a cambiar, ya sea a través de dimensiones (estrategia de cambio) o dentro de la misma dimensión (aprendizaje de inversión), y estas tareas son igualmente sensibles a las manipulaciones de la corteza frontal 11,19. Una ventaja de esta tarea es que durante el cambio de estrategia extra-dimensional, las ratas son presentados con nuevos conjuntos de estímulos (EJEMPLARES), que garantiza que las deficiencias de rendimiento durante esta etapa son probablemente atribuible a trastornos en la capacidad de cambiar conjunto de atención a diferentes aspectos de estímulos compuestos, en lugar de un deterioro de la capacidad para detener acercarse a un estímulo específico previamente asociadas con la recompensa. Sin embargo, esta característica también hace que sea más difícil determinar la naturaleza específica de un déficit durante un turno de juego.
Aunque las tareas descritas anteriormente han sido bien documentados en la literatura, ambos adolecen de una serie de desventajas de procedimiento, principalmente la longitud de tiempo que se necesita para los animales de ensayo. En tantola tarea transversal laberinto y la tarea de excavación, sólo un animal se pueden ensayar a la vez; Además, la prueba se debe administrar en tiempo real por un experimentador dedicado, y puede tomar hasta varias horas por día por animal. Además, la presentación de los estímulos y el registro de las respuestas de comportamiento en ambos tipos de tareas se controlan manualmente por un experimentador, y por tanto son vulnerables a errores humanos y la interpretación subjetiva.
Aquí se describe un método automatizado para la evaluación de la estrategia de cambio y aprendizaje inverso en la rata, utilizando procedimientos operantes que simplifican el control de estímulos y la presentación de los datos, y mejorar dramáticamente la tasa de recogida de datos y rendimiento 20,21. Los métodos utilizados para dar forma y ratas tren se describen, así como los componentes de la propia tarea y el análisis de los datos resultantes. Hemos encontrado que al igual que las tareas de cross-laberinto y excavación, estas tareas automatizadas son sensibles a las interrupciones en prefrontaly los circuitos subcortical, así como a una manipulación del neurodesarrollo que los modelos de esquizofrenia 20-23.
El desarrollo de las tareas de comportamiento para medir de orden superior constructos cognitivos en los roedores es esencial para avanzar en el conocimiento de la neurobiología de la cognición. Con tareas bien construidos y validados, los roedores pueden ser evaluados en tareas de complejidad que rivalizan con los de los primates o incluso los seres humanos. Aquí hemos demostrado cómo dos aspectos de la función ejecutiva, la estrategia de cambio y el aprendizaje de inversión, pueden ser investigados en roedores utilizando técnicas operantes automatizados. El uso de estas tareas automatizadas, hemos replicado los hallazgos previos en cross-laberinto y las tareas de excavación con respecto a los sustratos neurales de la puesta a punto de cambio y aprendizaje inverso 11,13,18-21,27,29, lo que sugiere que las tareas operantes son evaluaciones válidas de estos construye.
Estas tareas automatizadas tienen una serie de beneficios y ventajas con respecto a las tareas no automatizado cruzada laberinto existentes y excavación. Lo más convincente es la tasa superior de la recopilación de datos en la versión operante automatizado. Cadaformación o prueba el día de toma sólo 30-60 minutos, y es totalmente controlado por ordenador que requiere un mínimo de supervisión por el experimentador. Por otra parte, varios animales se pueden probar de forma simultánea con una configuración operante de múltiples cámaras. Cada serie de tareas, de la conformación de hasta el ensayo final, se puede completar en aproximadamente 2-3 semanas. Otra ventaja importante de las tareas automatizadas es el control preciso de la presentación del estímulo, minimizando así la posibilidad de error del experimentador. Por ejemplo, el orden de presentación de la ubicación de referencia en cada ensayo es aleatorio y controlado por el ordenador, y no por un experimentador consultar manualmente un juicio por juicio lista. El tiempo entre los ensayos se mide de forma precisa y consistente, y no se confunde por el tiempo que tarda un experimentador que, por ejemplo, eliminar una rata de la cruz-laberinto o reorganizar los contenedores de excavación. Entrega El refuerzo es automática y no está sujeta a experimentador error (por ejemplo, olvidándose de cebo lacorrecta brazo de una cruz-laberinto). La recolección de datos se mejora de manera similar, con el registro automático de los patrones de respuesta, incluyendo la medición de las latencias de respuesta exactas. En ausencia de otras anomalías de motor, los cambios en las latencias de respuesta pueden ser utilizados para inferir evidencia de alteración de la velocidad de procesamiento y / o para juzgar el nivel de complejidad de una tarea cognitiva 21,22.
Las tareas automatizadas también conservan una ventaja importante de las tareas de cross-laberinto: la capacidad para llevar a cabo un análisis detallado de los tipos de errores cometidos en el turno de día o inversión. Distinguir entre los errores de configuración cambiante que replican el día anterior estrategia (perseverative o errores regresivos) y los errores que representan previamente estrategias no probadas (errores nunca reforzadas) puede ayudar en la caracterización de los déficits específicos en la flexibilidad conductual. En particular, los errores de perseveración que ocurren temprano en la prueba reflejan la incapacidad de un animal a abandonar el st anteriorrategy, mientras que más tarde que ocurren errores regresivos refleja la incapacidad del animal para mantener la nueva estrategia una vez que ha cesado la perseveración 20. Errores Nunca reforzadas pueden indicar una falta de adquisición de la nueva estrategia, o una incapacidad para responder de forma sistemática de acuerdo con una regla de 20. Resultados anteriores 16,17,20 demuestran bases neuroanatómicas disociables de estos tipos de errores también son valiosos en la interpretación de los resultados de estas tareas.
Nuestros procedimientos se han desarrollado y optimizado para su uso con las ratas. Dicho esto, otros grupos han utilizado procedimientos similares para probar las capacidades establecidas cambiante en ratones 31. Sin embargo, ciertas modificaciones deben ser empleados con ratones para dar cabida a las diferencias entre especies. Estos incluyen ya la presentación de la luz señal visual antes de la extensión de la palanca, la formación de varios días utilizando 30 ensayos / día y la incorporación de un castigo de tiempo de espera después de decisiones incorrectas. Although estas modificaciones hacen de este ensayo de menos susceptibles para su uso con retos farmacológicos, podría ser útil para evaluar la flexibilidad cognitiva en ratones genéticamente alterados (aunque no está claro si estas modificaciones serían preservar la sensibilidad de la corteza frontal de la tarea).
Por supuesto, también hay limitaciones a estas tareas. Algunas de estas limitaciones se derivan de la naturaleza automatizada de la tarea, mientras que otras están relacionadas con los parámetros de la tarea en sí. Con respecto a esto último, la tarea de desplazamiento de conjunto descrito aquí (así como la cruz-laberinto configuración cambio de tareas 26) utilizan un conjunto restringido de estímulos y respuestas. A diferencia de la tarea de excavación, en el que nuevos ejemplares (por ejemplo, aromas desconocidos o medios de excavación) pueden ser usados para construir nuevos conjuntos de atención en cada etapa 11,19, la tarea de desplazamiento de conjunto operante requiere necesariamente elegir entre dos estímulos que son familiares para el animales – ya sea la izquierda vs.luz blanca derecha o la izquierda vs. posición correcta. Esto significa que las tareas de configuración cambiante operantes y cross-laberinto implican conflicto respuesta, así como estrategia de cambio, aunque el concepto de cambio de estrategia de la propia a una nueva dimensión de estímulo que antes era irrelevante se conserva 20,23. En una nota relacionada, el set-shifting y reversión operante tareas que se describen aquí no permiten una tercera dimensión de estímulo, como en la tarea de excavación que puede incluir medios de excavación, el olor y la textura de 11,19. Sin embargo, no consideramos esto un defecto fatal, como la tarea de configuración cambiante operante todavía requiere el animal para suprimir la discriminación estrategia previamente relevante y asistir a una dimensión estímulo que antes era ignorado. Además, parece concebible que las modificaciones de los parámetros de los equipos y de la tarea podrían apoyar la adición de una tercera dimensión estímulo, como señales auditivas o de olor, aunque estas adiciones probablemente hacer el aprendizaje más difícil y menos AMEnable a un solo día las pruebas farmacológicas.
Por último, una limitación potencial de cualquier tarea basada en operante es la pérdida de información directa sobre el comportamiento de la rata – es decir, el experimentador ya no se observaba la rata. Creemos que las ventajas de la objetividad y la recopilación de datos de velocidad conferidos por la automatización más que compensar esta pérdida, y cámaras montadas en las cámaras operantes son una forma relativamente fácil de restaurar el acceso visual individual si se desea.
Hay una serie de pasos que se pueden tomar para maximizar el éxito utilizando estas tareas operantes. En primer lugar, la importancia del manejo de los animales antes del entrenamiento comienza no puede ser exagerada; como con cualquier tarea de comportamiento, animales bien manejados son más fáciles de trabajar, están menos estresados y tienden a producir menos datos variables. En segundo lugar, algunas pruebas piloto puede ser necesaria para determinar el mejor momento del día para llevar a cabo las pruebas; ponemos a prueba durante el ciclo de luz, y encontramos que performance es óptima cuando los animales se prueban cerca del final de este ciclo (por ejemplo, aproximadamente a las 4:00 pm para un ciclo de luz termina en 19:00). En tercer lugar, se debe tener cuidado para confirmar que el rendimiento estable se establece en cada etapa pre-entrenamiento antes de que un animal es avanzada para el siguiente paso. Por ejemplo, un rendimiento consistente y sólido en la etapa de formación palanca retráctil es un excelente predictor del rendimiento de dominio en la tarea de discriminación "set". En cuanto al equipamiento, a pesar de todos los pasos están automatizados, la intervención del experimentador sigue siendo necesario confirmar que todos los componentes están en buen estado de funcionamiento. Por ejemplo, una verificación de equipos se debe ejecutar al día (o más de una vez al día, si se están probando gran número de animales) para asegurarse de que todas las luces, palancas, y sistemas de entrega de recompensa están en funcionamiento. En particular, el mal funcionamiento de los sistemas de suministro de recompensa (en particular los dispensadores de pellets) pueden afectar drásticamente el rendimiento. Un número inusualmente alto de omisiones enun día determinado puede indicar un problema con el equipo entrega la recompensa, y por lo tanto la salida de datos se debe comprobar todos los días por un experimentador familiarizado con la tarea y los niveles de rendimiento esperados. En ausencia de un mal funcionamiento del equipo, un alto número de omisiones puede indicar otros problemas con la motivación o la salud animal. Si un animal está sano, la restricción de alimentos puede incrementarse a llevar al animal a un 80-85% del peso de la lactancia por un poco de tiempo hasta que el rendimiento se recupere.
Estas tareas establecidas cambiantes y de reversión se pueden utilizar en una variedad de paradigmas experimentales. Por ejemplo, los efectos de las manipulaciones tales como lesiones, tratamientos de desarrollo, manipulaciones de la dieta, tratamiento farmacológico a largo plazo, o modificaciones genéticas podrían ser investigados. Mientras que el efecto de un tratamiento en la etapa de puesta en desplazamiento o la reversión puede ser de interés primario, tenga en cuenta que, dado que tales tratamientos crónicos o permanentes necesariamente deben administrarse antes de training comienza, los efectos en múltiples etapas de rendimiento (en particular sobre la discriminación inicial o "set") también deben ser examinados 21. El uso de manipulaciones agudas, como los tratamientos farmacológicos o inactivaciones neuroanatómicas temporales, son particularmente adecuados para estas tareas. En tales casos, la adición de un tercer grupo (como se ilustra en la Figura 2) es útil; Así, el grupo experimental primario recibe la manipulación de interés en el día de cambio o inversión, mientras que un grupo de control recibe la manipulación en el día de la discriminación inicial o "set" para probar los efectos amplios sobre el aprendizaje, y un segundo grupo de control recibe no hay manipulaciones (o tratamientos simulados) en ambos días 20,22. Tenga en cuenta que para tales estudios de manipulación de agudos, es recomendable para que coincida con ratas para el rendimiento durante el aprendizaje del conjunto inicial y asignar al grupo experimental y (segundo) grupo de control en consecuencia. Este minimIZES la posibilidad de que las diferencias inducidas por el tratamiento en el rendimiento pueden ser confundidos por las variaciones individuales en la facilidad con que las ratas aprenden a discriminar entre estímulos. Además, si un experimento requiere prueba de múltiples cohortes durante semanas o meses, cada cohorte debe incluir los animales de todos los grupos experimentales. Por ejemplo, un estudio de probar los efectos de las manipulaciones farmacológicas agudas durante un cambio puede requerir 48 ratas en total y 3 grupos experimentales, probados en tres cohortes de 16 animales cada uno. En este caso, cada cohorte debe contener 5-6 ratas en cada grupo experimental. Idealmente, los análisis estadísticos deben incluir un factor que confirma que no hubo diferencias en el rendimiento a través de cada cohorte de ratas. Finalmente, estas tareas operantes pueden ser particularmente útiles para la aplicación de las técnicas de grabación en vivo, incluyendo microdiálisis, voltametría, y electrofisiología, debido a los componentes tales como el medio ambiente controlado, el momento preciso de Present estímuloiones y respuestas, y los movimientos restringidos de los animales que no están disponibles o práctica en el laberinto cruz o tareas de excavación.
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 |