מבחן הערנות Psychomotor המכרסם (rPVT): שיטה להערכת ביצועי נוירו-התנהגותיות אצל חולדות ועכברים
Summary
גרסת חולדה של מבחן ערנות Psychomotor אדם (PVT) מתוארת מודד היבטים של תשומת לב דומים לשיעורים שנמדדו עם PVT האדם, כולל היבטים של ערנות אדם כגון דיוק ביצועים, מהירות מנוע, מוקדם להגיב, ובפערים בדום.
Abstract
מבחן ערנות Psychomotor האדם (PVT) הוא הליך בשימוש נרחב למדידת השינויים עייפות קשב מתמשך. המאמר הנוכחי מתאר גרסה מכרסמת של PVT-שמכונה "rPVT", כלומר מודד היבטים דומים של תשומת לב (כלומר, דיוק ביצועים, מהירות מנוע, מוקדם להגיב, ובפערים בקשב). הנתונים מוצגים הממחישים הן בטווח הקצר והן התועלת ארוכת הטווח של rPVT כאשר מועסק עם חולדות מעבדה. חולדות בקלות ללמוד את rPVT, ולמידה כדי לבצע את ההליך הבסיסי לוקח פחות משבועיים של אימונים. רכש פעם, מופעי עכברוש rPVT להראות רמה גבוהה של דמיון מדדי ביצוע אותם ב PVT האדם, כולל דמיון, כשלי לב, זמני תגובה, decrements ערנות לאורך זמן הפעלה (כלומר, האדם "זמן-On- משימה "אפקטים), ואת מרווח גירוי-תגובה (RSI האפקט) תאר עבור בני אדם. כך rPVT יכול להיות כלי בעל ערך רב בבחינת ההשלכות של מגוון רחב של משתנה על קשב מתמשך די דומה הופעות PVT אנושיות, ולפיכך יכול להיות שימושי עבור פיתוח טיפולים חדשניים עבור תפקוד נוירו-התנהגותיות.
Introduction
מבחן הערנות פסיכומוטורי האדם (PVT) הוא בשימוש נרחב, כלי היטב תוקף למדידת ערנות ותשומת לב מתמשכת אצל בני אדם, פותח במקור על ידי Dinges et al. 1-3 להערכת יציבות זמני תגובה ותשומת לב (למשל, טעויות מבחינת תגובות ובפערים מוקדמים בקשב), הוא בתוך הפעלות בהכללות ועל פני זמן בתוך מפגשים אישיים. במהלך השנים, PVT האדם כבר שינוי ומעודכן 4-11 כדי לעקוב אחר שינויים זמניים לב היבטים שונה, הודגם להיות רגיש לשינויי מניעת שינה ועייפות, ומושפע שימוש בסמים בגיל הנושאים 12 , 13. PVT היא תהליך פשוט לכאורה שבה נושא בקצרה נוגע מסך כאשר גירוי (בדרך כלל להציג מספר LED) מופיע באופן אקראי בזמן, בדרך כלל לאחר 2 – 10 s. בגרסה האנושית, תצוגת המספר מוגדלת ב- MS ועצרה כאשר tהוא המסך הוא נגע, וכך הוא גם מבטא את זמן התגובה של הנבדק (RT). ירידות ערנות מסומנים על ידי 1) האט זמני תגובה, 2) עלייה נסיגות (המכונה "טעויות של השמטה" בספרות האנושית, ובדרך כלל מוגדר RTS כי הם> 500 ms אורך), ו -3) עלייה בתגובה מוקדמת (המכונה "טעויות של הוועדה" או "התחלות כושלות" בספרות האנושית). אמצעים אחרים ניתן להשיג גם עם PVT לבחינה משתנית כגון הבדלי מין וגיל; עבור סקירה של אמצעים אלה, ראה Basner ו Dinges 4. לבסוף, PVT הועסק באזור הכללי של הערכת סיכוני אדם, ויש בו נעשה שימוש בהצלחה תחת מגוון רחב של תחומי פעילות הכוללים צבא, תעשיות התעופה ותחנות רכבת, כמגישי עזרה ראשונות, וסביבות קיצוניות כגון משימות אקסטרים הסביבה של נאס"א תפעול (NEEMO), פרויקט מאדים 500 בינלאומי 14, ועל הבינלאומי SPACתחנת דואר (ISS). על ה- ISS, PVT נקרא "תגובת הבדיקה העצמית" ומועסק לספק לאסטרונאוטים עם משוב לעייפות הקשורה אישיות (למשל, שינויי RTS או כשלי לב).
PVT האדם כבר בשימוש במשך עשרות שנים, כמו שיש גרסות מכרסמות של משימות זמן תגובה פשוט (אשר דומות במקצת). זה כבר רק לאחרונה, עם זאת, כי עמיתו מכרסם ישיר PVT האדם דווח בספרות. כריסטי ועמיתיו תיארו גרסה של PVT אדם לחולדות, ודיווח ירידות ערנות בעקבות מניעת שינה 15,16. מחקרים אחרונים נוספים דיווחו גרסאות של rPVT 17-19. דוחות אלה תארו שינויי קשב מתמשך באי טכניקות מניעת שינה שונות; עם זאת, הנתונים ממחקרים אלה דיווחו גם רמות גבוהות של להגיב מוקדם (למשל, במקרים מסוימים, יותר מ -40% של המספר הכולל של responses); הופעות כאלה הן די שונים מכל מופעי PVT עם בני אדם. כזה הבדל גדול מכרסם לעומת הופעות אדם צפויות בשל הבדלים בפרמטרים מסוימים המועסקים במסגרת התפישה האנושית לעומת הגירסות המכרסמות של PVT; למשל, ואח כריסטי. המחקר העסיק משתנה 3 באקראים – foreperiod ים 7, בעוד PVT אדם בדרך כלל מעסיק 2 – foreperiod של 10 (למרות לראות Basner ואחות 5 עבור גרסה 3-דקות של PVT האדם המשתמשת 1 -. foreperiod של 4) . שימוש ערכי foreperiod קצרים יחסית לעתים קרובות יכול לגרום חיות "עיתוי" התגובות שלהם, וכך ניתן לקדם, באמצעות חיזוק בשוגג, גדל מספרם של תגובות מוקדמות, כמו דווח במחקרי rPVT המכרסם הנוכחיים.
הגרסה של rPVT המתואר כאן מבוסס על מאמר שפורסם בעבר שלנו 20, ומספק תיאור מפורט של טכניקות והליכים מעורבים. זה שונהמהגירסות שפורסמו בעבר של rPVT ב אחד מאלה: 1) חולדות אומנו עם ערכי foreperiod משתנים של 3 – 10 שניות, ו -2) חולדות נאלצו להגיב במהירות, שכן תגובות רק בתוך חלון תגובה קצרה (המכונה גם "רישיון מוגבל להחזיק ") בעקבות הופעת הגירוי תוגברו (1.5 s במחקר הנוכחי; 3.0 s בגרסות שפורסמו הקודמות של rPVT). באמצעות שינויים אלה, כמו גם פסקי זמן קצרים עבור שגוי להגיב הביא לרמות גבוהות יותר של שליטת גירוי, כפי שצוין על ידי שיפורים משמעותיים דיוק הרמות נמוכים של להגיב מוקדם. הדו"ח הנוכחי מתאר גם שינויים צפויים במשתני ביצועים (למשל, נסיגות בקשב, RTS) מקבילות לאלו לראות בבני אדם כאשר ערנות בחינת decrements 21, וכאשר בוחנים למדד ביצועים אחרים לרבות האדם "זמן על משימה" אפקט ואת המענה מרווח גירוי (RSI), לפיה הוא ציין PVT אדם <sעד> 22.
הגרסה הסופית של rPVT המתואר כאן מתחילה להדליק אור בית (ראה איור 1). לאחר הפוגה משתנה (foreperiod) של 3 – 10 שניות שחולף, המפתח-לדחוף את האף מואר לכל היותר 1.5 s. (כדי להבטיח חלוקה שווה של משכי foreperiods, ערכים נוצרים באופן אקראי ללא החלפה מתוך רשימה של 36 ערכים אפשריים כי נעו בין 3 ל 10 שניות, מבוססים על 200 במרווחי ms.) תאורת מפתח nosepoke היא האות בעל חיים להגיב, תגובה המתרחשת בין 150 ל -1,500 ms בעקבות הופעת האור מתחזק עם גלולה של 45 מ"ג. לאחר תגובה מזוינת, הוא לאור המפתח לדחוף את האף ואת האור בבית כבוי וכן מרווח 1 של בין משפט (ITI; אור הבית כבוי) מתפתח. אף-ונועץ לפני הופעת אור לייצר פסק זמן של 8 (TO) מן האפשרויות ניסיון כי הוא אותת על ידי כיבוי האור בבית. אם אין תגובות להתרחש בתוך 1.5 מילי היםחלון ponse, הוא לאור nosepoke ואור הבית כבוי, ו- 1 של ITI מתפתח. שווי foreperiod המתוזמן הבא עבור משפטו מתחיל לאחר גם את ITI 1 s או 8 S כדי, לפי התרחש במהלך המשפט מראש. הפעלות אלה מבוצעות מדי יום (5 ימים / שבוע), בדרך כלל מורכב של כ -200 ניסויים, ולסיים לאחר 30 דקות. התוצאה עם כל ניסוי בעל משך של כ 7.5 s, בממוצע.
בעיצוב ביצועי בסיס יציב על rPVT מושגת על ידי 1) בתחילה התאמת עכברוש לקחת כדורי מזון מתוך מגש אוכל בבית הבליעה, 2) יד בעיצוב עכברוש להגיב על מפתח לדחוף את האף על ידי חיזוק קירובים רצופים לגמר אף לתקוע בתגובה, ו -3) ניצוח הפעלות יומיות שם הפרמטרים של הליך rPVT (כלומר, foreperiod, ITI, TO, ופעמי מפתח תאורה) מותאמות באופן מדורג על פני מושב, תלוי כמה טוב בכל עכברוש מבצע במהלך כל מושב (מתואר בפירוט בהמשך).
Protocol
Representative Results
Discussion
המתודולוגיה המתוארת להלן תוצאות בהופעות rPVT בחולדות כי להשוות לטובה בהיבטים רבים לביצועי PVT הטיפוסיים מהמדווח בספרות האנושית. תוך שימוש בטכניקות ההווה, אחד יכול לאמן חולדות במהירות לבצע את rPVT, והמופעים שהושגו עם טכניקות אלו מאופיינים הבחנות ברורות (כלומר, רמות ג…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This research was supported by NASA (NNX15AC17G to CMD), and by NASA cooperative agreement NCC 9-58 (E000010 to CMD, NBPF02802 and NBPF04201 to RDH) with the National Space Biomedical Research Institute.
Materials
| Modular rat operant chamber with stainless steel grid floor | Med Associates | ENV-008 | Med Associates Inc. PO Box 319 St. Albans, Vermont 05478, USA Phone: (802) 527-2343 |
| Sound attenuating chamber | Med Associates | ENV-022MD | Houses rat operant chamber |
| Houselight for rat | Med Associates | ENV-215M | |
| 1" diameter rat nose poke response key | Med Associates | ENV-119M-1 | |
| Pellet receptacle, trough type | Med Associates | ENV-200R2M | |
| Modular pellet dispenser for rat, 45-mg | Med Associates | ENV-203M-45 | |
| PCI Operating package for up to 8 operant chambers | Med Associates | MED-SYST-8 | |
| SmartCtrl | Med Associates | DIG-716P1 | This catalog number has 8 outputs and 4 inputs which is the minimum needed to run the rPVT; SmartCtrl can also be purchased with 16 outputs and 8 inputs for more flexibility |
| Med-PC IV software | Med Associates | SOF-735 | |
| PC computer with PCI card slot | Any manfacturer (e.g., Dell) | Use of the PCI operating package requires a computer with a PCI card slot. Systems that use PCIe are available. Contact Med Associates for details. | |
| Dustless Precision pellets 45-mg rodent grain-based diet | Bio Serv | FO165 | Bio-Serv One 8th Street, Suite 1 Frenchtown, NJ 08825, USA Phone: (800)-996-9908; Standard chow pellets are commonly used. Different pellets (e.g., sucrose) can be acquired from Bio Serv. |
References
- Dinges, D. F., Orne, M. T., Whitehouse, W. G., Orne, E. C. Temporal placement of a nap for alertness: contributions of circadian phase and prior wakefulness. Sleep. 10, 313-329 (1987).
- Dinges, D. F., Powell, J. W. Microcomputer analyses of performance on a portable, simple visual RT task during sustained operations. Behav Res Method Inst Comp. 17, 652-655 (1985).
- Kribbs, N. B., et al. Effects of one night without nasal CPAP treatment on sleep and sleepiness in patients with obstructive sleep apnea. Am Rev Respir Dis. 147, 1162-1168 (1993).
- Basner, M., Dinges, D. F. Maximizing sensitivity of the psychomotor vigilance test (PVT) to sleep loss. Sleep. 34, 581-591 (2011).
- Basner, M., Mollicone, D., Dinges, D. F. Validity and Sensitivity of a Brief Psychomotor Vigilance Test (PVT-B) to Total and Partial Sleep Deprivation. Acta Astronaut. 69, 949-959 (2011).
- Dinges, D. F., et al. Cumulative sleepiness, mood disturbance, and psychomotor vigilance performance decrements during a week of sleep restricted to 4-5 hours per night. Sleep. 20, 267-277 (1997).
- Drummond, S. P., et al. The neural basis of the psychomotor vigilance task. Sleep. 28, 1059-1068 (2005).
- Jewett, M. E., Dijk, D. J., Kronauer, R. E., Dinges, D. F. Dose-response relationship between sleep duration and human psychomotor vigilance and subjective alertness. Sleep. 22, 171-179 (1999).
- Lim, J., Dinges, D. Sleep deprivation and vigilant attention. Ann N Y Acad Sci. 1129, 305-322 (2008).
- Van Dongen, H. P., Dinges, D. F. Sleep, circadian rhythms, and psychomotor vigilance. Clin Sports Med. 24 (2), 237-249 (2005).
- Van Dongen, H. P., et al. Caffeine eliminates psychomotor vigilance deficits from sleep inertia. Sleep. 24 (7), 813-819 (2001).
- Blatter, K., et al. Gender and age differences in psychomotor vigilance performance under differential sleep pressure conditions. Behav Brain Res. 168 (2), 312-317 (2006).
- Lim, J., Dinges, D. F. Sleep deprivation and vigilant attention. Annals of the New York Academy of Sciences. 1129, 305-322 (2008).
- Basner, M., et al. Mars 520-d mission simulation reveals protracted crew hypokinesis and alterations of sleep duration and timing. Proc Natl Acad Sci U S A. 110, 2635-2640 (2013).
- Christie, M. A., et al. Microdialysis elevation of adenosine in the basal forebrain produces vigilance impairments in the rat psychomotor vigilance task. Sleep. 31, 1393-1398 (2008).
- Christie, M. A., McKenna, J. T., Connolly, N. P., McCarley, R. W., Strecker, R. E. 24 hours of sleep deprivation in the rat increases sleepiness and decreases vigilance: introduction of the rat-psychomotor vigilance task. J. Sleep Res. 17, 376-384 (2008).
- Oonk, M., Davis, C. J., Krueger, J. M., Wisor, J. P., Van Dongen, H. P. Sleep deprivation and time-on-task performance decrement in the Rat Psychomotor Vigilance Task. Sleep. 38, 445-451 (2015).
- Loomis, S., McCarthy, A., Edgar, D., Tricklebank, M., Gilmour, G. Behavioural evidence that modafinil and amphetamine do not produce equivalent qualities of wake promotion in sleep-restricted rats. Sleep Medicine. 14, 185 (2013).
- Deurveilher, S., Bush, J. E., Rusak, B., Eskes, G. A., Semba, K. Psychomotor vigilance task performance during and following chronic sleep restriction in rats. Sleep. 38, 515-528 (2015).
- Davis, C. M., Roma, P. G., Hienz, R. D. A rodent model of the human psychomotor vigilance test: Performance comparisons. J Neurosci Methods. 259, 57-71 (2016).
- Lim, J., et al. Imaging brain fatigue from sustained mental workload: an ASL perfusion study of the time-on-task effect. Neuroimage. 49, 3426-3435 (2010).
- Tucker, A. M., Basner, R. C., Stern, Y., Rakitin, B. C. The variable response-stimulus interval effect and sleep deprivation: an unexplored aspect of psychomotor vigilance task performance. Sleep. 32, 1393-1395 (2009).
- Skinner, B. F. . The behavior of organisms: an experimental analysis. , (1938).
- Warm, J. S., Parasuraman, R., Matthews, G. Vigilance requires hard mental work and is stressful. Hum Factors. 50, 433-441 (2008).
- Blatter, K., et al. Gender and age differences in psychomotor vigilance performance under differential sleep pressure conditions. Behav Brain Res. 168, 312-317 (2006).
- Raymann, R. J., Van Someren, E. J. Time-on-task impairment of psychomotor vigilance is affected by mild skin warming and changes with aging and insomnia. Sleep. 30, 96-103 (2007).
- Beijamini, F., Silva, A. G., Peixoto, C. A., Louzada, F. M. Influence of gender on psychomotor vigilance task performance by adolescents. Braz J Med Biol Res. 41, 734-738 (2008).
- Davis, C. M., DeCicco-Skinner, K. L., Hienz, R. D. Deficits in Sustained Attention and Changes in Dopaminergic Protein Levels following Exposure to Proton Radiation Are Related to Basal Dopaminergic Function. PLoS One. 10, 0144556 (2015).
- Stebbins, W. C. Response latency as a function of amount of reinforcement. J Exp Anal Behav. 5, 305-307 (1962).
- Stebbins, W. C., Lanson, R. N. Response latency as a function of reinforcement schedule. J Exp Anal Behav. 5, 299-304 (1962).
- Christie, M. A., McCarley, R. W., Strecker, R. E. Twenty-four hours, or five days, of continuous sleep deprivation or experimental sleep fragmentation do not alter thirst or motivation for water reward in rats. Behav Brain Res. 214, 180-186 (2010).
- Koban, M., Sita, L. V., Le, W. W., Hoffman, G. E. Sleep deprivation of rats: the hyperphagic response is real. Sleep. 31, 927-933 (2008).
- Moody, D. B., Stebbins, W. C. . Animal Psychophysics, The Design and Conduct of Sensory Experiments. , 277-302 (1970).
- Pfingst, B. E., Hienz, R. D., Kimm, J., Miller, J. M. Reaction-time procedure for measurement of hearing I. Suprathreshold functions. J Acoust Soc Am. 57, 421-430 (1975).
- Stebbins, W. C. Auditory reaction time and the derivation of equal loudness contours for the monkey. J Exp Anal Behav. 9, 135-142 (1966).
- Hienz, R. D., Weerts, E. M., VandeBerg, J. L., Williams-Blanger, S., Tardif, S. D. . The Baboon in Biomedical Research. , (2009).
- May, B. J., Huang, A. Y., Aleszczyk, C. M., Hienz, R. D., Klump, G. M., Dooling, R. J., Fay, R. R. . Methods of Comparative Acoustics. , 95-108 (1995).
