Operant protokoll för att bedöma den kostnads-nyttoanalys under förstärkt beslutsfattande av gnagare
Summary
En kostnads-nyttoanalys är en våg strategi som hjärnan utför under loppet av beslutsfattande. Här föreslår vi ett protokoll att träna råttor på ett operant-baserat beslutsfattande paradigm där råttor väljer högre belöningar på bekostnad av väntar 15 s ta emot dem.
Abstract
Förstärkning-guidad beslutsfattande är möjligheten att välja mellan konkurrerande handlingsalternativ utifrån det relativa värdet av förmånerna och deras konsekvenser. Denna process är viktig för att den normalt mänskligt beteenden och har visat sig störas av neurologiska och psykiatriska störningar, såsom missbruk, schizofreni och depression. Gnagare har länge använts för att avslöja neurobiologin av människans uppfattningsförmåga. I detta syfte har flera behavioral uppgifter utvecklats; men de flesta är icke-automatiserad och arbetsintensiva. Den senaste utvecklingen av öppen källkod mikrokontroller har gjort det möjligt för forskare att automatisera operant-baserade uppgifter för att bedöma en mängd kognitiva uppgifter, standardisera stimulans presentationen, förbättra dataregistrering och följaktligen förbättra forskning utdata. Här beskriver vi en automatisk försening-baserade förstärkning-guidad beslutsfattande uppgift, med en operant T-maze kontrolleras av custom skrivna program. Använder dessa beslutande uppgifter, visar vi ändringarna i de lokala potentiella fältverksamhet i anterior cingulate cortex av en råtta medan den utför en försening-baserade kostnads-och beslutsfattande uppgift.
Introduction
Beslutsfattande är processen att erkänna och välja valen baserat på värden och inställningar av beslutsfattaren och konsekvenserna av den valda åtgärd1. Även om beslutsfattande har studerats i olika fält (dvs, ekonomi, psykologi och neurovetenskap), neurala mekanismerna bakom sådana kognitiva förmågor inte är ännu helt förstått. Två underkategorier av beslutsfattande är perceptuella beslutsfattande och förstärkning-guidad beslutsfattande. Även om de innehåller betydande överlappande element och begrepp, perceptuella beslutsfattande är beroende av de tillgängliga sensoriska information1,2, medan förstärkning-guidad beslutsfattande behandlar det relativa värdet åtgärder som vunnits under en specifik tidsram3. En viktig aspekt av förstärkt beslutsfattande är den kostnadsnyttoanalys som utförs intuitivt av hjärnan genom computing fördelarna med de givna val och subtrahera kostnaderna för varje alternativ1.
T-maze (eller varianten Y-labyrint) är en av de vanligaste labyrinterna i kognitiv experiment med gnagare. Djur placeras i start-armen (basen av T) och välja målet armen (en sida armar). Uppgifter såsom en påtvingad alternationen eller vänster höger diskriminering används främst med gnagare i T-maze för att testa referens och fungerande minne4. T-labyrinter används också allmänt i beslutsfattandet experiment5,6,7. I den enklaste utformningen, är belöningen placerad i bara ett mål arm. Valet är förutsägbar, och djur skulle verkligen föredra belöningen i stället för ingenting, oavsett belöning värde. Ett annat alternativ är att placera belöningar i båda mål armarna och sedan låta djuren gör ett val av vilken väg att ta beroende på flera parametrar (dvs, naturliga preferensen av djuret, skillnaden i värdet av belöningar, och kostnaderna ska betalas). I värdebaserad design, är uppgiften mer komplicerat genom att ha våg boenden. På detta sätt får ett djur annorlunda värderas belöningar genom att välja mellan de två alternativen, liksom mellan kostnaderna för åtgärderna [dvs, mängden väntar (dröjsmål-baserat) eller mängden ansträngning (ansträngning-baserade) behövs för att få belöningar], varje bidrar till det beslut som görs5,6.
I traditionella dröjsmål-baserade T-maze på beslutsfattande, djur är utbildade att välja hög belöning armen (HRA) och undvika motsatsen låg belöning arm (LRA). Sidorna av HRA och LRA oförändrade under hela försöket. Även om den uppgift som beskrivs ovan är väl dokumenterade i litteraturen, lider det flera processuella nackdelar. För det första genom att ha en fast mål arm, vet djuret som arm för att välja från början av varje prövning. I det här fallet kan djur Välj mål armen baserat på deras minne i stället för beslutsfattande. Därför i en försening-baserat beslutsfattande paradigm blir om ett djur väljer låga belöningen på grund av studie ingripande, det inte klar om detta är på grund av en förlust av minne eller till studie ingripande. En minne kontrollgrupp att segregera observerade beteendet från minnesproblemet kan övervägas, men detta bördor forskare och djur både på grund av det ytterligare arbete7. En andra bekymmer är tidpunkten för beslutsfattande av djur: när djur når zonen beslut (korsningen av alla tre armar), de brukar titta till vänster och till höger, väga kostnader och fördelar avseende varje arm och sedan fatta sitt beslut. Men efter några försök, de utföra sådan en beräkning innan anländer till zonen beslut och bara köra direkt till belöning armen. Som ett resultat av dessa två nackdelar — en pre bias till en arm och att hitta tidpunkten för beslutsfattande — båda mycket avbryta tolkningen av elektrofysiologiska och neuroimaging data.
I metoden förklaras i denna uppsats, rekommenderad armen (HRA) är cued av en auditiv cue och kan variera från rättegång till rättegång. Djur initiera prövningar genom att ange zonen test (figur 1) och utlöser den auditiva cue av ”näsa-peta” en infraröd port som har placerats vid korsningen av tre armar. Ljudsignalen (20 dB, mellan 500 och 1000 ms) spelas från en högtalare i slutet av målet armen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Gnagare har länge använts i neurovetenskapliga studier som behandlar olika ämnen, från kognitiva förmågor såsom lärande och minne2,14 och förstärkt beteende7,15,16 central kontroll av organ17,18 och neurofarmakologi19,20. Föreslagna protokollet…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna forskning stöddes av RMH neurovetenskap Foundation, Australien; Australiska hjärnan stiftelsen; RACP Thyne Reid gemenskap, Australien; och genom ett projekt ger från kognitiva vetenskaper och teknik rådet, Iran att Abbas Haghparast.
Materials
| T-maze | Self made | ||
| Dustless Precision Sugar Pellets | TSE Systems Intl. Group | F0023 | 45 mg, Sucrose |
| Ketamine Hydrochloride Injection, USP | Sigma-Aldrich | 6740-87-0 | |
| Xylazine | Sigma-Aldrich | 7361-61-7 | |
| stereotaxic device | Stoelting | ||
| Isofluran | Santa Cruz Biotechnology | sc-363629Rx | |
| PFA-coated stainless-steel wires | A-M systems | ||
| acrylic cement | Vertex, MA, USA | ||
| (wooden or PVC (polyvinyl chloride)-made) | local suppliers | ||
| Mini-Fit Power Connector | Molex | 15243048 | |
| ethannol 70% | Local suppliers | ||
| buprenorphine | diamondback drugs | ||
| Arduino UNO | Arduino | https://www.arduino.cc/ | |
| Infrared emitting diode | Sharp | GL480E00000F | http://www.sharp-world.com/ |
| Chronux Toolbox | Chronux.org | ||
| Arduino codes | https://github.com/dechuans/arduino-maze |
References
- Gold, J. I., Shadlen, M. N. The neural basis of decision making. Annual Review of Neuroscience. 30, 535-574 (2007).
- Shi, Z., Müller, H. J. Multisensory perception and action: development, decision-making, and neural mechanisms. Frontiers in Integrative Neuroscience. 7, 81 (2013).
- Sutton, R. S., Barto, A. G. . Reinforcement Learning: An Introduction. 1, (1998).
- Khani, A., Rainer, G. Neural and neurochemical basis of reinforcement-guided decision making. Journal of Neurophysiology. 116, 724-741 (2016).
- Fatahi, Z., Haghparast, A., Khani, A., Kermani, M. Functional connectivity between anterior cingulate cortex and orbitofrontal cortex during value-based decision making. Neurobiology of Learning and Memory. 147, 74-78 (2018).
- Khani, A., et al. Activation of cannabinoid system in anterior cingulate cortex and orbitofrontal cortex modulates cost-benefit decision making. Psychopharmacology. 232, 2097-2112 (2015).
- Rudebeck, P. H., Walton, M. E., Smyth, A. N., Bannerman, D. M., Rushworth, M. F. Separate neural pathways process different decision costs. Nature Neuroscience. 9, 1161-1168 (2006).
- Gage, G. J., et al. Surgical implantation of chronic neural electrodes for recording single unit activity and electrocorticographic signals. Journal of Visualized Experiments. (60), e3565 (2012).
- Paxinos, G., Watson, C. . The Rat Brain in Stereotaxic Coordinates. , (1998).
- Bokil, H., Andrews, P., Kulkarni, J. E., Mehta, S., Mitra, P. P. Chronux: a platform for analyzing neural signals. Journal of Neuroscience Methods. 192, 146-151 (2010).
- Cohen, M. X. . Analyzing Neural Time Series Data: Theory and Practice. , (2014).
- Luk, C. -. H., Wallis, J. D. Choice coding in frontal cortex during stimulus-guided or action-guided decision-making. Journal of Neuroscience. 33, 1864-1871 (2013).
- Rudebeck, P. H., et al. Frontal cortex subregions play distinct roles in choices between actions and stimuli. Journal of Neuroscience. 28, 13775-13785 (2008).
- Goshadrou, F., Kermani, M., Ronaghi, A., Sajjadi, S. The effect of ghrelin on MK-801 induced memory impairment in rats. Peptides. 44, 60-65 (2013).
- Haghparast, A., et al. Intrahippocampal administration of D2 but not D1 dopamine receptor antagonist suppresses the expression of conditioned place preference induced by morphine in the ventral tegmental area. Neuroscience Letters. 541, 138-143 (2013).
- Esmaeili, M. -. H., Kermani, M., Parvishan, A., Haghparast, A. Role of D1/D2 dopamine receptors in the CA1 region of the rat hippocampus in the rewarding effects of morphine administered into the ventral tegmental area. Behavioural Brain Research. 231, 111-115 (2012).
- Chaleek, N., Kermani, M., Eliassi, A., Haghparast, A. Effects of orexin and glucose microinjected into the hypothalamic paraventricular nucleus on gastric acid secretion in conscious rats. Neurogastroenterology & Motility. 24, e94-e102 (2012).
- Kermani, M., Eliassi, A. Gastric acid secretion induced by paraventricular nucleus microinjection of orexin A is mediated through activation of neuropeptide Yergic system. Neuroscience. 226, 81-88 (2012).
- Kermani, M., Azizi, P., Haghparast, A. The role of nitric oxide in the effects of cumin (Cuminum Cyminum L.) fruit essential oil on the acquisition of morphine-induced conditioned place preference in adult male mice. Chinese Journal of Integrative Medicine. , 1-6 (2012).
- Ahmadi, A., et al. Synthesis and antinociceptive behaviors of new methyl and hydroxyl derivatives of phencyclidine. Current Medicinal Chemistry. 19, 763-769 (2012).
