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神经科学

La tarea de excavación: Un Discriminación Scent simple revela déficits posterior al daño cerebral frontal

Published: January 04, 2013
doi:
10.3791/50033
, , ,
1Department of Psychology,Southern Illinois University at Carbondale

Summary

En este protocolo, una nueva aplicación de la discriminación del olor se describe. La tarea Dig es una tarea bastante barato que se puede utilizar para evaluar la cognición frontalmente mediada después de daño cerebral.

Abstract

El deterioro cognitivo es la causa más frecuente de discapacidad en los seres humanos después del daño cerebral, pero las tareas de comportamiento utilizados para evaluar la cognición en modelos de roedor de lesión cerebral es deficiente. Los préstamos de la literatura operante nuestro laboratorio se utilizó un paradigma olor discriminación básica 1-4 con el fin de evaluar los déficits en ratas con lesión frontalmente. Anteriormente hemos descrito brevemente la tarea de excavación y demostró que las ratas con daño cerebral frontal muestran déficits severos en todas las pruebas múltiples dentro de la tarea 5. Aquí presentamos un protocolo más detallado para esta tarea. Las ratas se colocan en una cámara y se deja de discriminar entre dos arenas aromáticas, una de las cuales contiene un reforzador. El juicio termina después de la rata sea discrimina correctamente (que se define como cavar en la arena perfumada correcta), incorrectamente discrimina, o transcurrido 30 seg. Las ratas que discriminan correctamente se permita la recuperación y consumir el reforzador. Las ratas que discriminate incorrectamente se retiran inmediatamente de la cámara. Esto puede continuar a través de una variedad de reversiones y aromas nuevos. El análisis primario es la precisión para cada emparejamiento olor (proporción acumulada correcta para cada olor). Los resultados generales de la tarea Dig sugieren que es una simple preparación experimental que pueda evaluar los déficits en las ratas con daño bilateral cortical frontal en comparación con ratas con daño parietal unilateral. La tarea Dig también se pueden incorporar fácilmente en una batería de pruebas cognitivas existentes. El uso de más tareas tales como éste puede llevar a pruebas más precisa de la lesión frontal siguiente función, que puede conducir a opciones terapéuticas para el tratamiento. Todo uso de los animales se realizó de conformidad con los protocolos aprobados por el Cuidado de Animales institucional y el empleo Comisión.

Introduction

El daño cerebral resultante de una lesión traumática del cerebro (TBI) y el ictus es una de las principales causas de muerte y discapacidad en los Estados Unidos. En conjunto, estos resultados trastornos en un total de casi 2,5 millones de incidencias, con cerca de 500.000 con resultado de muerte o discapacidad 6-7. A pesar de esta pesada carga para la sociedad, muy pocos tratamientos han sido desarrollados para tratar cualquiera de los dos TBI o un derrame cerebral. En cierta medida, la falta de opciones de tratamiento disponibles puede atribuirse a la insuficiencia de las evaluaciones de comportamiento de nuevos fármacos y terapias 8. En particular, existe una falta de tareas para evaluar con exactitud y sensibilidad a los efectos de los tratamientos sobre los diversos déficit cognitivo después de la lesión cerebral en la bibliografía preclínica. Actualmente, la mayoría de las evaluaciones cognitivas que se realizan evaluar la memoria espacial utilizando una tarea de laberinto como el laberinto de agua de Morris 9. Hay varias razones para esta falta de pruebas, incluyendo el tiempo que se tardaplenamente caracterizar y evaluar los déficits cognitivos, la fuerte dependencia en costosos equipos y conocimientos para utilizar las tareas operantes, y la velocidad a la que estas evaluaciones pueden ser realizadas. Para este fin, se han adaptado una tarea olor discriminación de base, la tarea Dig, para evaluar la lesión cerebral después de la cognición. La tarea Dig está diseñado para ser una herramienta barata, rápida y eficaz para evaluar la lesión disfunción cognitiva siguiente cerebro de una lesión cerebral traumática o apoplejía.

La tarea de excavación se basa en los principios básicos operantes de aprendizaje y toma de decisiones. Como es sólo un paradigma de decisión de dos elección, esta tarea representa una de las más simples discriminaciones que se pueden hacer. En el protocolo a continuación los detalles para la configuración de la tarea, así como la metodología de formación se describirá. Se ha encontrado que esta tarea es más fuerte cuando evaluar los déficits cognitivos frontalmente mediadas por comparación con déficit parietal unilateral, sin embargo, todavía no se ha probado en un modelo delesión del hipocampo 5. Idealmente, esta tarea sería adecuado para evaluar la eficacia de un tratamiento o terapia en la recuperación de los déficits frontales después de una lesión. Sin embargo, es posible que con modificaciones esta tarea también puede ser utilizado para explorar más compleja la toma de decisiones comportamiento tales como la impulsividad y generalizada de igualación.

Protocol

1. Materiales necesarios para la Formación y Pruebas Prueba de la cámara. Cualquier recipiente lo suficientemente grande como para dar cabida a un animal y dos tazas de olor. Nuestro laboratorio utiliza modificados cámaras operantes (Med Associates Inc.) con barras piso retirados para hacer espacio para las tazas de olor (Figura 1). Tazas de olor y portavasos. Tazas suficientemente amplio y profundo para permitir la excavación y algún mecanismo de soporte / para estabilizar ellos (Figura 2). Arenas perfumadas. Nuestro protocolo de prueba utilizado aromas previamente establecidos para no mostrar sesgo de respuesta en ratas (cacao, albahaca, comino, café) 4. Cada arena perfumada se mezcló en una proporción de odorante g 1 110 g sin perfume, parque limpio "caja de arena" arena y se puede almacenar en un recipiente hermético hasta por 6 meses. Reforzador. Hemos utilizado piezas de cereal fruta bucle como reforzador. Se recomienda exponer a los animales al reforzador (a través de la colocación en sus jaulas) 3 a 5 días antes de la tranando para superar las respuestas neophobic. Cronómetro o el temporizador. 2. Manejo de animales antes del entrenamiento Manipulación. Como los animales se colocarán y eliminarse las cámaras repetidamente a lo largo entrenamiento / prueba, se recomienda el manejo de animales tres a cinco días antes de la formación con el fin de que se familiaricen con el contacto humano. Motivar. Con el fin de motivar a los animales para llevar a cabo esta tarea, algún nivel de carencia de alimentos es necesaria. La restricción de alimentos debe ser iniciado por lo menos tres días antes de la formación y las pruebas tanto en los animales y se puede mantener a 90% de peso libre de lactancia. Por lo general cantidades de 15-20 g de comida por día son suficientes, pero los pesos de animales debe ser revisado cada dos días, mientras que la restricción alimentaria. 3. Dig Formación El entrenamiento de un animal a excavar en la arena puede llevarse a cabo en un promedio de ocho sesiones en un período de cuatro días de tiempo. Durante la excavación tranando, la cámara debe establecerse mediante la colocación de dos tazas de olor en el mecanismo / titular de la instalación y puesta taza olor en la cámara. El procedimiento general se detallan a continuación con el objetivo de dar forma al animal de consumir completamente el reforzador para cavar en la arena para recuperarlo. Sesión 1 – La cámara de habituación y entrenamiento revista. Llene completamente las copas de olor con el refuerzo (sin arena). Colocar el animal en el aparato durante 30 minutos permitiendo que el animal consume libremente el reforzador. Sesión 2 – habituación arena. Llene completamente las copas de olor con el reforzador y vierta una pequeña cantidad de arena sin aroma en cada taza, llenar no más de la mitad de la copa. Colocar el animal en el aparato durante 30 minutos permitiendo que el animal consume libremente el reforzador. Sesión 3 – excavación superficial. Llenar las copas con una mezcla de olor incluso de refuerzo y la arena sin olor, dejando varios refuerzos expuestos. Colocar el animal en el aparato de30 min permitiendo que el animal consume libremente el reforzador. En el proceso de consumo de los reforzadores expuestos, el animal debe descubrir reforzadores adicionales por debajo de la superficie de la arena. El animal debe pasar de usar su boca para el uso de sus patas delanteras para eliminar cada reforzador de la arena. Sesión 4 – cavar. Llenar las copas de olor con una mezcla de 1 parte de reforzador 3 partes de arena sin olor, dejando 1-2 refuerzos expuesto. Colocar el animal dentro de la cámara 30 min para permitir que el animal consume libremente el reforzador. El animal debe comenzar a cavar con sus patas delanteras para descubrir refuerzos adicionales y sacarlos de la arena. Los animales que no empiezan a descubrir el reforzador después de un período de 10 minutos de tiempo debe ser asistido (el investigador debe descubrir un refuerzo a la vez hasta que el animal aprende). Sesión 5 – excavación completa. Llenar las copas de olor con una mezcla de 1 parte de reforzador 3 partes de arena sin olor, sin dejar refuerzos expuestos. Place el animal en el aparato durante 30 minutos permitiendo que el animal consume libremente el reforzador. Los animales deben contar con la asistencia, según sea necesario. Algunos animales pueden necesitar varias instancias de este período de sesiones con el fin de demostrar la excavación comportamiento. Sesión 6 – habituación juicio estructura. Coloque tres refuerzos en posiciones profundas, intermedias y superficiales en la arena en cada taza olor. Colocar el animal en la cámara hasta que los tres son recuperados de cada taza, ayudando según sea necesario. Una vez que han sido sacados, colocar el animal en un aparato de retención de 15-30 segundos y restablecer las tazas de olor como se describe en este paso. Luego, coloque el animal de nuevo en la cámara y repita el proceso hasta que el animal ha completado cuatro ensayos totales. El animal debe habituarse a ser colocado en el aparato de mantenimiento y empezar a cavar inmediatamente cuando se coloca en la cámara. El animal también deben demostrar un comportamiento excavación completo y recuperar el reforzador en la parte inferior de la taza de olor. Sesión 7 – reforzadores individuales. Colocar un refuerzo único en medio de la profundidad de la arena en cada taza. Colocar el animal en la cámara y permita que recuperar ambos refuerzos, y luego se coloca en el aparato de retención de 30 seg. Repita este proceso para los cuatro ensayos totales. El animal debe comenzar a cavar más rápido y requiere ayuda mínima por parte del investigador. Sesión 8 – pruebas de discriminación fingida. Llenar los huecos que se describen en la sesión 7. Dar el animal 30 segundos para recuperar los dos refuerzos. Colocar el animal en el aparato de mantenimiento cuando ambos han sido recuperados o 30 segundos ha transcurrido. Repita este procedimiento para el número de ensayos que se utilizará en la fase de prueba. Los animales deben aprender a cavar rápidamente cuando se coloca de nuevo en la cámara. Sesiones adicionales. En función de las pruebas de discriminación inicial, el experimentador puede desear realizar sesiones adicionales para familiarizar al animal con los olores determinados. Las ratas tienden a presentar inicialmente la neofobia y prefieren laolores familiares previamente asociado con el refuerzo 10. 4. Prueba de Discriminación El investigador debe elegir un emparejamiento olor, incluyendo qué olor se ceban con el reforzador (discriminación correcta) y cuáles no. Decisiones adicionales, como el número de las discriminaciones y las reversiones, número máximo de días y las pruebas, y si la prueba previa antes de la lesión se basa en gran parte en cuestión experimental (ver notas adicionales más adelante). Las ratas pueden ser probados y los datos registrados a mano por el investigador. El investigador debe registrar para cada ensayo: elección correcta o incorrecta, la latencia para iniciar la excavación, y ensayos en los que una rata en el tiempo de espera. El número de ensayos administradas deben ser a discreción del investigador (ver las notas adicionales a continuación). La duración de la prueba debería ser a discreción del investigador (ver las notas adicionales a continuación). La investicher debe aleatorizar la estructura de ensayo (de izquierda a derecha localización de los vasos de olor), con la salvedad de que no más de tres ensayos consecutivos están en un lado determinado. Esto ayudará a reducir el sesgo lateral. Con el fin de iniciar cada ensayo, colocar el animal en la cámara frente a la parte trasera equidistante, de cada taza. La colocación de un animal más cercano a una copa puede aumentar la probabilidad de desarrollar un sesgo. Si el animal discrimina correctamente, deje que se recupere y consumir el reforzador, y luego lo elimina al aparato de mantenimiento durante 30 segundos. Si el tiempo de espera o elige incorrectamente, quítelo inmediatamente, antes de que "corrige" en sí, y lo coloca en el aparato de mantenimiento durante 30 segundos. Repita este proceso para el número elegido de los ensayos. Una vez que un animal alcanza un criterio predeterminado (exactitud> 80% por día durante tres días consecutivos), el animal puede pasar a la siguiente discriminación / reversión y repetir el proceso anterior. </ol> 5. Notas adicionales Las pruebas en nuestro laboratorio se ha encontrado que el trabajo de formación y las pruebas mejor utilizando un solo medio de una pieza de fruta de cereales de bucle para evitar la saciedad. Durante el entrenamiento, algunos animales pueden necesitar más ayuda que otros. Le recomendamos hacer lo que es necesario para alcanzar la excavación comportamiento. Sin embargo, una vez que las pruebas de arranque, nunca tratamos de intervenir y mejorar el comportamiento de la excavación de una rata. Variando el número total de ensayos puede ser suficiente para los diferentes laboratorios. Las pruebas en nuestro laboratorio han utilizado 6, 8, y 12 ensayos por sesión, una sesión por día, y han encontrado una preferencia por la configuración del ensayo 8. La variación de la longitud de la prueba puede ser necesaria en algunos montajes experimentales (por ejemplo, los animales bajo un paradigma de estrés pueden necesitar un mayor tiempo de prueba o menos ensayos totales). Un criterio preestablecido se debe utilizar para determinar cuando un animal ha dominado una discriminación. Las pruebas en nuestro laboratorio han requerido una accuracy de mayor que 80% (5/6 ensayos, ensayos de 7/8 o ensayos 10/12) por día durante 3 días consecutivos. Sin embargo, un criterio mayor (85%) también se podría utilizar. Umbrales preestablecidos / máximos se debe utilizar para el número máximo de días pasados ​​en un aroma determinado. Esto será dictada en gran medida por la pregunta de investigación. Por ejemplo, nuestros estudios de laboratorio TBI y, a partir del resultado de la naturaleza progresiva de las ratas TBI, que no han afectado a criterio se trasladó a una discriminación novela / reversión después de 12 días de prueba. La decisión de pre-test o sólo post-test es una cuestión que está determinada en gran medida por la dirección experimental. Pruebas preliminares le permite a uno realizar una evaluación de la memoria en el después de la lesión animal, que puede ser pertinente en función del tipo de lesión. Sin embargo, las pruebas de cargo permite examinar las diferencias en la velocidad de adquisición de las discriminaciones entre los grupos. Nuestro laboratorio ha sido y seguirá utilizando ambos.

Representative Results

Hay dos variables principales que se pueden grabar en la tarea de excavación: Correcto / Incorrecto y la latencia. Sin embargo, la falta de respuesta también puede ser registrados y analizados a medida que puede ser importante cuando se considera la motivación. Éstos se pueden utilizar para generar medidas de análisis tales como la precisión (ensayos # correctas / total), el sesgo de respuesta 11, y la latencia. Estas medidas se pueden utilizar para evaluar varios tipos diferentes de aprendizaje, dependiendo del diseño del experimento (ver las notas adicionales anteriormente). Pruebas preliminares de los animales permite a un investigador para evaluar la memoria de una discriminación aprendido. Las reversiones de las discriminaciones aprendidas permiten al investigador ver cómo un animal puede adaptarse a una contingencia cambiando. El aprendizaje de las discriminaciones novela permite a los investigadores comparar el aprendizaje a través de pares de olor diferentes, así como evaluar la capacidad para el aprendizaje novela. Dependiendo del diseño del estudio (ver las notas adicionales anteriormente), estas medidas pueden seranalizaron en un diseño de medidas repetidas o puede colapsarse en una sola variable. Anteriormente, se derrumbó precisión en una medida de la proporción correcta acumulativo con el fin de analizar cada una discriminación de olor por separado 5. Esto ocurrió al sumar el número de discriminaciones correctas y dividiendo por el número total de intentos para cada uno discriminación. Una serie de un solo sentido entre sujetos de análisis de varianzas (ANOVA) se utilizó para examinar las diferencias de grupo para cada discriminación de olor después de la lesión. Sin embargo, más potencia se puede obtener para el análisis mediante la utilización de técnicas estadísticas avanzadas tales como modelos de efectos mixtos. Otra alternativa es utilizar la detección de señales teoría para el análisis de datos. Este es un enfoque popular en la toma de decisiones humanas literatura y permite al investigador examinar la mayor parte de los datos de un determinado tema en un solo gráfico y evaluar rápidamente el grado de precisión, enfoque, y déficit 12. Elección del método analítico será largely impulsado por la pregunta experimental, si se quiere hacer comparaciones entre tipos de aprendizaje, evaluar un solo tipo de aprendizaje, o aplicar un enfoque de toma de decisiones a los datos. Después de una lesión cerebral frontal bilateral, nuestro laboratorio ha descubierto que las ratas sufren un gran déficit en prácticamente todos los tipos de aprendizaje en esta tarea. Animales frontalmente con lesión mostró un déficit en la memoria para una discriminación previamente aprendidas, así como dificultades para el aprendizaje de la inversión de que el emparejamiento olor (Figura 3). Frontal animales también tenían dificultades para aprender nuevas discriminaciones (Figura 3). De acuerdo con investigaciones anteriores 13, también hubo un gran aumento de la variabilidad en los animales lesionados frontalmente (Figura 3). Por el contrario, las lesiones unilaterales parietales en nuestro laboratorio han demostrado que no existen déficits en todos las discriminaciones en esta tarea. Unilaterales ratas no mostraron déficits en míMory para una discriminación aprendida previamente adquirido y también la discriminación de inversión muy rápidamente (Figura 4). Aprendieron nuevos emparejamientos olor muy rápidamente también (Figura 4). Además, la variabilidad dentro del grupo unilateralmente herido fue muy baja, con la mayoría de las ratas un rendimiento óptimo en la tarea. Figura 1. Las pruebas en nuestro laboratorio se llevó a cabo en un banco de la norma cámaras operantes (Med Associates Inc.), que fueron concebidos para ser utilizados en esta tarea mediante la eliminación de cuatro consecutivos piso-bares para abrir espacio para dos tazas de olor. Figura 2. Las pruebas en nuestro laboratorio utilizado tubería de PVC de extremo tapas (6 cm de altura y 5,5 cm de diámetro) como el c olorups y un pedazo de plexiglás (10 x 22 cm) con dos orificios circulares (5,5 cm de diámetro) como el portavasos olor. Figura 3. Este gráfico muestra el rendimiento típico de tratamiento simulado (azul) vs frontalmente con Lesión (rojo) las ratas a través de varias fases diferentes de la prueba en dos formatos diferentes. En el panel A, se representan los datos como un gráfico de barras con puntos blancos representan los puntos de datos para ratas individuales de cada grupo. En el panel B, los mismos datos se representan gráficamente en un gráfico de líneas. No hubo diferencia en la adquisición de la discriminación antes de la lesión. Sin embargo, después de la lesión y en la misma discriminación, las ratas sham realizar el 93% por ciento correcto acumulativo mientras que las ratas lesionadas realizar el 65% por ciento acumulativo correcta. Cuando una inversión de la discriminación se administró, injratas ured caer por debajo de desempeño oportunidad. Del mismo modo, en una discriminación de olor novela ratas con lesión frontal tenía dificultades para aprender el emparejamiento novela y se quedó por debajo del rendimiento oportunidad. Haga clic aquí para ampliar la cifra . Figura 4. Este gráfico muestra el rendimiento típico de tratamiento simulado (azul) vs parietally con lesiones unilaterales ratas (verde) a través de varias fases diferentes de la prueba en dos formatos diferentes. En el panel A, se representan los datos como un gráfico de barras con puntos blancos representan los puntos de datos para ratas individuales de cada grupo. En el panel B, los mismos datos se representan gráficamente en un gráfico de líneas. No hay ninguna diferencia entre los grupos en ninguna de las discriminaciones. Unilateralmente enratas lesionados realizaron en o, en algunos casos, un poco más alto que los niveles de falsos después de una lesión. Haga clic aquí para ampliar la cifra .

Discussion

En este video, hemos mostrado cómo la tarea de excavación se puede realizar utilizando relativo bajo costo de materiales y, con un poco de experiencia, las pruebas pueden llevarse a cabo con bastante rapidez (~ 10 min / animal). Esto permite que la tarea de incorporar fácilmente en baterías de pruebas existentes para las lesiones cerebrales TBI, accidente cerebrovascular y otros. La tarea de excavación es también robusto, ya que puede evaluar diferentes aspectos de la cognición, incluyendo las evaluaciones de los aprendizajes previos, inversiones, adquisiciones y nuevas (por ejemplo, cambio de set). Lo más importante, la tarea Dig ha demostrado ser eficaz en la evaluación de la función frontal posterior al daño cerebral. Además, un paradigma de empuje similar ha sido utilizado para estudiar la transferencia de valor en ratas después de la lesión del hipocampo 4, y por lo tanto puede ser fácilmente estudiado después de TBI.

Los principales beneficios de tareas como ésta son la capacidad de evaluar otras formas de cognición de lo que normalmente se probó en más semental lesión cerebralIES. Actualmente existe una falta de tareas simples y rápidamente adquiridas para evaluar la cognición mediada frontalmente posterior al daño cerebral. En el campo de la TBI experimental, existe una fuerte dependencia de laberintos como la evaluación única de la cognición 9. La discriminación y la conducta de elección son aspectos importantes del frontalmente mediada por la cognición que deben ser evaluados daños cerebrales siguiente. Estos han sido estudiados bajo muchos diferentes paradigmas (atrasado de igualación de la muestra, reforzamiento diferencial de la baja tasa de respuesta, esfuerzo basado en la toma de decisiones, etc) en el campo del análisis experimental de la conducta, pero se carece de estudios sobre lesiones cerebrales 14-16. El desarrollo de nuevas terapias para el tratamiento del daño cerebral requiere validación a través de múltiples modalidades de sensoriales, motoras, y la función cognitiva. Tareas como esto podría ser vital para evaluar plenamente la función cognitiva en tratamiento terapéutico.

Mientras que la re tarea Digpresenta un paso en la dirección correcta para la evaluación de la función cerebral después de una lesión, todavía hay limitaciones a la misma. Se pretende que sea sencillo de construir, administrar y analizar, pero esto significa que hay límites superiores a lo que se puede medir. Actualmente, hay dos opciones son todo lo que se puede evaluar en el marco del paradigma dado. Además, la tarea Dig no es lo suficientemente sensible como para manejar otros aspectos de la disfunción frontal, como la impulsividad, que pueden interferir con la toma de decisiones la capacidad del animal.

Si bien la tarea de excavación ha demostrado ser exitoso para nosotros en la evaluación de daños cerebrales en los animales jóvenes, todavía hay varias cosas que se pueden hacer con la tarea de perfeccionar y mejorar. Esto incluye la evaluación de poblaciones especiales (edad, sexo, raza), comparándolo directamente a los paradigmas operantes que es una adaptación de, realizar una comparación directa de esta tarea con otras tareas que evalúan la disfunción frontal tras una lesión, y explorar additional maneras de analizar y comparar los datos generados a partir de la tarea. Esta tarea está diseñada para abordar algunos de los problemas de nuestro campo de pruebas de función frontal de múltiples maneras después del daño cerebral. Sin embargo, una tarea no se puede medir todos los procesos cognitivos que se ven afectadas por una lesión cerebral. Por lo tanto, abogamos por que la gente sigue para desarrollar y mejorar las tareas tales como la que se describe en este protocolo pueda apreciar mejor deterioro funcional después de lesiones cerebrales. Al hacerlo, podemos aumentar la eficacia del desarrollo de fármacos y la terapia para las lesiones cerebrales mediante la evaluación a través de múltiples medidas.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Los fondos para este proyecto fue proporcionado por fondos ARRA de NINDS subvención NS045647.

Materials

Material Name Company Catalogue Number Comments
EQUIPMENT
Operant Chamber Med Associates ENV-008CT Amount: 1 Standard operant chamber, no external devices.
Plexiglas Local Hardware Store N/A Amount: 1 sheet Cut into proper size to fit into chamber.
PVC Pipe End Caps Local Hardware Store N/A Amount: 2 / scent cup setup.
REAGENTS
Sand Local Hardware Store
Various Spices Local Grocery Store
Reinforcer Local Grocery Store

*Equipment is listed for construction per chamber.
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References

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Martens, K. M., Vonder Haar, C., Hutsell, B. A., Hoane, M. R. The Dig Task: A Simple Scent Discrimination Reveals Deficits Following Frontal Brain Damage. J. Vis. Exp. (71), e50033, doi:10.3791/50033 (2013).
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