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行为学

Automatisierte kognitive Anforderungen für die Aufnahme Neuronale Aktivität Mit einer Bodenprojektion Maze

Published: February 20, 2014
doi:
10.3791/51316
, , , ,
1Department of Cognitive, Linguistic & Psychological Sciences,Brown University, 2Department of Neuroscience,Brown University

Summary

Wir beschreiben Protokolle für die Ausbildung von Ratten bei chronischer elektrophysiologischen Ableitungen in voll automatisierten kognitiven Aufgaben auf einer Bodenprojektion Maze.

Abstract

Neuropsychologische Aufgaben in Primaten verwendet werden, um Mechanismen von Lernen und Gedächtnis untersuchen, werden in der Regel visuell geführten kognitiven Aufgaben. Wir haben kognitive Anforderungen für Ratten mit Hilfe der Bodenprojektion Maze 1,2, die für die visuellen Fähigkeiten von Ratten ermöglicht stärkere Vergleiche der experimentellen Befunde mit anderen Arten optimiert entwickelt werden.

Um neuronale Korrelate von Lernen und Gedächtnis zu untersuchen, haben wir elektrophysiologischen Ableitungen in vollautomatisierte kognitive Aufgaben auf der Bodenprojektion Maze 1,2 integriert. Behavioral-Software mit einem Tier-Tracking-System eine Schnittstelle ermöglicht die Überwachung des Verhaltens des Tieres mit präzise Steuerung der Bildpräsentation und Eventualitäten belohnen für besser ausgebildete Tiere. Integration mit einem in vivo elektrophysiologischen Aufnahmesystem ermöglicht Prüfung von Verhaltens Korrelate neuronaler Aktivität an ausgewählten Epochen eines bestimmten kognitiven Aufgabe. </ P>

Wir beschreiben Protokolle für ein Modellsystem, die automatische visuelle Darstellung von Informationen zu Nagetieren und intrakranielle Belohnung mit elektrophysiologischen Ansätzen kombiniert. Unser Modellsystem bietet eine anspruchsvolle Reihe von Tools als Rahmen für andere kognitive Aufgaben besser zu isolieren und zu identifizieren spezifische Mechanismen beitragen, bestimmte kognitive Prozesse.

Introduction

Visuelle Aufgaben werden häufig in Menschen und Affen Studien verwendet werden, um Mechanismen, die Lernen und Gedächtnis zu untersuchen. Nager-Modelle sind jedoch leichter zugänglich für Forscher für größere, besser kontrollierte Studien, und haben den zusätzlichen Vorteil, dass mehr invasive elektrophysiologische Techniken. In Kombination mit anderen Ansätzen, wie genetische Manipulationen, elektrophysiologischen Ableitungen in sich frei bewegenden Ratten ein nützliches Modell für präzise Targeting-Mechanismen und Schaltungen zugrunde liegenden kognitiven Prozesse. Primas visuellen Aufgaben erfordern die Themen, den Blick auf visuelle Reize auf einem Monitor direkt, während Ratten-Aufgaben erfordern die Themen, mit einer Umgebung zu interagieren. Die Bodenprojektion Maze nutzt die natürliche Tendenz von Ratten, aktiv die Umwelt zu erkunden, während gleichzeitig die Teilnahme an visuellen Reizen.

Kognitive Aufgaben mit Touchscreen-Geräten, die speziell für Nager entwickelt haben, erlaubtbessere Übersetzung von Erkenntnissen aus Tiermodellen auf den Menschen drei. Touchscreen-Aufgaben werden in der Regel in einer Kammer mit zweidimensionalen visuellen Reizen vertikal an Wänden 7.3 präsentiert durchgeführt. Diese Aufgaben erfordern Touchscreen das Thema nach hinten in Richtung des Ziels visuellen Reiz und brechen eine Infrarotlichtstrahl oder drücken Sie auf einem Druckpolster auf seine Reaktion registrieren. Anatomische und verhaltens Beweise deuten jedoch darauf hin, dass Ratten verarbeiten visuelle Information in der unteren visuellen Halbfeld besser für Führungsverhalten 8-10. Unser Labor hat sich die kognitive Aufgaben die Nutzung der Bodenprojektion Maze 2, in der zweidimensionalen visuellen Reize zurück auf den Boden der Test Arena projiziert entwickelt. In der Bodenprojektion kann Maze Ratten bei der Durchführung von Aufgaben in einem großen, offenen Arena verglichen mit Touchscreen-Gerät verfolgt werden. So können räumliche Informationen in der aufgezeichneten neuronalen Aktivität zusätzlich zu neuronalen Korrelate des visuellen Informationen erhalten werden, eined Entscheidungsfindung.

Wir liefern intrakraniellen Stimulation (ICS) auf die mediale Vorderhirnbündel (MFB) als Belohnung 11. Diese Art der Belohnung Lieferung hat Vorteile gegenüber Nahrungsmitteln und Getränken belohnt. Essen und Trinken Belohnungen können bis zur Sättigung auch in der Lebensmittelmangel Ratten führen, wodurch die Anzahl der Versuche ein Tier durchzuführen und möglicherweise eine Verlangsamung der Ausbildung. ICS liefert sofortige Belohnung eine sofortige Rückmeldung über die Aufgabenausführung. Die unmittelbare Belohnung führt zu einer schnelleren Erfassung und Gestaltung und reduziert wesentlich die Dauer der Trainingsprotokolle. Darüber hinaus kann eine größere Anzahl von Studien in einer Sitzung durchgeführt werden, die Erhöhung der Menge von Daten gesammelt und zu einem zuverlässigeren Probe von aufgabenbezogenen Verhaltens.

Verwendung des Bodenprojektion Maze, werden wir einen allgemeinen Protokoll beschrieben, das Verhalten von Ratten zu formen komplexen kognitiven Aufgaben. This allgemeine Protokoll bietet einen Rahmen für die Ausbildung von Ratten in einer Vielzahl von derzeit für die Aufnahme neuronalen Korrelate der Aufmerksamkeit und visuelle Unterscheidung 1 verwendeten Aufgaben. So wird die Bodenprojektion für Maze visuellen Fähigkeiten von Ratten optimiert und ermöglicht Vergleiche mit stärkeren visuellen Aufgaben in Menschen und nicht-menschlichen Primaten.

Protocol

Alle Verfahren wurden in Übereinstimmung mit der Brown University Institutional Animal Care und Verwenden Ausschuss Leitlinien. 1. Systeme Übersicht Ein Video-Tracking-System interagiert mit einem Verhaltenskontrollsystem, um die Fortschritte der Ratte in eine bestimmte Aufgabe zu überwachen, zu bewerten Zielverhalten, Steuerung Stimuluspräsentation und liefern Belohnungen Basis über die Fortschritte der Ratte. Ein vivo elektrophysiologischen Aufzeichnungssystem sammelt Daten für neuronale Ereignis bezogene Analysen. (Fig. 1A). Die Bodenprojektion Maze Die Bodenprojektion Labyrinth 2 ist ein offenes Feld, ohne Wände (147,3 cm x 111,8 cm) mit einem klaren, farblosen Plexiglas Stock (0,6 cm dick). Die Unterseite des Bodens ist ein Verstärkungsfaktor Dual Vision Stoff-Bildschirm, über ein zweites Rechteck aus Plexiglas Stücke (147,3 cm x 111,8 cm x 1,25 cm) für die Rückprojektion mit einer Short-Throw-Projektor gespannt ist. Schließen Sie den Projektormit der Grafikkarte im PC Verhaltenssystem. Halten Sie das Plexiglas, Tuch und Projektor mit einem Rahmen aus eloxiertem Aluminium. Installieren Sie einen Overhead-eloxierten Rahmen, um einen Overhead-Kamera und einen Flaschenzug, um die ICS und heads Anbindehaltung bei der Ratte eine Schnittstelle zu montieren. Hinweis: Schließen Sie den Rahmen, der die Bodenprojektion Maze und Overhead-Rahmen, um elektrische Kontinuität und Boden an den Vorverstärker gewährleisten. Video-Tracking Record, Track und Videos in Echtzeit zu analysieren mit einem Schritt in 1.2.2 beschriebenen Einzeloverhead Kamera. Montieren Sie einen Overhead-Kamera (VGA-Standard, 80 fps) auf einem Overhead-Rahmen aus eloxiertem Aluminium, um die Ratte zu überwachen Entweder lichtemittierende Dioden (LEDs), um heads der Ratte angebracht, um die Position der Ratte zu überwachen oder zu verfolgen, der den Schwerpunkt der Kontur der Ratte mit einem automatischen Verfolgungssystem. Verwenden Sie die Grund Cineplex Verhalten Modul, um die Positionsdaten zu analysieren online und speichern Sie die Datei zur weiteren Offline-Analyse. Hinweis: Wir verwenden die Cineplex-System 3.4.1 Verhaltensforschung zur Erfassung, Verfolgung und Analyse der Lage des Ratte. Die Cineplex-Tracking-Modul ist für die Verfolgung der Ratte verwendet. Für eine wirksame Verfolgung der Fortschritte des Tieres, verwenden Sie das Cineplex Grund Verhalten Modul Zonen im zweidimensionalen Raum an relevanten Positionen des Labyrinths, die Bedeutung in der Aufgabe haben, zu erstellen. Zonen können in Sequenzen kombiniert werden und Cineplex logischen Ereignisse (wie Einträge in Zonen und die Erfüllung der Sequenzen) sind, dass, wenn die Ratte die Kriterien für die Veranstaltung erfüllt, wahr wird, dass Ereignis zugeordnet. Weisen Veranstaltungen mit digitalen Ausgängen und über eine Schnittstelle superport Eingangskarte an den Verhaltenssystem. Eine vollautomatische Steuerung Verhaltens Verhaltenstest Arena: Verwenden Sie eine entsprechende förmigen Test Arena für die Verhaltens-Aufgabe auf der Bodenprojektion Maze. Konstruieren Sie sind derna mit matt weißem Acryl und legen Sie sie direkt auf den Bodenprojektion Maze. Hinweis: Die Abmessungen können für die Verhaltens-Task verwendet angepasst werden. Die Wände sind in der Regel 45 bis 50 cm in der Höhe. Hier verwenden wir doppelseitige Testarenen (Bowtie-Labyrinth 12), um die Anzahl der Versuche in einer Sitzung (Abbildung 1B Abmessungen des Bowtie-Labyrinth) durchgeführt, zu maximieren. Der Test-Arena hat vier ausgewiesenen Bereichen in der Tracking-Software definiert: East Bildbereich, West Bildbereich, eine Ost-Testversion bereit und Umgebung, und eine West-Testversion bereit Raum (Abbildung 1C). Verhaltenssystem: Ein Verhaltens Interface-System von MED-PC-Software gesteuert IV führt Programme in-house in MEDstate Notation geschrieben (siehe Anhang). Verwenden Sie die Ereignisse von Cineplex Verhaltenssystem, um den Fortschritt einer Ratte während der Aufgabe verfolgen, steuern, Bilddarstellung, liefern Audio-Signale und liefern Belohnung. Schnittstelle die superport Ausgangskarte zu Omniplex Digitaleingang zu Zeit st erwerbenAmped Verhaltensereignisvorkommen in der PlexControl Softwareumgebung für Offline-Analysen. Geben akustische Signale unter Verwendung eines programmierbaren Audiogenerator. Hinweis: Behavioral Ereignisse aus dem hier vorgestellten Gerät können Fremdgeräte (zB Laser für optogenetischen Stimulation) über eine Datentransferboard bei Bedarf bedienen. Haus der superport Ausgangskarte, superport Eingangskarte und programmierbare Audio-Generator in einer Tischschrank Schnittstelle. Schnittstelle, die Karten mit einem DIG-704PCI-2 PCI-Karte in einem Personal Computer (PC) mit einer DIG-700F-Decoder-Karte in der Tischschrank installiert installiert. Geben bipolare Rechteck ICS bei der Ratte unter Verwendung eines programmierbaren intrakranielle Selbststimulation Stimulator. Verbinden Sie den Stimulator Gerät an den PC über eine COM PHM152 Karte. Empfohlene ICS Parameter: Impuls 1 und 2 Laufzeit: 500 Mikrosekunden; Verzögerung zwischen Impuls 1 und 2: 500 Mikrosekunden; Frequenz: 100 Hz. Hinweis: ICS Lieferwird während der Aufgabe automatisiert, können aber manuell über eine programmierbare Taste Box mit einem SmartCtrl Modul angeschlossen geliefert werden. Neuronale Datenerfassungssystem Sicherstellen, dass die Bodenprojektion Maze Rahmen und ICS-System ist mit dem Vorverstärker des Omniplex Neuronale Datenerfassungssystem geerdet ist, um elektrische Störungen in der neuronalen Aufnahmen zu minimieren. Gleichzeitig sammeln neuronalen Daten, Positionskoordinaten von Cineplex und Verhaltens Event Flags aus dem Verhaltenssystem in der Datendatei für Offline-Analysen. 2. Vorbereitung der Tiere Tiere Erhalten naiv 22 Tage alten männlichen Long-Evans-Ratten. Pair beherbergen die Ratten und ihnen zu ermöglichen, um das Vivarium für eine Woche zu akklimatisieren. Griff Ratten täglich für ca. 5 min. Sobald Ratten 250-275 g erreichen, beginnen Essen Pläne Aufrechterhaltung ihrer Körpergewicht bei 85-90% ihrer freien Fütterung Gewicht. Ziel wirights werden von 10 g / Monat erhöht, bis 350 g Ratten zu erreichen. Einfamilienhaus die Ratten und der Lebensmittelplan für mindestens eine Woche vor Beginn der Operation weiterhin auf die Stimulation und Aufzeichnung Elektroden zu implantieren. Der chirurgischen Implantation Führen chirurgische Eingriffe unter aseptischen Bedingungen und Standard nach institutionellen und regulatorischen Richtlinien. Anesthetize Ratten mit Isofluran. Einen Einschnitt in der Kopfhaut, um den Schädel für die Reinigung und Identifikation von Bregma und Lambda offenbaren. Machen Kraniotomien an den entsprechenden Koordinaten. Bringen Sie Schädel Ankerschrauben. Senken Sie die Spitze eines ICS Elektrode in die MFB mit den folgenden Koordinaten: von vorne nach hinten, von Bregma -2,7 mm, Seiten, ± 1,8 mm; dorsoventraler, -8,5 mm von Schädeloberfläche. Eine zweite ICS Elektrode kann in der gegenüberliegenden Hemisphäre als Backup im Falle von Fehlfunktionen Elektrode implantiert werden. Sichern Sie sich die ICS-Elektroden zu ter Schädel-und Ankerschrauben mit Knochenzement. Zement Den Sockel nicht (Kunststoffgehäuse an der Stimulationselektrode) der Elektroden. Senken Sie die Aufzeichnungselektroden in die Website von Interesse und sichern Sie das Gerät mit Knochenzement. Positionieren Sie den ICS-Sockel weg von dem Aufnahmegerät und sichern Sie die ICS-Elektroden-und Aufnahmegeräte zu den Ankerschrauben mit Knochenzement. Lassen Sie mindestens sieben Tage vor Beginn der Wiederherstellung Gewöhnung an die Gestaltung Protokoll. 3. Behavioral Shaping: Allgemeine Shaping besteht aus drei Stufen: Früh, Mittelstufe, und Spät Shaping (Abbildung 2). Hinweis: Das Ziel der frühen und mittleren Shaping ist, um die Ratte zu trainieren, um eine stationäre "Bereitschaftsstellung" im Bereitschaftsraum für jeden Versuch zu halten und führen zahlreiche Studien in einer Sitzung. Semi-Automatisierung Verhaltensformung Training kann so den individuellen Lernraten einer Ratte angepasst werden. Oncea Ratte ist die Aufrechterhaltung einer erfolgreichen "Bereitschaftsposition", gehen auf spezielle Formgebung (Late Shaping) mit dem Ziel der Übertragung der Ratte auf einer vollautomatisierten Protokoll für präzise und unvoreingenommene Verhaltenskontrolle (Abbildung 2) zu beauftragen. Frühen Formgebung (2A) Tag 1: Gewöhnen die Ratte der Verhaltensraum für 10 min mit dem Gerät eingeschaltet, dann in die Kolonie zurück. Tag 2: Wiederholen Sie Schritt 1, dann gewöhnen, das Tier auf den Testfeld für 10 min. Tag 3: Schließen Sie die ICS und heads Anbindehaltung auf die Ratte und gewöhnen die Ratte auf den Testfeld für 10 min. Tag 4: Bestimmen Sie die niedrigsten ICS Amplitude, um einen Platz mit Vorliebe eine informelle Platzpräferenz Anlage Protokoll zu etablieren. Titriert Pulse 1 und 2 Amplituden. Typische Amplitudenwerte 20-80 uA. Von Tag 5: Geben Sie ICS Belohnung, um die Ratten zu trainieren, um die Bereit Area und Ost-und Westbildpräsentationen verbinde ichCS Belohnung. Fortfahren, bis die Ratte Wechsel zwischen Ost und West Bildbereiche. Zwischenformung (2B). Einführung weißes Rauschen (50 dB), um den Start eines Prozesses zu signalisieren. Schalten Sie das weiße Rauschen, wenn die Ratte in die Bereit Bereich. Automatisieren ICS Lieferung für den Eintritt in den Bereitschaftsraum, und für den Abschluss erfolgreich 'Positionen bereit. Stellen Sie die Wahrscheinlichkeit des ICS Lieferung an Ein-und erfolgreichen "Bereitschaftsposition", um Verhalten zu verstärken. Hinweis: Passen Sie die Belohnung Wahrscheinlichkeiten manuell auf die Leistung einzelner Ratte während der Formgebung entsprechen. Verringern Belohnung Wahrscheinlichkeiten für den Eintritt in den Bereitschaftsraum und die Aufrechterhaltung erfolgreicher bereit Positionen. Empfohlene Abschlusswahrscheinlichkeit Belohnung für die Erfüllung erfolgreichen "bereit Positionen 5-10%. Ratten werden für alle richtigen Entscheidungen belohnt. Beginnen Sie mit kurzen "Warteposition" Dauern (zB 200 ms). Die "Bereitschaftsstellung" dura schrittweise zu erhöhennen in 100 ms Schritten. Schalten Sie das weiße Rauschen, wenn die Ratte vorzeitig bricht die "Bereitschaftsposition", so die Ratte hat, den Prozess neu zu starten. Bewegen Sie den Spät Formgebung wenn Ratte ist in der "Bereitschaftsstellung" für bis zu 1200 ms. Spät Formgebung (Fig. 2C). Hinweis: Die Ausbildung in der Spät Gestaltung ist spezifisch für die Aufgabe, in der die Ratte durchführen wird. Automatisieren Sie die Ausbildung in diesem Formgebungsschritt für präzise und unvoreingenommene Steuerung aller Parameter Aufgabe aber flexibel bleiben, um ICS Belohnungen manuell zu liefern. Trainingsprotokolle für zwei Aufgaben werden beschrieben. Visuelle bikonditionaler Diskriminierung (vBCD) Aufgabe: Verwenden Sie unterschiedliche visuelle Reize, um die Ratten auf einer einfachen Form und Leuchtdichte discriminence trainieren. Beginnen Sie den Prozess, indem Sie auf dem weißen Rauschen. Zufällig verhängen "Bereitschaftsstellung" Latenzzeiten von 700 – 1200 ms. Geben ICS bei Bedarf manuell zu erfolgreichen 'ready po verstärkensitionen ". Präsentieren Sie ein Paar Bilder in der Bildpräsentationsfläche. Pseudo zeigt das richtige Bild auf der linken oder rechten Seite des Bildbereichs. Geben Sie ICS für eine richtige Antwort, und deaktivieren Sie das Wort. Eine richtige Antwort wird registriert, wenn die Ratte in die Zone, in der das richtige Bild befindet. Am ersten Tag der Ausbildung nur ausgeben, eine 75 dB Burst von weißem Rauschen als Abschreckung für eine falsche Antwort. Geben Sie einen Korrektur-Studie nach einer falschen Studie. Korrektur Studien haben identische Parameter (links oder rechts und "Bereitschaftsstellung" Latenz) wie der vorherige Versuch nicht korrekt. Nachdem die Ratten sind in der Lage, die einfache Diskriminierung erfolgreich durchführen, stellen die verschiedenen Bodenmuster, die bikonditionaler Diskriminierungsverbot zu trainieren. Präsentieren Sie ein Paar neue Bilder und zwei verschiedene Bodenmuster als Rahmen dienen. Die richtige Bild ist bedingt durch die Boden-Muster, zB die schwarze star ist richtig, wenn der Boden ist grau und der weiße Kreis ist korrekt, wenn der Boden gestreift (3C). Den Boden-Muster und die Position (links oder rechts) der richtige Bild für jeden Versuch sicherzustellen, dass Studien ausgeglichen werden pseudozufällig zuweisen. Implementieren Korrekturversuche nach einer falschen Studie, in der die Versuchsparameter identisch mit der vorherigen Studie sind. Visuospatial Aufmerksamkeit (VSA) Aufgabe: Gegenwart beleuchtet weiße Kreise in definierten räumlichen Orten in der Arena, um die Ratten zu trainieren, um die räumliche Lage des Zielkreis zu nähern. Hinweis: Für diese Aufgabe hat die Arena graue Kreise auf verschiedenen räumlichen Standorten in der West-und Bildbereiche. Nach einem erfolgreichen "Bereitschaftsposition", wird der Zielkreis zu beleuchten (weiß werden), und die Ratte muss, dass die Zielposition (3B) zu nähern. "Bereitschaftsstellung" Latenzen von 1,000-1,60 Zufällig verhängen0 ms auf einer Studie, die von Versuchsbasis. Geben ICS bei Bedarf manuell zu erfolgreichen 'ready-Positionen "zu verstärken. Nach Abschluss der "Bereitschaftsposition", zufällig beleuchten eine der grauen Kreisen. ICS liefern, wenn die Ratte in die beleuchtete Zone des Kreises. Schalten Sie die Beleuchtung und beginnen nächste Versuch auf der gegenüberliegenden (Ost oder West) Seite. Zu Beginn des Spätformung, beleuchten den Kreis, bis die Ratte, es nähert oder bis die Studie beendet (5 sec nach Beleuchtung der Kreis). Bewerten Sie jede Studie als entweder korrigieren oder Unterlassung Studie. Für Unterlassung Studien beleuchten den gesamten Boden (weißen Boden vorgelegt) und keine Belohnung verfügbar sein wird, bis die nächste Studie. Wenn die Leistung der Ratte 80% erreicht richtig, verringern Sie die Zeit, die der Kreis weiterhin leuchtet auf 1 Sekunde. Die Ratte hat 5 Sekunden, um eine Wahl zu treffen. Sie belohnen für fehlerhafte Prüfungen nicht. Starten Sie den nächsten Versuch. Wenn ein Versäumnis trial, beleuchten den Boden und eine neue Studie. Bei 80% richtig weiter die Zeit der Zielkreis ist auf 500 ms beleuchtet verringern. Wählen Sie Zielstellen zufällig vor jedem Versuch. Die Ratte wird weiterhin 5 Sekunden haben, um eine Wahl zu treffen, bevor der gesamte Boden leuchtet auf, um das Ende dieser Studie signalisieren. Sie für unrichtige oder Unterlassung Studien nicht zu belohnen. Die Ratte muss einen neuen Prozess auf der gegenüberliegenden Seite der Arena zu initiieren. Hinweis: Weitere Kreise kann in jedem Bildbereich hinzugefügt werden, um Aufgabenschwierigkeit weiter zu erhöhen.

Representative Results

Das Ziel der allgemeinen Gestaltung Schritte ist es, die Ratte auf die Prüfung Arena gewöhnen, trainieren die Ratte in einer stationären "Bereitschaftsstellung" für die Präsentation der Ziel visuelle Reize zu bleiben, und nähern sich der Standort der richtige visuellen Reiz. Nach der Gewöhnung an den Testraum, arena, und Haltegurte, Früh Gestaltung erfordert in der Regel 100 bis 150 Versuche, bis die Ratten zwischen den Ost-und Westseiten der Arena abwechselnd. Während frühe Gestaltung die Ratten laufen in der Regel über den Bereitschaftsraum im Zentrum der Arena und verbringen die meiste Zeit die Erkundung der Umfang der Arena (Abbildung 4A). Ratten in der Zwischenformgebungsstufe allmählich lernen, eine stationäre "Bereitschaftsstellung" im Bereitschaftsraum erfordern 600-700 Studien zu erhalten. An dieser Stelle werden Pfade Tiere stereotype Loops aus der Umgebung bereit, um den Bildbereich mit weniger Zeit verbringen wir damit den Umfang des Labyrinths. Allerdings sind Ratten nicht die Aufrechterhaltung einer stationären 'ready position ", durch die Geschwindigkeit, mit Ratten durchqueren das Zentrum Bereit Raum (4B) gezeigt. Bis zum Ende des Zwischenformung, Ratten halten eine stationäre "Bereitschaftsstellung" im Bereitschaftsraum vor der Annäherung an die Ziel visuellen Reiz. Die Ratte eröffnet dann den nächsten Versuch auf der gegenüberliegenden Seite der Arena (4C). Die Integration des Tracking-Software und der Neural-Datenerfassungssystem mit einer Verhaltenskontrolle-System ermöglicht ereignisbezogenen Analysen der neuronalen Daten. Fahrbar Elektrodenarrays strategisch platziert werden, um Single-Unit-und lokale Feldpotential-Aktivität aufzuzeichnen. Aufnahmen wurden in postrhinal Kortex durchgeführt, wenn die Ratten durchgeführt vBCD Aufgabe. Perievent Histogramme und Raster-Plots zeigen, dass Zellen in postrhinal Kortex antworten Beginn der Ziel visuellen Stimulus und dem Beginn des Bodenmusters (Figur 5A). Im hinteren parietalen Kortex von rats Durchführung der VSA Aufgabe Zellen reagieren auf das Bild, Präsentation, und wenn die Wahl wurde von Eintritt in die Zone, die das Zielbild (Abbildung 5B) definiert. Lokale Feldpotential Aktivität im posterioren parietalen Kortex während der Leistung in der VSA Aufgabe zeigt eine starke Leistung in der Theta-Bereich (~ 8 Hz), wenn Ratten sind in der "Bereitschaftsstellung" vor dem Bild-Präsentation (5C). Abbildung 1. Versuchsaufbau. A. Schematische Darstellung der Verhaltens-und Kontrollräume. Die Bodenprojektion Maze wird in der Verhaltensraum untergebracht. Ratten werden über eine Kopfkamera überwacht. Der Kontrollraum befindet sich die Ausrüstung, um die Aufgabe zu kontrollieren und neuronalen Daten zu sammeln. B. Abmessungendie Fliege Labyrinth. C. Bildschirmerfassung von Cineplex Studio. Zonen durch den Benutzer definiert. Logische Ereignisse werden als Cineplex digitale Ausgänge an die Verhaltenssteuerung (Med Associates) geschickt, um den Fortschritt der Ratte zu überwachen. Klicken Sie hier für eine größere Ansicht. 2. Schematische Darstellung der Formgebungsschritten. A. Im Frühen Gestaltung der Ratte erhält ICS für die Eingabe der Bereit Bereich, und nach Ost-und West-Bildbereiche. Ziel ist es, die Ratte zu trainieren, um diese Bereiche mit ICS Belohnung assoziieren. B. Intermediate Gestaltung konzentriert sich auf die Ausbildung der Ratten, die eine stationäre "Bereitschaftsstellung" im Bereitschaftsraum zu erhalten. Die Bilder werden dargestellt only nach Aufrechterhaltung einer erfolgreichen "Bereitschaftsstellung". Ratten weiterhin ICS für die Annäherung an das Bild in der Bildfläche. C. Am späten Gestaltung zu erhalten, wird die Ratte erfolgreich Aufrechterhaltung eines stationären "Bereitschaftsstellung". Training ist Aufgabe spezifisch, und die Ratte ist geschult, um bestimmte Regeln zu lernen, um eine bestimmte Aufgabe zu erfüllen. Blitz zeigt ICS Lieferung. Klicken Sie hier für eine größere Ansicht. 3. A. Schematische Darstellung des vBCD Task Wenn der Boden ist grau, wird der schwarze Stern belohnt;.. Wenn der Boden gestreift, wird der weiße Kreis B belohnt. Schematische Darstellung des VSA Aufgabe. Graue Kreise die Zielorten in den Bildbereichen.Die Targetstimulus eine kurze (500 msec) Beleuchtung (weiß) des einen der Kreise. Die Ratten werden für die Annäherung an den richtigen Zielort belohnt. Klicken Sie hier für eine größere Ansicht. 4. Beispielpfade bei der Formgebung. Positionsdaten von zwei Minuten-Segmente einer Ratte Durchführung an verschiedenen Formgebungsschritten. Geschwindigkeit des Tieres wird durch die Wärme der Karte vertreten. Kalte Farben darstellen langsamsten Geschwindigkeiten und heiße Farben repräsentieren schnellsten Geschwindigkeiten. A. während der frühen Gestaltung Ratten erforschen und hinten bis auf die Außenwände der Ost-und Westbildbereichen und nicht im Bereitschaftsraum. B stoppen. Eine stereotype Weg beginnt in der Zwischen sh entstehenNachäffen. Pfade bilden eine Schleife in Richtung der Bildbereiche wieder in den Bereitschaftsraum. Ratten beginnen, eine "Bereitschaftsstellung" im Bereitschaftsraum. C erfolgreich aufrecht zu erhalten. Bei Ratten, die Fortschritte auf Spät Gestaltung, Ratten zu halten stationären 'ready-Positionen "und die Wege der Ratten sind stereotyp. Klicken Sie hier für eine größere Ansicht. Abbildung 5. Beispiele perievent bezogene Analysen. A. Zellen aus der postrhinal Kortex während der vBCD Aufgabe mit unterschiedlichen Reaktionen auf die Präsentation des Zielbildes (links), und der Präsentation der Stock (rechts). B aufgezeichnet. Zellen von der hinteren parietalen Kortex während zeichnetenAufgabe der VSA mit verschiedenen Reaktionen auf die Beleuchtung des Kreises (links). Erhöhte Brenn nach Wahl der räumlichen Position, in der der Zielkreis beleuchtet (rechts). C. Spektrogramm zeigt starke Leistung theta in der hinteren parietalen Kortex während der "Warteposition". Die vertikale rote Linie zeigt das Ende der erfolgreichen "Bereitschaftsstellung" und die Präsentation der Bilder. Die vertikale blaue Linie zeigt die Präsentation der Etage 1 am Versuch zu starten in der vBCD Aufgabe. Die vertikale grüne Linie zeigt an, dass eine Wahl in der VSA Aufgabe eingetragen. Klicken Sie hier für eine größere Ansicht.

Discussion

Wir beschreiben formal Protokolle Ratten auf vollautomatische komplexere kognitive Aufgaben auf der Bodenprojektion Maze trainieren. Die Bodenprojektion Maze erfolgreich verwendet worden, um neuronale Korrelate der Objekt-Standort Konjunktionen und Fehlersignale in postrhinal Kortex während der Leistung auf einem 2-Wahl visuellen Unterscheidungsaufgabe 1 zu etablieren.

Die Verhaltensformung Protokoll wird flexibel gestaltet, so dass sie angepasst ist, um Lernrate eines einzelnen Ratte entsprechen. Benutzerdefinierte Code für den Verhaltenssystem geschrieben kann der Experimentator, um die Wahrscheinlichkeit von automatisierten ICS Lieferung an kritischen Schritte beim Training steuern, zB die Ausbildung der "Bereitschaftsstellung". Der Code sollte auch eine manuelle Auslieferung von ICS unter Verwendung eines programmierbaren Taste Feld bei. Das Ziel der Früh Shaping ist eine effektive Stimulation für ICS Belohnung Lieferung an Verhalten zu verstärken etablieren. Wenn möglich, empfehlen wir die Implantation stimulating Elektroden bilateral in MFB im Falle unwirksam Stimulation in einer Hemisphäre. Unsere Erfahrung jedoch war, dass fast alle implantierten Elektroden ICS wurden funktionale, eine lohnende Stimulus zu liefern. Die Zwischenformgebungsstufe ist entscheidend für die Ausbildung der Ratte, eine "Bereitschaftsstellung" im Bereitschaftsraum zu erhalten. In der "Bereitschaftsposition", sollte die Ratte stationären mit der Nase in Richtung der Bildbereiche, wo die Wahl Bilder präsentiert werden. Die "Bereitschaftsstellung" steuert, wenn die Bilder angezeigt werden, die Richtung, aus der die Ratte nähert sich die Bilder und die Entfernung, aus der die Ratte betrachtet die Bilder. Wir empfehlen Tracking-LEDs auf heads der Ratte, die Richtung, in der Kopf der Ratte wird zeigen für eine bessere Kontrolle von Verhalten und genauere Steuerung der Zielbildpräsentation überwachen montiert. Manuelle Lieferung von ICS können ausgegeben, um Ratten zu trainieren, um die entsprechende "ready & # Position zu halten8217;. Wenn die Ratte ist die Aufrechterhaltung befriedigend "bereit Positionen" in jedem Versuch ist die Ausbildung in der Spät Gestaltung beauftragen spezifisch. Im Spät Gestaltung Ratten darauf trainiert, bestimmte Regeln zu lernen, um eine bestimmte Aufgabe zu erfüllen.

Wir verwenden ICS als unsere Methode der Lieferung als Belohnung diese Methode bietet sofortige Rückmeldung an die Ratte was zu einem schnelleren Lern ​​während Verhaltensformung und mehr abgeschlossenen Studien in einer Sitzung bei der Erhebung neuronalen Daten in automatisierten Aufgabe. ICS Lieferung führt jedoch in elektrische Artefakte in der neuronalen Aufnahme und problematisch für die Analyse von kontinuierlichen LFP-oder Mehrfach-Daten. Das Intervall um den elektrischen Artefakt kann offline aus dem neuronalen Aufnahme-Datendatei vor Dauerdatenanalyse entfernt werden. Typische Artefakte von ICS in hochpaßgefilterte Spike-Daten einfach offline, ohne die einzigen Spitze Analysen entfernt werden. Zukünftigen Optimierung der Protokolle für die Bodenprojektion Maze gehört die Verwendung optogenetic Werkzeuge, um interne Belohnung zu minimieren und zu beseitigen Artefakte mit elektrischer Stimulation verbunden zu liefern.

Die Bodenprojektion Maze ist für die visuellen Fähigkeiten von Ratten optimiert und ist somit besser geeignet für visuell geführte Verhaltensaufgaben. Es sollte beachtet werden, dass ein direkter Vergleich nicht zwischen experimentellen Paradigmen in der Bodenprojektion Maze und operante Kammern wegen der unterschiedlichen verwendeten Versuchsprotokolle und unterschiedliche Definitionen von Kriterium für die erfolgreiche Übernahme einer Aufgabe vorgenommen werden können. Wir haben zuvor jedoch gezeigt, dass Ratten, erwarb eine einfache 2-Wahl visuellen Unterscheidungsaufgabe in ~ 50 Studien in den Bodenprojektion Maze 2, verglichen mit> 300 Studien in anderen Studien, in denen Bilder wurden vertikal in operante Kammern 3,10 vorgestellt. Die VSA Aufgabe wurde nach der klassischen 5-Choice-Serienreaktions Aufgabe 13 (5-CSRT) zur visuellen Aufmerksamkeits beurteilen modelliertProzesse. Typischerweise ist das 5-CSRT wird in einem operanten Kammer durchgeführt und erfordert das Tier eine Nase Sack in der entsprechenden Nasenloch Sack durch einen Lichtblitz angegeben machen, hier die VSA Aufgabe wird in einer offenen Arena, wo Tiere bleiben durchgeführt stationär an einem bestimmten Ort in der Arena, richten ihre Aufmerksamkeit auf die Zielpositionen und warten, bis der Lichtreiz zu erscheinen. Nach unserer Erfahrung benötigt Ratten ~ 3.200 Studien Kriterium (75% an zwei aufeinander folgenden Tagen) in der 5-CSRT 14 verglichen mit ~ 800 Studien in den VSA Aufgabe in der Bodenprojektion Maze erreichen.

Ein weiterer Vorteil der Verhaltens Aufgaben auf der Bodenprojektion Maze durchgeführt wird, dass die Aufgaben in einem großen, offenen Arena, die die natürliche Tendenz der Ratte auf seine Umwelt zu erkunden, im Gegensatz zu Aufgaben, die das Tier benötigt, um seinen Blick zu fixieren nutzt ein durch stationäres Ziel. Ein großer Vorteil der Verwendung von frei beweglichen Ratten in einer offenen Arena &# 160; in der Bodenprojektion Maze Vorrichtung ist, dass sowohl allozentrischen und egozentrischen räumlichen Informationen mit visuellen Informationen gesammelt werden. Ein weiterer Vorteil unseres Paradigma ist, dass die Aufgaben müssen nicht Darstellung statischer Bilder beschränkt. Position und Funktionen der visuellen Reize, die dynamisch sind in Zukunft Aufgaben verwendet werden. Mit Tracking-Funktionen des Cineplex Behavioral-System-Forschung, können Aufgaben für eine detaillierte Funktions Verständnis einer bestimmten Gehirnstruktur entwickelt werden. Die Kombination von elektrophysiologischen Ableitungen mit gleichzeitiger visuell geführten kognitiven Aufgaben, können grundlegende Fragen, wie die Gehirnaktivität auf kognitive Prozesse wie Entscheidungs-und visuelle Diskriminierung erkundet werden.

Mit visuell geführte Aufgaben, Ergebnisse aus Studien an Ratten kann besser an den Menschen mit dem Ziel der Bereitstellung von Therapien für menschliche Krankheiten kognitiven übersetzt werden.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Diese Arbeit wurde von der NSF IOS 1146334, NSF EFRI 0937848, DARPA N66001-10-C-2010 und NSF IOS 0522220 RDB unterstützt. Wir danken Stacie Hyatt at Plexon Inc für die Unterstützung bei der Erstellung dieses Manuskripts.

Materials

OmniPlex D Neural Data Acquisition System Plexon Inc
DigiAmp Digitizing Amplifier Plexon Inc
Frame for Floor Projection Maze 80/20 Inc 15 Series T-slot framing
Short throw projector NEC Display Solutions WT610E
Da-Lite lace and grommet screen Da-Lite Screen Company 81326C
PlexiGlass Modern Plastics
SuperPort Input card Med Associates Inc DIG-713A
SuperPort Output card Med Associates Inc DIG-726
SmartCtrl Interface module Med Associates Inc DIG-716B
Decoder card Med Associates Inc DIG-700F
PCI card Med Associates Inc DIG-704PCI-2
Programmable audio generator Med Associates Inc ANL-926
Programmable Intracranial Self Stimulation Stimulator Med Associates Inc PHM-150B Operated by a PHM-152COM card
2 Channel electrode Plastics1 MS303/13/SP Cut 15 – 20 mm below the pedestal
Software
MED-PC IV Software Med Associates Inc SOF-735
OmniPlex Software Plexon Inc
CinePlex Software: Tracking and Basic Behavior Modules Plexon Inc
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References

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Jacobson, T. K., Ho, J. W., Kent, B. W., Yang, F., Burwell, R. D. Automated Visual Cognitive Tasks for Recording Neural Activity Using a Floor Projection Maze. J. Vis. Exp. (84), e51316, doi:10.3791/51316 (2014).
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