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.
Exekutiva funktioner består av flera kognitiva processer på hög nivå som driver regel generering och beteende val. En emergent egenskap hos dessa processer är förmågan att anpassa beteendet som svar på förändringar i ens omgivning (dvs beteendeflexibilitet). Dessa processer är avgörande för normal mänskligt beteende, och kan störas i olika neuropsykiatriska tillstånd, inklusive schizofreni, alkoholism, depression, stroke och Alzheimers sjukdom. Förståelse för neurobiologi exekutiva funktioner har kraftigt fram av tillgången på djur uppgifter för att bedöma diskreta komponenter av beteende flexibilitet, särskilt strategi växling och återföring lärande. Medan flera typer av uppgifter har utvecklats, de flesta är icke-automatiserad, personalkrävande och tillåter testning av endast ett djur i taget. Den senaste tidens utveckling av automatiserade, operanta baserade uppgifter för att bedöma beteende flexibilitet effektiviserar testing, standardiserar stimulans presentation och dataregistrering, och dramatiskt förbättrar genomströmning. Här beskriver vi automatiserad strategi växling och återföring uppgifter, använder operant kamrar kontrolleras av anpassade skriftliga program. Med hjälp av dessa uppgifter, har vi visat att det mediala prefrontala cortex styr strategi växling men inte återföring lärande i råtta, liknande den dissociation observerats hos människa. Dessutom djur med en neonatal hippocampus lesion, en neuro modell av schizofreni, selektivt försämras om strategin växling uppgift men inte återföring uppgiften. Strategin skiftande uppdrag gör det också möjligt att identifiera enskilda typer av prestations fel, som alla är hänförliga till olika neurala substrat. Tillgången till dessa automatiska uppgifter och bevis som stöder de avskiljbara bidrag separata prefrontala områden, gör dem särskilt väl lämpade analyser för undersökning av grundläggande neurobiologiska processer samt drug upptäckt och screening i sjukdomsmodeller.
Hög nivå kognitiva processer inklusive regel generation, beteende urval och utvärderingsstrategi är kollektivt som "exekutiva funktioner" eller "beteendeflexibilitet 1." Sådana processer är avgörande för normal kognitiv funktion, och kan försämras i så skilda sjukdomar som schizofreni , alkoholism, depression, stroke och Alzheimers sjukdom 2-7. Regleringen av exekutiva funktioner processer medieras huvudsakligen via områden i frontala cortex, inklusive dorsolaterala prefrontala cortex och orbitofrontal cortex hos människa 8-10.
Utvecklingen av uppgifter för att bedöma verkställande funktion och / eller beteende flexibilitet i nonhuman djur, särskilt gnagare, har i hög grad ökat kunskapen om neurobiologi kognition 11-14. Sådana uppgifter har gjort det möjligt att separat mäta distinkta komponenter av beteendeflexibilitet, inklusivestrategi växling och återföring lärande. Strategi växling avser förmågan att aktivt undertrycka en tidigare lärt åtgärdsstrategi samtidigt skaffa en ny, konkurrerande strategi, främst över stimulans mått (extradimensional shift) – t.ex., byta från att utföra en visuellt baserad diskriminering (röd vs grön, där rött är "rätt" och taktila stimuli är irrelevanta) att utföra en taktil diskriminering (jämna vs grov, där smidig är "rätt" och visuella stimuli är nu irrelevant). Å andra sidan, återföring lärande innebär också en förändring i svarsstrategi, men inom samma stimulans dimension – t.ex. i "röda vs. grönt" exempel, om rött var tidigare korrekt, en återföring skulle diktera att grönt är nu korrekt, medan taktila stimuli skulle förbli irrelevant.
Flera uppgifter har tagits fram för att undersöka beteende flexibilitet hos gnagare. Tvär maze uppgift kräver ett djur för att först lära antingen en riktning baserad regel (t.ex. "alltid sväng höger") eller en visuell baserad regel (t.ex. "alltid vända mot visuell") till en viss kriterium prestanda. Därefter djuret som krävs för att oväntat skifta antingen tvärs modalitet till den motsatta regeln (strategi växling, ursprungligen refererad till såsom en "nonreversal shift" 15) eller skiftar inom modalitet till motsatt beredskaps (återföring lärande) 13,14,16. Sådana uppgifter är känsliga för störningar i kortikala och subkortikala nätverk, som omfattar prefrontala cortex, thalamus och striatum 1,13,14,16-18. En annan typ av uppmärksamhets set skiftande uppgift (ibland kallad grävuppgift) kräver utbildningsdjur för att skilja mellan två containrar som skiljer längs två eller tre stimulans dimensioner (gräva media, lukt och / eller extern konsistens). I likhet med den tvär labyrintUppgiften är djuren då skyldig att flytta antingen över dimensionerna (strategi förskjutning) eller inom samma dimension (återföring lärande), och dessa uppgifter är likaså känsliga för frontala cortex manipulationer 11,19. En fördel med denna uppgift är att under den extra dimensionell strategi skift, är råttor presenteras med nya uppsättningar stimuli (förebilder), vilket säkerställer att prestationsnedsättningar under detta skede sannolikt hänföras till störningar i förmågan att skifta uppmärksamhets set till olika aspekter av sammansatta stimuli, snarare än en nedsatt förmåga att sluta närmar sig en viss stimulans tidigare förknippat med belöning. Dock gör denna funktion det också svårare att fastställa den särskilda karaktären hos ett underskott under en uppsättning skift.
Även de uppgifter som beskrivs ovan har dokumenterats väl i litteraturen, de båda lider av ett antal förfarande nackdelar, primärt den tid det tar att testa djur. I bådatvär labyrinten uppgift och gräv uppgiften, får endast ett djur testas vid en tidpunkt; Dessutom måste testa administreras i realtid av en särskild försöks, och kan ta upp till flera timmar per dag per djur. Dessutom är presentationen av stimuli och registrering av beteendereaktioner i båda typerna av uppgifter manuellt styrd av en försöks, och är därmed sårbara för mänskliga fel och subjektiv tolkning.
Här beskriver vi en automatiserad metod för att bedöma strategi växling och återföring lärande i råtta, med hjälp operanta procedurer som effektiviserar stimulans kontroll och presentation av data, och dramatiskt förbättra hastigheten för datainsamling och genomströmning 20,21. De metoder som används för att forma och utbilda råttor beskrivs, liksom komponenterna i själva uppgiften och analysen av den resulterande data. Vi har funnit att i likhet med kors labyrint och gräv arbetsuppgifter, dessa automatiska uppgifter är känsliga för störningar i prefrontaloch subkortikala kretsar, liksom till en neuro manipulation som modeller schizofreni 20-23.
Utvecklingen av beteende uppgifter för att mäta högre ordningens kognitiva konstruktioner hos gnagare är viktigt att främja kunskapen om neurobiologi kognition. Med välbyggda och validerade uppgifter, kan gnagare bedömas på uppdrag av komplexitet i klass med primater eller även människor. Här har vi visat hur två aspekter av exekutiva funktioner, strategi växling och återföring lärande, kan undersökas på gnagare med hjälp av automatiserade operanta tekniker. Med hjälp av dessa automatiska uppgifter, har vi replike tidigare resultat inom tvär labyrinten och gräva uppgifter angående de neurala substrat av set-växling och återföring lära 11,13,18-21,27,29, vilket tyder på att de operant uppgifterna är giltiga bedömningar av dessa konstruktioner.
Dessa automatiska uppgifter har ett antal fördelar och fördelar jämfört existerande icke-automatiserad kors labyrint och grävning arbetsuppgifter. Mest övertygande är den överlägsna takten datainsamling i automatiserad operant versionen. Varjedags träning eller testning tar bara 30-60 minuter, och är helt datorstyrd kräver minimal tillsyn av försöks. Dessutom kan flera djur testas samtidigt med ett flerkammar operant setup. Varje uppgift serien, från att forma till slutprovning, kan fyllas i cirka 2-3 veckor. En annan viktig fördel med de automatiska uppgifter är exakt kontroll av stimulans presentation, vilket minimerar risken för försöksfelet. Till exempel är den ordningsföljd som i kö plats på varje försök randomiserad och kontrollerad av datorn, snarare än av en försöks manuellt hört en trial-by-rättegången listan. Tidpunkten mellan försöken är exakt uppmätt och konsekvent, och är inte förvirrad av den tid det tar en försöksledaren att, till exempel, ta bort en råtta från kors labyrinten eller ordna om gräv behållarna. Förstärkning leveransen är automatisk och är inte föremål för försöks fel (t.ex. att glömma betekorrekta arm av en tvär labyrint). Datainsamling är likaledes förbättras, med automatisk inspelning av svarsmönster inklusive mätning av exakta svars latenser. I avsaknad av andra motoriska avvikelser, kan förändringar i svars latenser användas för att dra slutsatser bevis på förändrad processorhastighet och / eller för att bedöma graden av kognitiv komplexitet en uppgift 21,22.
De automatiska uppgifter behåller också en viktig fördel med de kors labyrint uppgifter: förmågan att genomföra en detaljerad analys av de fel som gjorts på skift eller återföring dag. Skilja mellan set-shifting fel som replikerar den föregående dagens strategi (perseverative eller regressiva fel) och fel som representerar tidigare oprövade strategier (aldrig-förstärkta fel) kan hjälpa till att karakterisera särskilda underskott i beteendeflexibilitet. I synnerhet perseverative fel inträffar tidigt i test avspeglar ett djur oförmåga att överge den tidigare strategy, medan senare förekommande regressiva fel speglar ett djurs oförmåga att upprätthålla den nya strategin när persevera har upphört 20. Aldrig-förstärkta fel kan indikera ett misslyckande att förvärva den nya strategin, eller en oförmåga att reagera systematiskt enligt en regel 20. Tidigare fynd 16,17,20 demonstrerar dissocierbara neuroanatomiska baser av dessa typer av fel är också värdefullt att tolka resultaten av dessa uppgifter.
Våra rutiner har utvecklats och optimerats för användning med råttor. Detta sagt, andra grupper har använt liknande förfaranden för att testa som skiftande förmågor hos möss 31. Men vissa ändringar behöver anställas med möss att rymma för skillnader arter. Dessa inkluderar längre presentation av visuell ljus före spak förlängning, utbildning över flera dagar med 30 försök / dag och inkorporering av en time-out straff efter felaktiga val. Although dessa modifieringar gör denna analys mindre mottaglig för användning med farmakologiska utmaningar, kan det visa sig användbart för att bedöma kognitiv flexibilitet i genetiskt förändrade möss (även om det är oklart om dessa ändringar skulle bevara den frontala cortex känslighet uppgiften).
Naturligtvis finns det även begränsningar för dessa uppgifter. Vissa av dessa begränsningar uppstå genom automatiserad uppgiftens art, medan andra hänför sig till parametrarna för uppgiften själv. När det gäller det sistnämnda, det beskrivs här uppsättningen skiftande uppgift (liksom tvär labyrinten inställd skiftande uppgift 26) utnyttjar en begränsad uppsättning stimuli och reaktioner. Till skillnad från den gräva uppgiften, där nya förebilder (t.ex. obekanta dofter eller gräva media) kan användas för att bygga nya uppmärksamhets uppsättningar i varje steg 11,19, den operanta set skiftande uppgift kräver nödvändigtvis välja mellan två stimuli som är bekanta med djur – antingen vänster vs.höger cue ljus, eller vänster kontra högerläge. Detta innebär att operanta och kors labyrint set-shifting arbetsuppgifter involverar svars konflikter samt strategi växling, även om begreppet flytta en strategi att en ny, tidigare irrelevant stimulans dimensionen bevaras 20,23. I en liknande anteckning, set-växling och återföring operanta uppgifter som beskrivs här tillåter inte en tredje stimulans dimension, som i gräv uppgift som kan inkludera gräva media, lukt och konsistens 11,19. Men anser vi inte att detta är en olycklig brist, eftersom den operanta set skiftande uppgift kräver fortfarande djuret för att undertrycka den tidigare relevanta strategin diskriminering och sköta ett tidigare ignorerat stimulans dimension. Dessutom verkar det tänkbart att ändringar av parametrarna utrustning och uppgift kan stödja tillägget av en tredje stimulus dimension, såsom auditiva ledtrådar eller lukt, även om dessa tillägg skulle sannolikt göra lärandet svårare och mindre ameNable att enda dag farmakologiska tester.
Slutligen är en potentiell begränsning av någon operant baserade uppgift förlusten av direkta uppgifter om råttbeteende – dvs, är försöks inte längre titta på råttan. Vi anser att de fördelar i objektivitet och datainsamling hastighet som följer av automatisering mer än kompensera för denna förlust, och kameror monterade i operant kamrarna är ett relativt enkelt sätt att återställa enskilda visuell tillgång om så önskas.
Det finns ett antal åtgärder som kan vidtas för att maximera framgång med hjälp av dessa operanta uppgifter. Först, det är viktigt att hantera djuren innan träning börjar kan inte överskattas; som med alla beteende uppgift, väl hanterade djur är lättare att arbeta med, är mindre stressade, och tenderar att producera mindre variabeldata. För det andra kan en del pilotförsök vara nödvändigt att bestämma den bästa tiden på dagen att utföra testning; vi testar under den ljusa cykeln, och upptäcker att performance är optimal när djur testas i slutet av denna cykel (t.ex. ca 16:00 för en lätt cykel slutar vid 07:00). Tredje, omsorg bör vidtas för att bekräfta att stabila prestanda etableras vid varje förträning stadium innan ett djur är avancerat till nästa steg. Till exempel, är konsekvent och robust prestanda vid infällbara spaken träningsstadiet en utmärkt prediktor för skickliga prestationer på "set" diskriminering uppgift. När det gäller utrustning, även om alla steg är automatiserade, förblir nödvändigt försöks ingripande för att bekräfta att alla komponenter är i funktionsdugligt skick. Till exempel bör en kontroll utrustning köras dagligen (eller mer än en gång per dag, om stort antal djur testas) för att se till att alla lampor, spakar och belöning leveranssystem är i drift. I synnerhet kan felfunktioner i belöning leveranssystem (särskilt pellets automater) drastiskt påverka prestanda. Ett ovanligt högt antal försummelser påen viss dag kan indikera ett problem med belöning leveransutrustning, och därmed bör kontrolleras datautgång varje dag av en försöks förtrogen med uppgiften och förväntade prestanda. I avsaknad av en felaktig utrustning, kan ett stort antal försummelser indikera andra problem med motivation eller djurs hälsa. Om ett djur är i övrigt frisk, kan mat begränsning ökas för att ta djuret till 80-85% av den fria-matningsvikten för en kort tid tills prestanda återhämtar sig.
Dessa set-skiftande och återföring uppgifter kan användas i en mängd olika experimentella paradigm. Till exempel kan effekterna av manipulationer såsom lesioner, utvecklings behandlingar, kost manipulationer, långtids farmakologisk behandling, eller genetiska modifieringar undersökas. Medan effekten av en behandling på set-växling eller återföring stadiet kan vara av primärt intresse, notera att eftersom sådana kroniska eller permanenta behandlingar nödvändigtvis måste administreras före training börjar, effekter på flera stadier av prestanda (särskilt på den initiala diskriminering eller "set") måste också undersökas 21. Användningen av akuta manipulationer, såsom farmakologiska behandlingar eller tillfälliga neuroanatomiska inaktive, är särskilt väl lämpad för dessa uppgifter. I sådana fall är tillsatsen av en tredje grupp (såsom illustreras i figur 2) som är användbara; alltså, får den primära försöksgruppen manipulation av intresse på dagen för skift eller återföring, medan en kontrollgrupp får manipulation på dagen för inledande diskriminering eller "set" för att testa för breda effekter på lärande, och en andra kontrollgrupp erhåller inga manipulationer (eller falska behandlingar) på båda dagarna 20,22. Notera att för sådana akuta manipulation studier, är det lämpligt att matcha råttor för prestanda under inlärningen av den ursprungliga uppsättningen och fördela dem till försöksgruppen och (andra) kontrollgrupp därefter. Denna minimizes möjligheten att behandlingsutlöst skillnader i prestanda kan förväxlas med individuella variationer i hur lätt råttor lär sig att skilja mellan stimuli. Dessutom, om ett experiment kräver testning av multipla kohorter under veckor eller månader, bör varje kohort inkluderar djur från alla försöksgrupper. Till exempel kan en studie testa effekterna av akuta farmakologiska manipulationer under ett skift kräver 48 råttor totalt 3 experimentella grupper, som testas i tre kohorter av 16 djur vardera. I detta fall bör varje kohort innehålla 5-6 råttor i varje experimentgrupp. Helst ska de statistiska analyserna omfatta en faktor som bekräftar det inte fanns några skillnader i prestanda över varje kohort av råttor. Slutligen kan dessa operant uppgifter vara särskilt användbart för att tillämpa in vivo inspelningsteknik, inklusive mikrodialys, voltametri, och elektrofysiologi, på grund av komponenter såsom kontrollerad miljö, exakta tidpunkten för stimulans Presentationshanterarenjon och svar och begränsade förflyttningar av djuren som inte är tillgängliga eller praktiskt i tvär labyrinten eller gräva arbetsuppgifter.
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 |