Den här artikeln presenteras en automatiserad T-maze apparat som vi uppfann och ett protokoll baserat på denna apparat för att analysera dröjsmål-baserat beslutsfattande och ansträngning-baserat beslutsfattande i gratis rörliga gnagare.
Många neurologiska och psykiatriska patienter visar svårigheter eller brister i beslutsfattandet. Gnagare modeller är till hjälp att producera en djupare förståelse för de neurobiologiska orsaker bakom beslutande problemen. En kostnads-baserade T-maze aktivitet används för att mäta beslutsfattande där gnagare välja mellan en hög belöning arm (HRA) och en låg belöning arm (LRA). Det finns två paradigm för aktiviteten T-maze beslutsfattande, där kostnaden är en tidsfördröjning och den andra där det är fysisk ansträngning. Båda paradigm kräver en långtråkig och arbetsintensiva förvaltning av försöksdjur, flera dörrar, pellet belöning och beväpna val inspelningar. I det nuvarande arbetet uppfann vi en apparater baserade på traditionella T-maze med full automatisering för pellets leverans, dörren förvaltning och val inspelningar. Denna automatiska inställning kan användas för utvärdering av både förseningar och ansträngning-baserade beslutsfattande hos gnagare. Med protokollet som beskrivs här, undersökt vårt labb de beslutsfattande fenotyperna av flera genmodifierade möss. I den representativa uppgifter visade vi att möss med avlägsnad mediala habenular visade aversioner både förseningar och ansträngning och tenderade att välja omedelbar och enkel belöningen. Detta protokoll bidrar till att minska variationen orsakas av försöksledaren ingripande och att effektivisera experiment. I tillägg, kronisk kisel sond eller mikroelektrod inspelning, kan fiberoptiska imaging eller manipulation av neural aktivitet enkelt appliceras under beslutsfattande uppgiften använder den inställning som beskrivs här.
Människor och andra djur utvärdera kostnaden (inklusive dröjsmål, ansträngning och risk) för att få en belöning, och sedan göra sitt beslut att välja ett visst handlingssätt. Beslutsfattandet underskott visas i många neuropsykiatriska sjukdomar, inklusive schizofreni (SZ), ADHD (ADHD), tvångssyndrom (OCD), Parkinsons sjukdom (PD) och missbruk1. Studier på människor och apor visade att flera viktiga hjärnan regioner är involverade i beslut att göra2,3,4. Även om primater engagera sig i mer komplicerade beslut förutsättningar att bli, har gnagare rapporterats kunna adaptiv beslut för att överleva i en miljö där belöning oförutsedda utgifter ändras ofta. Dessutom kan neural krets mekanismerna och molekylära mekanismer bakom beslutsfattande undersökas grundligt i musmodeller på grund av tillgängligheten av chemogenetic verktyg, optogenetic verktyg och genetiskt modifierade möss. Det finns flera uppgifter används i utvärdering gnagare beslutsfattande beteenden, inklusive uppmärksamhet set-shift uppgiften, effortful eller försening-baserade T-maze uppgiften, Iowa spelande uppgiften, visuell diskriminering återföring lärande aktivitet5, etc. Analoga T-maze kostnads-protokoll utvecklades ursprungligen av Pierre grupp6 och har använts för att undersöka effekterna av två typer av beslut kostnad (fördröjning och ansträngning) på gratis rörliga gnagare7,8, 9,10. Den speciella fördelen av denna uppgift är att djur inte behöver utbildas för att trycka spakarna eller gräva i en skål. Djuren gör i stället ett val mellan en hög belöning hög kostnad alternativ i ena armen (HRA) eller en låg belöning låg kostnad alternativet i den andra armen (LRA). Därför är denna uppgift mycket lättare att utföra.
I den fördröjning-baserade paradigmen införs en junction dörr när det experimentella djuren anger ett av målet armar, så att djuret hålls i målet armen. Om djuret väljer LRA, mål dörren på LRA är indraget omedelbart och en liten mängd mat levereras. Om djuret väljer HRA, mål dörren på HRA är tillbakadragen efter krävs fördröjning och en stor mängd mat pellets levereras (figur 1A). I den ansträngning-baserade paradigmen, HRA försvåras av en barriär och djur måste klättra över den för att få en stor mängd pellets (figur 1B). Generellt sett dröjsmål-baserade paradigm är mycket användbart för att testa impulsivitet av djurmodeller och den ansträngning-baserad som kan hjälpa till att räkna ut apatiska djur2,4,11,12, 13. Hitherto forskare har varit utför denna analys av manuellt räkna tiden försening, infoga och återkalla dörrar, manövrering ansträngning barriären, räkna pellet, placera pellets i position, utsläppande och återvänder djur , och inspelning djurens val för varje rättegång. Dessa kostnader för arbetskraft och tid utgör en svår experimentella flaskhals för forskare, hindrar utbredda användningen av denna beteendevetenskaplig analys. I nuvarande arbete utvecklat vi en T-maze baserat setup för att bedöma dröjsmål – eller ansträngning-baserade beslutsfattande av gnagare, med full automatisering, standardisering och hög genomströmning kapacitet.
Apparater
I samarbete med en kommersiell tillverkare (se Tabell för material), utvecklade vi en modifierad automatiserad T-maze apparater som används mjukvaran-baserat instrumentstyrning (figur 2). I synnerhet infört vi en ”bakvägen” och ”tillbaka sätt” jämfört med de traditionella T-maze (figur 2), så att djuren kunde gå tillbaka till början pekar sig och starta en ny rättegång. T-maze är matt grå färgade, och när experimentet skick och programvara har angetts korrekt, både svarta och vita möss kan upptäckas. Den består av tre armar: ett start arm och två mål armar, varje 410 mm i längd med V-formade väggar av 155 mm i höjd, en bas av 30 mm i bredd och en öppen topp av 155 mm i bredd. V-formade korridoren kan effektivt förhindra möss från hoppning. Dessutom gör V-formade korridoren det enklare att applicera i vivo inspelning med kablar. En start-box är ansluten till slutet av start armen. En mål-box är ansluten till slutet av varje mål arm. En automatisk mat dispenser installeras i varje mål att leverera ett fördefinierat antal söt mat pellets. Pellet intaget detekteras av en infraröd sensor och registreras automatiskt av en dator. Varje mål box är ansluten till startrutan av en rak korridor. Djur kan självständigt återgå till startrutan via korridoren när de avslutar en rättegång. I området i närheten finns det skjutdörrar av 155 mm i höjd vid ingången och utgången av rutorna start och mål. En skjutdörr är dessutom ligger vid ingången till varje mål arm att hindra djur från att flytta bakåt efter att göra ett val (figur 2A). Alla skjutdörrar kan styrs av en dator och automatiskt öppnas och stängas. En hög känslighet 1/2 ”kostnad kopplade enhet (CCD) monocle kamera ligger ovanför apparaten att spåra djurens beteende. Brännvidd av linsen är 2,8-12 mm. Placeringen av kameran är ca 1,9 m hög. Eftersom höjden på labyrint är 0,5 m från golvet, är avståndet mellan kameran och labyrinten ca 1,4 m (figur 2B). Uppföljningsdata från CCD kameran används till live-kontroll av T-maze, öppning och stängning särskilda dörrarna när djur anger vissa regioner av intresse (ROIs). De hinder som används för att insats-baserade paradigm är i form av tredimensionella enmetad triangel (figur 2 c), som passar perfekt i de V-formade väggarna, och är ca 155 mm i höjd. Djur måste skala den vertikala sidan men kan sjunka en 45° lutning. Apparaten är upplyst på 100 lux under experimentet. Socker pellets används i experimentet (se Tabell för material), och kiselgel (se Tabell för material) används för att hålla pellets torr.
Beslutsfattande är en kognitiv process som starkt konservativa under evolution15. Människor och djur kan utvärdera kostnaden för konkurrerande åtgärden alternativ i förhållande till potentiella belöningen och sedan göra sina val. Patienter som lider av ett antal neurologiska sjukdomar och psykiska störningar visar underskott i olika former av beslutsfattande16. Det är därför viktigt att undersöka de neurobiologiska och patofysiologiska mekanismerna bakom beslutsprocessen. I de senaste åren forskning dröjsmål och ansträngning-baserade beslutsfattande lockar mer och mer intresse. Dessutom har gnagare, speciellt råttor använts i stor utsträckning att studera dessa två former av beslutsfattande17.
Många studier ledde till intressanta upptäckter med hjälp av en beteendevetenskaplig uppgift som rör en T-maze apparat med en HRA och en LRA2,6,7,8,9,10, 18 , 19 , 20 , 21 , 22. i uppgiften, HRA intresseföretag stora belöningar med antingen en tid försening eller ansträngning ansträngning. På LRA skaffar djur en liten belöning direkt utan tidsfördröjning och fysisk ansträngning. Den traditionella strategin bygger på mänskliga experimenter’s handpåläggning. I varje prövning, behöver experimenter räkna pellets och placera dem i mat magasinen HRA och LRA, placera målet dörrarna på både HRA och LRA och placera djuret i slutet av start armen. När djuret går in i någon av armarna, behöver en junction dörr placeras för att begränsa djuret i målet arm. Beroende på protokollet måste experimenter räkna tiden och öppna mål dörren efter en fördröjning. När djuret går in i målområdet och erhåller pellet(s), måste försöksledaren returnera den till buren, och registrera djurets arm val och beteende. Sedan måste experimenter inför nästa rättegången T-maze dörrar och pellets. Hela utbildning och testning processer är oerhört tids- och labor intensiv. Dessutom är en brist på standardisering över olika labs ett annat bekymmer.
I detta papper presenterade vi ett protokoll som bygger på en modifierad automatiserade T-maze apparat med ett video-tracking system (figur 7) för att lösa problemen med traditionella protokoll. Genom att införa en ”bakvägen” och ”tillbaka korridor” till den traditionella T-maze, erhöll vi labyrint med en ”tudelas liksidig triangel” form. Fördelarna med denna setup är (1) full automatisering av den beteendevetenskaplig utbildning och testning. Detta tar bort effekten av försöksledaren subjektivitet och minimerar mänsklig tid och arbete åtaganden. Vi har fyra inställningar i labbet, så att fyra möss kunde vara utbildad eller testas samtidigt av en försöksledare, vilket är omöjligt att åstadkommas med traditionella protokoll. (2) det finns programvara flexibilitet som kontroll mjukvaran tillåt praktiker att fritt ställa in flera parametrar, inklusive pellet nummer, fördröjningstiden, dörröppning och stängning, rättegång nummer, varaktighet och spårningsläge. Detta system kan därför möta olika typer av experimentella behov. (3) det finns bred kompatibilitet som alla skjutdörrar på T-maze är utformade för att lagras under basen av labyrinten när de är öppna. Därför kan inställningarna enkelt integreras med olika fysiologiska system, inklusive optogenetic optiska manipulation, in vivo elektrofysiologi inspelning och mikrodialys. För att utesluta möjligheten att mössen valde HRA på grund av en position preferens, rekommenderar vi dessutom tillämpa ett kontrollprov för både dröjsmål- och ansträngning – baserad analys. Genom utjämning kostnaderna i två mål armarna, har djur möjlighet att uppleva både belöning resultat till samma kostnad. Valet kan göras helt enkelt på grundval av belöningen differential, därmed undanröja behovet av att integrera både kostnader och fördelar innan beslut fattas. Detta testar också om någon förändring i djurens val är resultatet av en oförmåga att skala kostnaden eller belöning, eller minne underskott snarare än en ändring på sätt där de bedömde deras beslut.
I vårt labb har vi analyserat cirka 10 stammar av möss med denna inställning. Ett exempel visades i representativa data, mHb:DTA möss visade en robust fenotyp i både dröjsmål- och ansträngning-baserat beslutsfattande. Det vill säga är belöning värde starkt rabatterade av tid och ansträngning i mHb:DTA möss. Resultatet visade den viktiga rollen som mHb på impulsivitet kontroll. Vi har dessutom tillämpat kisel sonden inspelningar på gratis rörliga möss under beslutsprocessen (opublicerade data). Alla experiment som tillhandahålls validering riktmärken för kapacitet av automatiserat installationen. Således är det standardiserade protokollet för T-maze baserat beslutsfattande med automatiserade apparaten lämplig för att upptäcka genetiska effekter, farmakologiska effekter och neural krets på dröjsmål och ansträngning diskontering av gnagare. Sammanfattningsvis har setup många fördelar att fungera som ett idealiskt system för de försening – och ansträngning-baserade beslutsfattande analyserna.
The authors have nothing to disclose.
Vi vill tacka Dr Matthew F S Rushworth (Institutionen för experimentell psykologi, University of Oxford) och Dr Sakagami Masamichi (Brain Science Research Center, Tamagawa universitet) för deras värdefulla råd på initiering av projektet och Detaljer av protokollen. Vi tackar Dr. Lily Yu för kritiska kommentarer och redigera manuskriptet. Projektet stöddes av RIKEN incitament projektet (100226201701100443) till Q.Z, Brain Science Project, Center för romanen vetenskap initiativ, nationella institut av naturvetenskap (BS291003) till Q.Z, den RIKEN åldrande projekt ( 10026-201701100263-340120) till Q.Z och den JSPS Kakenhi bidrag för unga forskare (B) (17841749) till Q.Z.
Författare bidrag: Q.Z utformades och initierade projektet, Q.Z, Y.K och Hedbom utföra experiment och dataanalys, Hedbom samordnas arbetet mellan de lab och O’HARA & Co, Ltd, Q.Z och Y.K skrev manuskriptet, SI övervakade projektet.
automated t-maze for decion making testing | O’HARA & Co.,ltd | no catalog number, customorized | Address requested by the reviewer: 4-28-16 Ekoda, Nakano-ku, Tokyo 165-0022 TEL: 81-3-3389-2451 FAX:81-3-3389-2453 |
slica gel | Nacalai Tesque | 1709155 | |
AIN-76A Rodent Tablet 10mg | Test Diet | 1811213(5TUL) | Manufactured for Japan,SLC |
Time TM1 software | O’HARA & Co.,ltd | no catalog number | |
SPSS statistics V21.0 | IBM |