本协议描述了使用Arduino和相关硬件以及多功能Matlab工具箱(包括用于自动行为训练的可选脚本)为啮齿动物模型开发开源5选择串行反应时间任务工具箱。这些脚本是可定制的,有助于实现不同的试验和测试设计。
5-选择连续反应时间任务(5-CSRTT)是一种行为测试,通常用于研究啮齿动物的视觉空间注意力和冲动性。该任务要求动物将注意力分配到配备光源的五个小孔的水平阵列上,并在有限的时间内,用鼻子戳一个发光的目标孔,以便在位于腔室对面墙壁的食物杂志上获得食物奖励。该任务考虑了行为控制措施,例如响应准确性和反应时间,并允许推断选择性注意和冲动性。任务难度可以通过修改刺激持续时间和任务设计来控制。市售设备通常由实验室和指定任务参数的特定软件组成,但由于固定的硬件和软件,它们对一般实验设计和特定任务要求以及相关数据输出的变化提出了许多限制。本文介绍了一种完全可定制的替代方案,该替代方案分别基于易于使用的单板微控制器和标准电工组件、开放访问的Arduino脚本以及用于硬件控制和行为任务规范的Matlab工具箱。该工具箱包括一个可选的楼梯程序,可实现自动化的行为训练。完整的硬件设置,可以安装在定制的腔室中,以及可自由调整的软件,鼓励非标准化的任务和腔室设计。描述了系统的设计以及用于硬件控制和实验设置的开源代码。
5-CSRTT是一种行为测试,通常用于啮齿动物研究视觉注意过程和冲动1,2,3,4,5,6,例如确定胆碱能系统在注意力中的作用以及去甲肾上腺素再摄取抑制剂对冲动行为的影响7.标准装置允许观察各种控制措施,例如响应精度,反应时间,冲动和强迫行为,运动能力和动机1,2,3,4,5。它由五个配备LED的开口的水平阵列,与孔径相对的腔室壁上的食品盒和2,5的室内灯组成。在典型的任务中,房屋的灯光被照亮,并且会议的开始以食品杂志的照明为标志,其中提供了免费的颗粒。当动物用鼻子戳弹匣以取回颗粒1时,试验过程就开始了。之后,食品杂志的光被熄灭,试验间间隔(ITI)开始,在此期间,动物应该将其注意力转向孔径。一旦ITI过去,刺激照明就会在其中一个光圈1,2,5中呈现。刺激是针对称为刺激持续时间(StD)的特定长度给出的。动物可以在刺激出现时或在性病结束后的有限时间窗口内对刺激做出反应,称为有限保持(LH)。为了做出反应,动物必须用鼻子戳目标孔径,如果操作正确,会在食品杂志1,2,5中发布奖励。否则,任何不正确的反应,以及刺激呈现之前的任何反应(预期或过早)或任何无反应(遗漏)都会导致超时(TO),在此期间,房屋灯在一定时间内关闭1,2,5 (图1)。一般来说,判别性刺激的准确性测量注意功能,而过早和坚持性反应(刺激呈现后孔径的重复反应)分别被认为是冲动行为和强迫性的衡量标准,分别为1,4,5,6。
图 1:典型 5-CSRTT 的可能试验序列。 在审间间隔之后,刺激灯在特定持续时间内打开,然后在有限保持间隔期间关闭。老鼠可以正确回答并获得奖励,也可以错误地回答并在这段时间内获得超时。如果大鼠没有及时回答,其省略会导致超时。同样,如果它在光刺激呈现之前做出反应,其过早反应会导致超时。另一个试用在收到奖励或超时期限结束后开始。 请点击此处查看此图的大图。
5-CSRTT因其灵活性而被广泛使用:通过改变试验设计的参数,可以研究不同的注意力子类别。例如,虽然动物应该将其注意力分散在五个不同的孔(视觉空间注意)上,但使用不相关的刺激(例如,听觉刺激)可以测试选择性或持续性注意1,2,5,6。为此,实验设置可以通过包括扬声器来扩展,扬声器可以用作分散注意力甚至加强刺激1,2,5,6。此外,注意负荷可以通过改变刺激呈递或随机化ITI持续时间10来直接调节。5-CSRTT不仅用于啮齿动物3,7,而且最近已被用于测试非人类灵长类动物1,7,8 和鱼类7,9,进一步证明了其可行性。完全可定制的5-CSRTT工具箱允许将标准啮齿动物范式轻松适应其他动物模型。此外,5-CSRTT工具箱的定制灵活性也鼓励使用非标准任务设计进行研究。
这里展示的完全可定制的5-CSRTT工具箱包含一个用于硬件控制的Arduino脚本,在集成开发环境中编程。它还包括一个用于实验控制的Matlab工具箱(版本R2019b或更低版本)。以下协议说明如何使用广泛使用的标准范例配置 5-CSRTT 工具箱,并显示了非标准范例的可选配置。
本方案旨在开发和测试一种低成本且完全可定制的替代标准、市售5种选择的串行反应时间任务装置。通常,市售类型的设备根据需要提供一组有限的功能来运行标准研究5-CSRTT。因此,在特定的试验设计中进行非标准修改,例如对试验序列或目标刺激组合的更改,通常是不可能的。此外,许多可用的设备类型都带有特定的封闭式软件,这些软件可能无法提供对实验的所有行为数据的访问,例如过早和坚持不懈的答案的时间和孔径数。相比之下,这里介绍的工具箱的重要优势是 – 除了低成本 – 实施许多不同的试验设计和研究范式的可能性。目前,该工具箱支持多种刺激设计的定义,例如允许调暗的刺激,使用两个颗粒输送系统以及对反应时间的奖励依赖。它还支持使用微型扬声器进行听觉反馈。然而,主要目的是允许根据用户的目标轻松修改试验序列,例如引入昏暗的光圈和奖励决策任务的时间表或整合最先进的正强化训练方法11。此外,通过会话获取的所有原始数据都可用于进一步分析。该工具箱为自动化行为训练提供了一个Staircase功能,该功能也是完全可定制的,允许用户更改每个级别更新的标准,训练级别的数量以及要更新的参数。此外,该装置本身具有高度的适应性,并且试验设计和腔室布局的更改很容易实现,从而可以将5-CSRTT范式应用于需要与市售设备类型不同的研究设计的动物物种。
软件配置方案的特定部分对于确保工作流程顺利进行至关重要:特别是对于实验的第一天,硬件和实验控制软件的准备(步骤2和3)以及步骤5.3的配置至关重要。确保微控制器硬件、其软件和实验控制软件之间的串行端口连接正常工作对于建立功能齐全的 5-CSRTT 工具箱至关重要。在每个实验日开始时,建议重复上述三个步骤,以确保正确配置硬件和实验控制脚本。
最后,工具箱目前的局限性是它实现为一个独家编程平台,不幸的是,这损害了它作为一个完整的开源工具箱的使用。然而,原则上,工具箱应该很容易适应其他编程语言,如Python,因为一次试验的过程保持不变。
与现有的替代方法相比,这里介绍的5-CSRTT工具箱允许实施标准的5-CSRTT范式并对其进行修改,例如为坚持不懈的答案定义一个设定的时间窗口,或者引入分散注意力或加强的刺激,如扬声器或闪烁的灯光。除了易于使用和适应性强外,该设备成本低廉,易于复制,并且它鼓励使用非啮齿动物模型进行研究。
The authors have nothing to disclose.
这项工作由DFG WE 5469/ 3-1支持。
1200 Ohm Resistor | Already available in the lab | ||
8-bit 10 kΩ digital potentiometer | Microchip | MCP42010-I/P | From Conrad.de: 1083205 |
ARD MEGA2560 KIT Arduino – Mega 2560 R3 Lernset | JOY-IT | ARD-Set01 | From Reichelt.de: ARD MEGA2560 KIT |
ARD SHD MOTOR Arduino Shield – Motor | Adafruit | 1438 | From Reichelt.de: ARD SHD MOTOR |
ARDUINO STACKABLE HEADER KIT – R3 | Sparkfun Electronics | PRT-11417 | From Antratek.de: PRT-11417 |
Chow | Altromin | 1324 N | Altromin chow products |
Euro-Gehäuse | Hammond Electronics | 1591EBK | From Conrad.de: 520691 |
Food pellets | Bio-Serv | F0021 | From Bio-serv.com: Dustless Precision Pellets Rodent |
Fritzing | Interaction Design Lab Potsdam | Fritzing Software download | |
Integrated Development Environment | Arduino | Arduino IDE download (Freely available) | |
IR Break Beam Sensor – 3mm LEDs | Adafruit | 2167 | From Mouser.de: 485-2167 |
Laptop or Computer | |||
LED white round 5mm 2000mcd 20mA | TruComponents | 1573731 | From Conrad.de: 1573731 |
Microswitch | Hartmann | MBB1 01 A 01 C 09 A | From Conrad.com: 707243 |
NeoPixel Stick – 8 WS2812 5050 RGB LEDs | Adafruit | 1426 | From Reichelt.de: DEBO LED NP8 2 |
Passive buzzer Speaker | Conrad Components | 93038c213a | From Conrad.de: 1511468 |
Pellet release disk | Already available in the lab. Similar products depicted below. Keep in mind that some of these products make use of different (and stronger) motors and infrared sensors. The use of the microswitch (row 7) and the Arduino Motor Shield (row 3) need to be adapted to fit these new specifications. We recommend 3d printing the disk to work with the provided materials and software. Carbatec universal base plate Open Science Framework Open Feeder Open Ephys 3d Model Food Pellet Dispenser Campden Instruments 45mg pellet dispenser |
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Programming platform | Mathworks | R2019b or younger | |
Psychtoolbox Software | V3 | Psychtoolbox-3 download | |
Spur GEAR-MOTOR with DC brush motor | Micromotors | B138F.12.208 | Micromotos Series B138F Technical data |