Грызун психомоторного Бдительность Test (rPVT): Метод оценки психофизиологические качества у крыс и мышей
Summary
Версия крыса человеческого психомоторного Бдительности Test (PVT) описывается, что измеряет аспекты внимания аналогичные тем, которые измеряются с человеческим PVT, включая аспекты человеческой бдительности, такие как точность производительности, скорости двигателя, преждевременно отвечать на запросы и провалами во внимание.
Abstract
Психомоторного Бдительность Тест человека (PVT) является широко используемой процедурой для измерения изменений в усталости и постоянного внимания. Настоящая статья описывает версию грызуна PVT-называется "rPVT" , т.е. меры , аналогичные аспекты внимания (то есть, точность исполнения, скорость двигателя, преждевременно отвечать на запросы, и провалы во внимании). Данные представлены, которые демонстрируют как в краткосрочной и долгосрочной перспективе полезность rPVT при использовании в лабораторных крыс. Крысы легко узнать rPVT, и научиться выполнять основные процедуры занимает менее двух недель тренировок. После приобретения, крысы выступления в rPVT показывают высокую степень сходства этих же показателей эффективности в человеческом PVT, в том числе сходства, провалами во внимание, время реакции, бдительность декрементах через время сессии (т.е. человек "время-экранном задача "эффекты), и эффект отклика стимул интервал (РСИ), описанный для человека. Таким образом, гПВТ может быть чрезвычайно ценным инструментом для оценки последствий широкого спектра переменных на постоянное внимание весьма похожими на PVT представлений человека, и, таким образом, могут быть полезны для разработки новых методов лечения нейроповеденческих дисфункций.
Introduction
Испытание настороженность человеческого психомоторного (PVT) является широко используемым, хорошо апробированы инструмент для измерения бдительности и постоянного внимания у людей, и был первоначально разработан Dinges и др. 1-3 для оценки стабильности во времена реакции и внимания (например, ошибки в терминах преждевременных реакций и провалами во внимание), как в рамках сессий в целом и во времени в рамках отдельных сессий. На протяжении многих лет, человек PVT был изменен и обновлен 4-11 отслеживать временные изменения в различных аспектах внимания, и было продемонстрировано , чтобы быть чувствительным к изменениям в недосыпания и усталости, и зависит от употребления наркотиков и возраст испытуемых 12 , 13. PVT, казалось бы, простая процедура, в которой субъект кратко затрагивает экран, когда стимул (как правило, номер дисплей LED) появляется случайным образом во времени, как правило, после того, как 2 – 10 с. В человеческой версии, на дисплее число увеличивается в мс и останавливается, когда тон касании экрана, что указывает на время реакции субъекта (RT). Уменьшается в зоркости обозначены 1) замедлилось время реакции, 2) увеличение провалами (называемые "упущения" в человеческой литературе, и обычно определяется как индекс РТС, которые> 500 мс в длину), и 3) увеличение преждевременным отвечать (называются «ошибки комиссии» или «ложные старты» в человеческой литературе). Другие меры также могут быть получены с помощью PVT для изучения таких переменных, как гендерные и возрастные различия; для рассмотрения этих мер см Баснер и Dinges 4. И, наконец, PVT был применен в общей области оценки риска для человека, и успешно используется в широком диапазоне рабочих областей, которые включают в себя военные, авиационные и железнодорожные отрасли, первые ответные меры, и экстремальных условиях, таких как миссий экстремальных условиях окружающей среды НАСА Операции (NEEMO), международный проект Mars500 14, а также на Международном Spacд станции (МКС). На МКС, то PVT называется "Реакция Self-Test" и используется для обеспечения астронавтов с индивидуализированной обратной усталостному (например, изменения в RTs или провалами во внимание).
Человек PVT используется уже в течение многих десятилетий, так как у грызуна версии простых задач времени реакции (которые немного похожи). Это было только недавно, однако, что прямой грызун аналог человеческого PVT сообщалось в литературе. Кристи и его коллеги описали вариант человеческого PVT для крыс, и сообщили о сокращении бдительности следующие депривации сна 15,16. Дополнительные недавние исследования сообщают о версии rPVT 17-19. Эти отчеты описали изменения в постоянном внимании следующих различных методов лишение сна; Тем не менее, данные из этих исследований также сообщили о высоком уровне преждевременный отвечать на запросы (например, в некоторых случаях, более чем 40% от общего количества RESPONSES); такие выступления совсем не похожи на любые PVT выступления с людьми. Такая большая разница в грызуна против человека выступления, вероятно из – за различий в конкретных параметрах , используемых в человеке по сравнению с грызунами версии PVT; например, Christie и др. исследование использовали случайным образом изменяющуюся 3 – 7 сек foreperiod, в то время как человек PVT обычно использует 2 – 10 с foreperiod (хотя см Баснер и др 5 для 3-минутной версии человеческого PVT , которая использует 1 -. 4 с foreperiod) , Использование относительно коротких значений foreperiod часто может приводить к животным "времени" их ответы, и, таким образом, может способствовать, с помощью случайного подкрепления, увеличение числа преждевременных реакций, как и сообщалось в текущих исследованиях на грызунах rPVT.
Версия rPVT описанного здесь основана на нашей ранее опубликованной статьи 20, а также дается подробное описание методов и процедур. Он отличаетсяиз ранее опубликованных версий rPVT в следующих аспектах: 1) Крыс тренировали с переменными значениями foreperiod 3 – 10 с, и 2) крысы быстро реагировать, так как ответы только в пределах окна короткого ответа (также называемый "ограниченным держать ") после начала стимула были усилены (1,5 сек в настоящем исследовании, 3,0 с в предыдущих опубликованных версиях rPVT). Используя эти изменения, а также краткие перерывы для неверны, приславших ответы привели к более высоким уровням контроля стимула, как показано существенное улучшение точности и снижение уровня преждевременным отвечать на запросы. В настоящем докладе также описываются предсказуемые изменения в переменных производительности (например, упущения в внимание, РЦ) , которые параллельны тем , которые наблюдаются у человека при рассмотрении настороженность декрементирует 21, а также при рассмотрении других мер , в том числе производительности человека "времени на задаче" эффекта и ответных мер , стимул интервал (RSI) эффект, который наблюдается в человеческом PVT <sдо> 22.
Окончательный вариант rPVT описанного здесь начинается с поворота на дом света (рисунок 1). После того, как переменного интервала (foreperiod) 3 – 10 лет истечет, ключ нос совать горит в течение максимум 1,5 с. (Для того, чтобы обеспечить равномерное распределение foreperiods длительностей, значения генерируется случайным образом без замены из списка 36 возможных значений, которые варьируются от 3 до 10 с, на основании с шагом 200 мс.) Освещение ключа nosepoke является сигналом для животного к ответить, и ответ, который происходит от 150 до 1500 мс после начала светового усилена 45-мг таблетки. После того, как усиленный ответ, как ключевой свет нос совать и дом свет выключаются и в 1 сек между пробный интервал (ITI; дом свет выключен) вытекает. Нос тычет на перед началом света производят 8 с тайм-аут (TO) из экспериментальных непредвиденные обстоятельства, которые сигнализируют гася свет дома. Если никаких ответов не происходит в течение 1,5 с РезОкно Понс, как nosepoke свет и свет дома отключены, и через 1 с ITI вытекает. начинается Следующее запланированное значение foreperiod для последующего судебного разбирательства после того, как либо 1 с ITI или на 8 лет, в зависимости от того TO имели место во время предварительного судебного разбирательства. Сессии проводятся ежедневно (5 дней / неделю), как правило, состоят из около 200 испытаний, и заканчивается через 30 минут. В результате при каждом испытании имеет длительность около 7,5 сек, в среднем.
Формирование стабильной базовой производительности на rPVT достигается путем 1) первоначально адаптируя крысу принимать пищу гранулы из пищевой лоток в камере, 2) ручной формирования крысу, чтобы ответить на ключ совать нос путем усиления последовательных приближений к финалу нос совать ответ, и 3) проведение ежедневных сеансов , где параметры процедуры rPVT (т.е. foreperiod, ITI, TO, и ключ-подсветка раза) постепенно скорректированные в течение сессии, в зависимости от того, насколько хорошо выполняет каждую крысу во время каждой сессии (подробно описано ниже).
Protocol
Representative Results
Discussion
Методология, описанная здесь, приводит к rPVT характеристик у крыс, которые сравнивают благоприятно во многих аспектах к типичной производительности PVT сообщили в человеческой литературе. Использование настоящей методики, можно быстро обучить крыс выполнять rPVT, и рабочие характеристик…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This research was supported by NASA (NNX15AC17G to CMD), and by NASA cooperative agreement NCC 9-58 (E000010 to CMD, NBPF02802 and NBPF04201 to RDH) with the National Space Biomedical Research Institute.
Materials
| Modular rat operant chamber with stainless steel grid floor | Med Associates | ENV-008 | Med Associates Inc. PO Box 319 St. Albans, Vermont 05478, USA Phone: (802) 527-2343 |
| Sound attenuating chamber | Med Associates | ENV-022MD | Houses rat operant chamber |
| Houselight for rat | Med Associates | ENV-215M | |
| 1" diameter rat nose poke response key | Med Associates | ENV-119M-1 | |
| Pellet receptacle, trough type | Med Associates | ENV-200R2M | |
| Modular pellet dispenser for rat, 45-mg | Med Associates | ENV-203M-45 | |
| PCI Operating package for up to 8 operant chambers | Med Associates | MED-SYST-8 | |
| SmartCtrl | Med Associates | DIG-716P1 | This catalog number has 8 outputs and 4 inputs which is the minimum needed to run the rPVT; SmartCtrl can also be purchased with 16 outputs and 8 inputs for more flexibility |
| Med-PC IV software | Med Associates | SOF-735 | |
| PC computer with PCI card slot | Any manfacturer (e.g., Dell) | Use of the PCI operating package requires a computer with a PCI card slot. Systems that use PCIe are available. Contact Med Associates for details. | |
| Dustless Precision pellets 45-mg rodent grain-based diet | Bio Serv | FO165 | Bio-Serv One 8th Street, Suite 1 Frenchtown, NJ 08825, USA Phone: (800)-996-9908; Standard chow pellets are commonly used. Different pellets (e.g., sucrose) can be acquired from Bio Serv. |
Riferimenti
- Dinges, D. F., Orne, M. T., Whitehouse, W. G., Orne, E. C. Temporal placement of a nap for alertness: contributions of circadian phase and prior wakefulness. Sleep. 10, 313-329 (1987).
- Dinges, D. F., Powell, J. W. Microcomputer analyses of performance on a portable, simple visual RT task during sustained operations. Behav Res Method Inst Comp. 17, 652-655 (1985).
- Kribbs, N. B., et al. Effects of one night without nasal CPAP treatment on sleep and sleepiness in patients with obstructive sleep apnea. Am Rev Respir Dis. 147, 1162-1168 (1993).
- Basner, M., Dinges, D. F. Maximizing sensitivity of the psychomotor vigilance test (PVT) to sleep loss. Sleep. 34, 581-591 (2011).
- Basner, M., Mollicone, D., Dinges, D. F. Validity and Sensitivity of a Brief Psychomotor Vigilance Test (PVT-B) to Total and Partial Sleep Deprivation. Acta Astronaut. 69, 949-959 (2011).
- Dinges, D. F., et al. Cumulative sleepiness, mood disturbance, and psychomotor vigilance performance decrements during a week of sleep restricted to 4-5 hours per night. Sleep. 20, 267-277 (1997).
- Drummond, S. P., et al. The neural basis of the psychomotor vigilance task. Sleep. 28, 1059-1068 (2005).
- Jewett, M. E., Dijk, D. J., Kronauer, R. E., Dinges, D. F. Dose-response relationship between sleep duration and human psychomotor vigilance and subjective alertness. Sleep. 22, 171-179 (1999).
- Lim, J., Dinges, D. Sleep deprivation and vigilant attention. Ann N Y Acad Sci. 1129, 305-322 (2008).
- Van Dongen, H. P., Dinges, D. F. Sleep, circadian rhythms, and psychomotor vigilance. Clin Sports Med. 24 (2), 237-249 (2005).
- Van Dongen, H. P., et al. Caffeine eliminates psychomotor vigilance deficits from sleep inertia. Sleep. 24 (7), 813-819 (2001).
- Blatter, K., et al. Gender and age differences in psychomotor vigilance performance under differential sleep pressure conditions. Behav Brain Res. 168 (2), 312-317 (2006).
- Lim, J., Dinges, D. F. Sleep deprivation and vigilant attention. Annals of the New York Academy of Sciences. 1129, 305-322 (2008).
- Basner, M., et al. Mars 520-d mission simulation reveals protracted crew hypokinesis and alterations of sleep duration and timing. Proc Natl Acad Sci U S A. 110, 2635-2640 (2013).
- Christie, M. A., et al. Microdialysis elevation of adenosine in the basal forebrain produces vigilance impairments in the rat psychomotor vigilance task. Sleep. 31, 1393-1398 (2008).
- Christie, M. A., McKenna, J. T., Connolly, N. P., McCarley, R. W., Strecker, R. E. 24 hours of sleep deprivation in the rat increases sleepiness and decreases vigilance: introduction of the rat-psychomotor vigilance task. J. Sleep Res. 17, 376-384 (2008).
- Oonk, M., Davis, C. J., Krueger, J. M., Wisor, J. P., Van Dongen, H. P. Sleep deprivation and time-on-task performance decrement in the Rat Psychomotor Vigilance Task. Sleep. 38, 445-451 (2015).
- Loomis, S., McCarthy, A., Edgar, D., Tricklebank, M., Gilmour, G. Behavioural evidence that modafinil and amphetamine do not produce equivalent qualities of wake promotion in sleep-restricted rats. Sleep Medicine. 14, 185 (2013).
- Deurveilher, S., Bush, J. E., Rusak, B., Eskes, G. A., Semba, K. Psychomotor vigilance task performance during and following chronic sleep restriction in rats. Sleep. 38, 515-528 (2015).
- Davis, C. M., Roma, P. G., Hienz, R. D. A rodent model of the human psychomotor vigilance test: Performance comparisons. J Neurosci Methods. 259, 57-71 (2016).
- Lim, J., et al. Imaging brain fatigue from sustained mental workload: an ASL perfusion study of the time-on-task effect. Neuroimage. 49, 3426-3435 (2010).
- Tucker, A. M., Basner, R. C., Stern, Y., Rakitin, B. C. The variable response-stimulus interval effect and sleep deprivation: an unexplored aspect of psychomotor vigilance task performance. Sleep. 32, 1393-1395 (2009).
- Skinner, B. F. . The behavior of organisms: an experimental analysis. , (1938).
- Warm, J. S., Parasuraman, R., Matthews, G. Vigilance requires hard mental work and is stressful. Hum Factors. 50, 433-441 (2008).
- Blatter, K., et al. Gender and age differences in psychomotor vigilance performance under differential sleep pressure conditions. Behav Brain Res. 168, 312-317 (2006).
- Raymann, R. J., Van Someren, E. J. Time-on-task impairment of psychomotor vigilance is affected by mild skin warming and changes with aging and insomnia. Sleep. 30, 96-103 (2007).
- Beijamini, F., Silva, A. G., Peixoto, C. A., Louzada, F. M. Influence of gender on psychomotor vigilance task performance by adolescents. Braz J Med Biol Res. 41, 734-738 (2008).
- Davis, C. M., DeCicco-Skinner, K. L., Hienz, R. D. Deficits in Sustained Attention and Changes in Dopaminergic Protein Levels following Exposure to Proton Radiation Are Related to Basal Dopaminergic Function. PLoS One. 10, 0144556 (2015).
- Stebbins, W. C. Response latency as a function of amount of reinforcement. J Exp Anal Behav. 5, 305-307 (1962).
- Stebbins, W. C., Lanson, R. N. Response latency as a function of reinforcement schedule. J Exp Anal Behav. 5, 299-304 (1962).
- Christie, M. A., McCarley, R. W., Strecker, R. E. Twenty-four hours, or five days, of continuous sleep deprivation or experimental sleep fragmentation do not alter thirst or motivation for water reward in rats. Behav Brain Res. 214, 180-186 (2010).
- Koban, M., Sita, L. V., Le, W. W., Hoffman, G. E. Sleep deprivation of rats: the hyperphagic response is real. Sleep. 31, 927-933 (2008).
- Moody, D. B., Stebbins, W. C. . Animal Psychophysics, The Design and Conduct of Sensory Experiments. , 277-302 (1970).
- Pfingst, B. E., Hienz, R. D., Kimm, J., Miller, J. M. Reaction-time procedure for measurement of hearing I. Suprathreshold functions. J Acoust Soc Am. 57, 421-430 (1975).
- Stebbins, W. C. Auditory reaction time and the derivation of equal loudness contours for the monkey. J Exp Anal Behav. 9, 135-142 (1966).
- Hienz, R. D., Weerts, E. M., VandeBerg, J. L., Williams-Blanger, S., Tardif, S. D. . The Baboon in Biomedical Research. , (2009).
- May, B. J., Huang, A. Y., Aleszczyk, C. M., Hienz, R. D., Klump, G. M., Dooling, R. J., Fay, R. R. . Methods of Comparative Acoustics. , 95-108 (1995).
