Um totalmente automatizada Roedor Condicionado Protocolo para Sensorimotor Integração e Experimentos controle cognitivo
Summary
Um protocolo totalmente automatizado para roedor condicionamento operante é proposto. O protocolo se baseia em controle temporal precisa de eventos comportamentais para investigar até que ponto os experimentos influências deste controle neural atividade subjacente de integração sensório-motora e controle cognitivo.
Abstract
Roedores têm sido tradicionalmente usados como um modelo animal padrão em experiências laboratoriais envolvem uma miríade de funções sensoriais, cognitivas e motoras. Funções cognitivas superiores que requerem um controle preciso sobre as respostas sensório-motoras, como a tomada de decisão e de modulação da atenção, no entanto, são normalmente avaliadas em primatas não humanos. Apesar da riqueza de comportamento de primatas que permite múltiplas variantes destas funções a serem estudados, o modelo roedor permanece, uma alternativa atraente relação custo-benefício para os modelos de primatas. Além disso, a capacidade de automatizar completamente o condicionamento operante em roedores acrescenta vantagens únicas em relação ao treinamento de mão de obra intensiva de primatas não-humanos, enquanto estudava uma ampla gama dessas funções complexas.
Aqui, apresentamos um protocolo para ratos operantly condicionado sobre a realização de tarefas de memória de trabalho. Durante épocas críticas da tarefa, o protocolo garante que o movimento evidente do animal é minimizado por requiring o animal 'fixate' até uma sugestão Go é entregue, semelhante ao delineamento experimental de primatas não-humanos. A dois alternativa tarefa escolha forçada simples é implementado para demonstrar o desempenho. Discutimos a aplicação deste paradigma para outras tarefas.
Introduction
Estudar a relação entre a neurofisiologia e do comportamento é o objetivo final em neurociência sistemas. Historicamente, tem havido uma troca entre a escolha do modelo animal e repertório comportamental 1-5. Enquanto organismos simples, como lesmas do mar 6 ou 7 lulas têm sido amplamente utilizados para estudar as propriedades de canais iônicos único, neurônios e circuitos neurais simples, espécie de ordem superior são necessários para estudar as funções mais complexas, como navegação espacial, tomada de decisão 8-11 e cognitivo controlar 12-14. Apesar de ser um modelo animal padrão para o comportamento humano, como, a utilização de primatas não-humanos pede considerações de custo e éticos que impede a sua utilização em uma ampla gama de experimentos em um ambiente único laboratório 15-18. Modelos animais mais simples, como os roedores são geralmente preferidos 19, desde que disponha de substratos neurais subjacentes semelhantes aos comportamentos de interesse.
"> Há ampla evidência sugerindo que os roedores compartilhar estruturas corticais e subcorticais semelhantes aos encontrados em primatas 20-22. Roedores também são conhecidos por integrar a informação através de múltiplas modalidades sensoriais para orientar sua ação 23-25, por exemplo, através da coordenação de bater e cheirando durante o comportamento exploratório 26 ou através da integração / eventos olfativos auditivas e visuais 25,27.Aqui nós descrevemos um quadro para o condicionamento operante de roedores usados para testar tarefas cognitivas 28-32. Nesse contexto, os indivíduos são obrigados a fixar dentro de um buraco nosepoke e manter seu focinho dentro do buraco até a apresentação de um go sugestão. A tarefa comportamental é um projeto nosepoke cinco buracos que é convencionalmente usado para estudos de tarefa o tempo de reação de série 5 de escolha. Durante o período de atraso, uma série de sugestões de instrução é apresentado para orientar o sujeito para executar uma ação. Este quadro pode ser facilmente modificado para se adequarÉ necessária uma ampla gama de experimentos em que a formação do sujeito para minimizar seu movimento evidente ao longo de um breve intervalo. Isto permite estudar a extensão à qual a actividade da cravação de neurónios individuais é afectada por estímulos específicos, durante esse intervalo. O protocolo pode minimizar o tempo de treinamento e pode reduzir a variabilidade de aprendizagem através de-sujeito. Um fluxograma esquemático da tarefa é mostrado na Figura 1.
Protocol
Representative Results
Discussion
Os ratos têm sido amplamente utilizados em pesquisas de neurociência por mais de um século. Desde a introdução do conceito da lei de efeito em gatos 34 de Thorndike, o condicionamento operante tem sido a abordagem padrão para testar diferentes aspectos do comportamento animal. Muitos experimentos de neurociência que envolvem a tomada de decisão e preparação de motor incluem um período de atraso entre os sinais de instrução e o intervalo de ação. É desejável minimizar movimentos durante estes …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi apoiado pelo NINDS concessão # NS054148.
Materials
| 5-HOLED NOSE POKE WITH 3STIM CUE LIGHT – RAT CAGE | Coulbourn | H21-06M/R | |
| TEST CAGE | Coulbourn | H10-11R-TC | |
| Graphic State Software | Coulbourn | ||
| PROGRAMMABLE TONE/NOISE GENERATOR | Coulbourn | A12-33 | |
| Dustless Precision Pellets | Bio-Serv | F0165 | |
| SPEAKER MODULE | Coulbourn | H12-01R |
References
- Goldstein, E. B. . Cognitive psychology: Connecting mind, research, and everyday experience. , (2008).
- Kandel, E. R., Schwartz, J. H., Jessell, T. M., et al. 4th edition. Principles of neural science. , (2000).
- Cisek, P., Kalaska, J. F. Neural mechanisms for interacting with a world full of action choices. Ann. Rev. Neurosci. 33, 269-298 (2010).
- Kalat, J. W. . Biological psychology. , (2012).
- Banich, M. T., Compton, R. J. . Cognitive neuroscience. , (2010).
- Carew, T. J., Pinsker, H. M., Kandel, E. R. Long-term habituation of a defensive withdrawal reflex in aplysia. Science. 175, 451-454 (1972).
- Hodgkin, A. L., Huxley, A. F. A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve. J. Physiol. 117, 500 (1952).
- Romo, R., Salinas, E. Flutter discrimination: neural codes, perception, memory and decision making. Nat. Rev. Neurosci. 4, 203-218 (2003).
- Romo, R., de Lafuente, V. Conversion of sensory signals into perceptual decisions. Prog. Neurobiol. 10, (2012).
- Shadlen, M. N., Britten, K. H., Newsome, W. T., Movshon, J. A. A computational analysis of the relationship between neuronal and behavioral responses to visual motion. J. Neurosci. 16, 1486-1510 (1996).
- Beck, J. M., et al. Probabilistic Population Codes for Bayesian Decision Making. Neuron. 60, 1142-1152 (2008).
- Goldman-Rakic, P. S. Circuitry of primate prefrontal cortex and regulation of behavior by representational memory. Compr. Physiol. , (1987).
- Miller, E. K., Erickson, C. A., Desimone, R. Neural mechanisms of visual working memory in prefrontal cortex of the macaque. J. Neurosci. 16, 5154-5167 (1996).
- Fuster, J. M., Alexander, G. E., et al. Neuron activity related to short-term memory. Science. 173, 652-654 (1971).
- Fetz, E. E., Baker, M. A. . Operantly Conditioned Patterns of Activity and Correlated Responses Cells and Contralateral Muscles. , (1973).
- Carmena, J. M., et al. Learning to control a brain–machine interface for reaching and grasping by primates. PLoS Biol. 1, e42 (2003).
- Georgopoulos, A. P., Schwartz, A. B., Kettner, R. E. Neuronal population coding of movement direction. Science. 233, 1416-1419 (1986).
- Donoghue, J. P., Sanes, J. N., Hatsopoulos, N. G., Gaál, G. Neural discharge and local field potential oscillations in primate motor cortex during voluntary movements. J. Neurophysiol. 79, 159-173 (1998).
- Abbott, A. Laboratory animals: the Renaissance rat. Nature. 428, 464-466 (2004).
- Fuster, J. . The prefrontal cortex. , (2008).
- Britten, K. H., Shadlen, M. N., Newsome, W. T., Movshon, J. A. The analysis of visual motion: a comparison of neuronal and psychophysical performance. J. Neurosci. 12, 4745-4765 (1992).
- Abbott, A. Neuroscience: The rat pack. Nature. 465, 282-283 (2010).
- Uchida, N., Mainen, Z. F. Speed and accuracy of olfactory discrimination in the rat. Nat. Neurosci. 6, 1224-1229 (2003).
- Jaramillo, S., Zador, A. M. The auditory cortex mediates the perceptual effects of acoustic temporal expectation. Nat. Neurosci. 14, 246-251 (2010).
- Cohen, L., Rothschild, G., Mizrahi, A. Multisensory integration of natural odors and sounds in the auditory cortex. Neuron. 72, 357-369 (2011).
- Deschênes, M., Moore, J., Kleinfeld, D. Sniffing and whisking in rodents. Curr. Opin. Neurobiol. 22, 243-250 (2012).
- Raposo, D., Sheppard, J. P., Schrater, P. R., Churchland, A. K. Multisensory decision-making in rats and humans. J. Neurosci. 32, 3726-3735 (2012).
- Bari, A., Dalley, J. W., Robbins, T. W. The application of the 5-choice serial reaction time task for the assessment of visual attentional processes and impulse control in rats. Nat. Protoc. 3, 759-767 (2008).
- Brasted, P. J., Dunnett, S. B., Robbins, T. W. Unilateral lesions of the medial agranular cortex impair responding on a lateralised reaction time task. Behav. Brain Res. 111, 139-151 (2000).
- Gage, G. J., Stoetzner, C. R., Wiltschko, A. B., Berke, J. D. Selective activation of striatal fast-spiking interneurons during choice execution. Neuron. 67, 466-479 (2010).
- Erlich, J. C., Bialek, M., Brody, C. D. A cortical substrate for memory-guided orienting in the rat. Neuron. 72, 330-343 (2011).
- Mohebi, A., Oweiss, K. G. Neural ensemble correlates of working memory in the rat medial prefrontal cortex. 41 st Ann. Meet. Soc. Neurosci. , (2011).
- Oweiss, K. G. . Statistical signal processing for neuroscience and neurotechnology. , (2010).
- Thorndike, E. L. Animal intelligence: An experimental study of the associative processes in animals. Psychol. Monographs: Gen. Appl. 2, 1-109 (1898).
