Оперантного процедуры оценки поведенческой гибкости у крыс
Summary
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.
Abstract
Исполнительные функции состоят из нескольких познавательных процессов высокого уровня, которые управляют поколение правило и поведенческие выбор. Возникающее свойство этих процессов является возможность регулировки поведение в ответ на изменения в окружающей его среде, (т.е., поведенческие гибкость). Эти процессы имеют важное значение для нормального человеческого поведения, и может быть нарушена в различных психоневрологических расстройств, включая шизофрению, алкоголизма, депрессии, инсульта и болезни Альцгеймера. Понимание нейробиологии исполнительных функций был значительно продвинулись от наличия задач животных для оценки отдельных компонентов поведения гибкости, в частности, стратегии переключения передач и реверсивного обучения. В то время как несколько типов задач, были разработаны, большинство из них не-автоматизирован, трудоемким и позволяет тестировать только один животного за один раз. Недавнее развитие автоматизированных оперантного основе задач для оценки поведения гибкость упрощает TESка, стандартизирует предъявления стимула и записи данных, а также значительно улучшает производительность. Здесь мы опишем автоматизированные стратегии переключение и восстановление задачи, используя рабочих камерах, контролируемых обычай письменных программ. С помощью этих задач, мы показали, что средней префронтальной коры головного мозга регулирует смещение стратегии, но не разворот обучения у крыс, аналогичной диссоциации наблюдается у людей. Кроме того, животные с неонатальной гиппокампа поражения, в отношении развития нервной модели шизофрении, избирательно нарушается на задаче стратегия переключения, но не задачи разворота. Стратегия перехода задача также позволяет идентифицировать отдельные типы ошибок производительности, каждый из которых относятся к разным нейронных субстратов. Наличие этих автоматизированных задач, и доказательств, подтверждающих диссоциирующие вклад отдельных районах префронтальной, делает их особенно хорошо подходит анализы для исследования основных нейробиологических процессов, а также докторОткрытие мкг и скрининга в моделях болезни.
Introduction
Высокопоставленные когнитивные процессы, включая производство правило, поведенческой выбора и оценки стратегии совместно именуются как "исполнительные функции" или "поведенческой гибкости 1." Такие процессы имеют решающее значение для нормального когнитивного функционирования, а может быть нарушена в таких разнообразных заболеваний, как шизофрения , алкоголизм, депрессии, инсульта, болезни Альцгеймера 2-7. Регулирование процессов исполнительных функций, в первую очередь при посредничестве областях, в лобной коре, в том числе дорсолатеральной префронтальной коре и орбитофронтальную коры у человека 8-10.
Разработка задач для оценки исполнительные функции и / или поведенческие гибкость в нечеловеческих животных, в частности грызунов, значительно продвинули в понимании нейробиологии познания 11-14. Такие задачи стало возможным отдельно измерить различные компоненты поведения гибкости, в том числеСтратегия смены и реверсивное обучение. Стратегия смещение относится к способности активно подавляют ранее изученного стратегии реагирования при приобретении нового, соревнуясь стратегии, в частности, по измерениям стимула (внепространственной смену) – например, переход от выполнения дискриминации визуально-интерфейс (красный против зеленого, где красный "правильные" и тактильные раздражители не имеет значения) к выполнению тактильной дискриминации (гладкая против грубой, где гладкая является "правильным" и зрительные стимулы в настоящее время не имеет значения). С другой стороны, реверсивное обучение также включает в себя изменения в стратегии реагирования, но в пределах той же размерности стимул – например, в "красный против зеленого" Например, если красный был ранее правильно, разворот будет диктовать, что зеленый теперь правильно, в то время как тактильные раздражители останется не имеет значения.
Несколько задачи были разработаны, чтобы исследовать поведенческие гибкость в грызунов. Кросс-маZE задача требует животное сначала узнать либо направление на основе правила (например, "всегда повернуть направо") или визуально на основе правила (например, "всегда повернуться лицом к визуальным сигналом") к какому-либо критерию производительности. Затем животное необходимо неожиданно сдвиг либо по модальности в противоположную правило (стратегия сдвига, первоначально называемой "nonreversal сдвига" 15) или сдвиг в модальности в противоположную непредвиденных (разворот обучения) 13,14,16. Такие задачи чувствительны к перебоям в корковых и подкорковых сетей, включая префронтальной коры, таламуса и полосатого тела 1,13,14,16-18. Другой тип для повышенного внимания множества смены задачи (иногда упоминается как задачи рытья) требует подготовки животных различать два контейнера, которые отличаются по двум или трем измерениям стимулирования (рытье СМИ, запах, и / или внешнего текстуры). Как и в поперечном лабиринтзадача, животные, то следует изменить либо по измерениям (стратегии переключение) или в той же размерности (реверсивное обучение), и эти задачи так же чувствительны к лобной коре манипуляций 11,19. Преимущество этой задачи является то, что во время сдвига в экстра-мерном стратегии, крысы представлены новые наборы стимулов (экземпляров), что обеспечивает производительность нарушения на этом этапе, скорее всего, связано с перебоями в способности перенести к вниманию набор в различные аспекты составных стимулов, а не нарушенной способностью останавливать приближается определенный стимул ранее связанный с наградой. Тем не менее, эта функция также делает его более трудно установить специфику дефицита в течение установленного сдвига.
Хотя задачи, описанные выше, были также описаны в литературе, они оба имеют ряд процедурных недостатков, в первую очередь длина времени, которое требуется, чтобы проверить животных. В обоихЗадача кросс-лабиринт, и задача рытье, только одно животное может быть проверена в то время; Кроме того, тестирование должно быть введено в реальном времени с помощью специализированного экспериментатора, и может занять до нескольких часов в день на одно животное. Кроме того, презентация стимулов и запись поведенческих реакций в обоих типах задач вручную под контролем экспериментатора, и, таким образом, уязвимыми для человеческой ошибки и субъективной интерпретации.
Здесь мы опишем автоматизированный способ для оценки стратегии переключение и восстановление обучения у крыс, используя условные связи процедур, которые оптимизируют управление по стимулированию и представления данных, а также значительно улучшить скорость сбора данных и пропускной 20,21. Методы, используемые для формирования и ж крыс описаны, а также компоненты самой задачи и анализа полученных данных. Мы обнаружили, что, как кросс-лабиринт и землеройные машины задач, эти автоматизированные задачи чувствительны к перебоям в префронтальнойи подкорковых схема, а также в отношении развития нервной системы манипуляции, что модели шизофрении 20-23.
Protocol
Representative Results
Discussion
Развитие поведенческих задач для измерения когнитивных конструкций высшего порядка грызунов необходимо заранее знать, нейробиологии познания. С хорошо построены и проверенные задач, грызуны могут быть оценены на задачах сложности конкурирующих тех приматов или даже человека. Здесь мы показали, как две стороны исполнительной функции, стратегии переключения передач и реверсивного обучения, могут быть исследованы на грызунах с использованием автоматизированных методов оперантного. Используя эти автоматизированные задачи, мы воспроизвели предыдущие выводы в крестообразном лабиринте и землеройные машины задания по нейронных субстратов Set-передач и реверсивного обучения 11,13,18-21,27,29, предполагая, что оперантного задачи являются действительными оценку этих строит.
Эти автоматизированные задачи имеют ряд льгот и преимуществ по сравнению с существующими Неавтоматизированная кросс-лабиринт и землеройные машины задач. Большинство убедительным является выше скорость сбора данных в автоматизированных оперантного версии. Каждыйобучение или тестирование дня занимает всего 30-60 минут, и полностью управляется компьютером, требующий минимального контроля со стороны экспериментатора. Кроме того, несколько животных может быть проверена одновременно с установкой оперантной многокамерной. В каждой серии задачей, от формирования до конечного тестирования, может быть завершена в пределах 2-3 недель. Еще одним важным преимуществом автоматизированных задач точный контроль предъявления стимула, таким образом, сводя к минимуму возможность ошибки экспериментатора. Например, порядок представления кий месте на каждом испытании рандомизированных и контролируемых компьютером, а не экспериментатором вручную консультации проб по-испытательного списка. Времени между испытаниями точно измеряется и последовательным, и не путали время, необходимое экспериментатор, чтобы, например, удалить крысу из кросс-лабиринт или изменить рытье контейнеров. Доставка Армирование осуществляется автоматически и не подлежит экспериментатора ошибку (например, забывая приманкиправильно рычага поперечного лабиринта). Сбор данных аналогично улучшена, с автоматической записью отклика, в том числе измерения точных задержки отклика. При отсутствии других аномалий двигателя, изменения в задержки ответа могут быть использованы, чтобы сделать вывод свидетельствует о измененной скорости обработки и / или судить уровень когнитивной сложности поставленной задачи 21,22.
Автоматизированные задачи также сохранить одно важное преимущество кросс-лабиринт задач: возможность провести детальный анализ типов ошибок, допущенных на смену или разворота день. Различие между заданными смены ошибок, которые копируют предыдущего дня стратегии (персеверативного или регрессивные ошибки) и ошибки, которые представляют ранее обвиняемые стратегии (никогда не армированные ошибки) может помочь при характеристике конкретных дефицит в поведенческой гибкости. В частности, персеверативного ошибки, возникающие в начале тестирования отражают неспособность животного отказаться от предыдущего улrategy, а позже происходит регрессивные ошибки отражают неспособность животного удерживаться на новую стратегию раз персеверация перестала 20. Never-армированные ошибки могут указывать на неспособность приобрести новую стратегию, или неспособность реагировать систематически в соответствии с правилом 20. Предыдущие результаты 16,17,20, демонстрирующие диссоциирующие нейроанатомической базы этих типов ошибок также являются ценными для интерпретации результатов этих задач.
Наши процедуры были разработаны и оптимизированы для использования с крысами. Это, как говорится, другие группы использовали аналогичные процедуры для тестирования, установленные смены способности у мышей 31. Тем не менее, некоторые изменения должны быть использованы с мышами для размещения на видовых различий. Они включают в себя больше презентация визуальный сигнал света до удлинитель рычага, обучение за несколько дней, используя 30 испытаний / день и внедрение тайм-аута наказания после неудачного выбора. AlthouGH эти изменения делают этот анализ менее поддаются для использования с фармакологическими проблем, это может оказаться полезным для оценки когнитивной гибкости в генетически измененных мышей (хотя неясно, являются ли эти изменения позволит сохранить фронтальную чувствительность коры задачи).
Конечно, есть и ограничения этих задач. Некоторые из этих ограничений возникают из-за автоматизированного характера поставленной задачи, в то время как другие связаны с параметрами самой задачи. Что касается последнего, набор смены Задача, описанная здесь (а также кросс-лабиринт установить сдвига задача 26) используют ограниченный набор стимулов и реакций. В отличие от копания задачи, на которых новые экземпляры (например, незнакомые запахи или копать средства массовой информации) могут быть использованы для построения новых к вниманию наборы на каждом этапе 11,19, оперантного набор смены задача обязательно требует выбора между двумя стимулами, которые знакомы животное – либо слева противПраво кий свет, или слева против правильном положении. Это означает, что оперантного и кросс-лабиринт набор смены задачи включают конфликт реагирования, а также стратегии смещение, хотя понятие перехода свое стратегию на новый, ранее не относящейся к делу измерения стимула сохраняется 20,23. На соответствующую записку, заданного сдвига и разворота оперантного задачи, описанные здесь, не позволяют третьего измерения стимула, как в копания задача, которая может включать в себя рытье СМИ, запах и текстуру 11,19. Тем не менее, мы не считаем, что это роковая ошибка, как оперантного набор смены задача по-прежнему требует животное, чтобы подавить ранее соответствующую стратегию дискриминации и посещать с ранее игнорировались измерения стимула. Кроме того, кажется, предположить, что модификации оборудования и целевых параметров может поддерживает добавление третьего измерения стимула, таких как слуховые сигналы или запах, хотя эти дополнения, скорее всего, сделать процесс обучения более сложным и менее AmeNable для однодневных фармакологических тестов.
Наконец, потенциальное ограничение любого оперантного основе задачи является потеря прямой информации о поведении крыс – то есть, экспериментатор уже не смотрят на крысу. Мы считаем, что преимущества в объективности и сбора данных о скорости, предоставляемые автоматизации более чем компенсировать эту потерю, и камеры, установленные в рабочих камерах являются относительно простой способ, чтобы восстановить индивидуальный визуальный доступ, если это необходимо.
Есть ряд шагов, которые могут быть предприняты для достижения максимального успеха с помощью этих оперантного задачи. Во-первых, важность обработки животных перед тренировкой начинается не может быть переоценена; как и в любой поведенческой задачи, хорошо обрабатываются животные легче работать, испытывают меньший стресс, и, как правило, производят меньше переменных данных. Во-вторых, некоторые пилотные испытания могут быть необходимы для определения лучшее время дня для проведения тестирования; мы испытываем во время светового цикла, и обнаружили, что езультатыCE является оптимальным, когда животные испытывают в конце этого цикла (например, примерно 4:00 вечера для светового цикла, заканчивающегося в 7:00 вечера). В-третьих, следует соблюдать осторожность, чтобы подтвердить, что стабильную работу устанавливается на каждом этапе, прежде чем pretraining животное переходит на следующий шаг. Например, последовательным и надежным выступление на выдвижной сцене рычаг обучение является отличным показателем опытным выступления на "SET" задачи дискриминации. Что касается оборудования, хотя все действия выполняются автоматически, вмешательство экспериментатора по-прежнему необходимо, чтобы подтвердить, что все компоненты находятся в рабочем состоянии. Например, проверка оборудования должна выполняться ежедневно (или несколько раз в день, если большое количество животных проходят испытания), чтобы убедиться, что все фары, рычаги, и системы доставки награда находятся в рабочем состоянии. В частности, сбои в работе систем доставки награда (в частности, на пеллетах диспенсеры) может существенно повлиять на производительность. Необычно высокое число пропусков наданный день может указывать на проблему с доставкой награда оборудования, и таким образом выходные данные должны быть проверены каждый день экспериментатором, знакомый с задачей и ожидаемым уровнем производительности. В отсутствие неисправности оборудования, большое количество пропусков может указывать на другие проблемы с мотивацией или здоровья животных. Если животное здоровы, ограничение пищи может быть увеличена до брать животное, 80-85% от веса свободного кормления в течение короткого времени, пока производительность не восстановится.
Эти установленные сдвига и разворота задачи могут быть использованы в различных экспериментальных парадигм. Например, последствия манипуляций, таких как поражения, развития методов лечения, диетических манипуляций, долгосрочного медикаментозного лечения, или генетических модификаций можно исследовать. В то время как эффект лечения на множестве сдвига или разворота этапе может быть основной интерес, отметим, что, поскольку такие хронические или постоянные процедуры должны обязательно вводиться до TraiНин начинается эффекты на нескольких этапах выполнения (особенно на начальном дискриминации или «Set») также должны быть рассмотрены 21. Использование острых манипуляций, таких как фармакологических методов лечения или временных нейроанатомические inactivations, особенно хорошо подходит для этих задач. В таких случаях, добавление третьей группы (как показано на фиг.2) является полезным; Таким образом, основной экспериментальная группа получает манипуляции интереса в день смены или разворот, в то время как одна контрольная группа получает манипуляции в день первоначального дискриминации или "SET", чтобы проверить на широких воздействия на процесс обучения, и второй контрольной группы получает нет манипуляции (или фиктивных лечение) в оба дня 20,22. Следует отметить, что для таких исследований острой манипуляции, желательно, чтобы соответствовать крыс для выполнения во время обучения из исходного набора и выделить их в экспериментальной группе и второй (контрольной группе), соответственно. Это минимтеризует вероятность того, что различия вызванных лечением в производительности может быть озадачены индивидуальных вариаций в том, как легко крысы научиться различать раздражители. Кроме того, если эксперимент требует проверки нескольких когорт в течение нескольких недель или месяцев, каждый когорты должна включать животных от всех экспериментальных групп. Например, исследование проверка воздействия острых фармакологических манипуляций в течение смены может потребовать 48 крыс в целом и 3 экспериментальные группы, проверенные в трех когорт 16 животных в каждой. В этом случае, каждый когорты должна содержать 5-6 крыс в каждой экспериментальной группе. В идеале, статистический анализ должен включать в себя фактор, который подтверждает не было никаких различий в показателях по каждой группе крыс. Наконец, эти оперантного задачи могут быть особенно полезны для применения в технике звукозаписи, естественных, в том числе микродиализа, вольтамперометрии и электрофизиологии, из-за таких компонентов, как контролируемой среде, точного времени стимула Presentatионов и ответы, а также ограничениями на передвижение животных, которые не доступны или практичны в крестообразном лабиринте или копаться задач.
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Research described here was supported by a grant from the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada to S.B.F.
Materials
| 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 |
Referências
- Floresco, S. B., Zhang, Y., Enomoto, T. Neural circuits subserving behavioral flexibility and their relevance to schizophrenia. Behav Brain Res. 204, 396-409 (2009).
- McKirdy, J., et al. Set shifting and reversal learning in patients with bipolar disorder or schizophrenia. Psychological medicine. 39, 1289-1293 (2009).
- Leeson, V. C., et al. Discrimination learning, reversal, and set-shifting in first-episode schizophrenia: stability over six years and specific associations with medication type and disorganization syndrome. Biol Psychiatry. 66, 586-593 (2009).
- Sullivan, E. V., Rosenbloom, M. J., Pfefferbaum, A. Pattern of motor and cognitive deficits in detoxified alcoholic men. Alcoholism, clinical and experimental research. 24, 611-621 (2000).
- Snyder, H. R. Major depressive disorder is associated with broad impairments on neuropsychological measures of executive function: a meta-analysis and review. Psychological bulletin. 139, 81-132 (2013).
- Cumming, T. B., Marshall, R. S., Lazar, R. M. Stroke, cognitive deficits, and rehabilitation: still an incomplete picture. International journal of stroke : official journal of the International Stroke Society. 8, 38-45 (2013).
- Weintraub, S., Wicklund, A. H., Salmon, D. P. The neuropsychological profile of Alzheimer disease. Cold Spring Harbor perspectives in medicine. 2, a006171 (2012).
- Lie, C. H., Specht, K., Marshall, J. C., Fink, G. R. Using fMRI to decompose the neural processes underlying the Wisconsin Card Sorting Test. NeuroImage. 30, 1038-1049 (2006).
- Smith, A. B., Taylor, E., Brammer, M., Rubia, K. Neural correlates of switching set as measured in fast, event-related functional magnetic resonance imaging. Human brain mapping. 21, 247-256 (2004).
- Fellows, L. K., Farah, M. J. Ventromedial frontal cortex mediates affective shifting in humans: evidence from a reversal learning paradigm. Brain. 126, 1830-1837 (2003).
- Birrell, J. M., Brown, V. J. Medial frontal cortex mediates perceptual attentional set shifting in the rat. Journal of Neuroscience. 20, 4320-4324 (2000).
- Bissonette, G. B., et al. Double dissociation of the effects of medial and orbital prefrontal cortical lesions on attentional and affective shifts in mice. J Neurosci. 28, 11124-11130 (2008).
- Ragozzino, M. E., Detrick, S., Kesner, R. P. Involvement of the prelimbic-infralimbic areas of the rodent prefrontal cortex in behavioral flexibility for place and response learning. Journal of Neuroscience. 19, 4585-4594 (1999).
- Floresco, S. B., Magyar, O., Ghods-Sharifi, S., Vexelman, C., Tse, M. T. Multiple dopamine receptor subtypes in the medial prefrontal cortex of the rat regulate set-shifting. Neuropsychopharmacology. 31, 297-309 (2006).
- Mackintosh, N. J., Holgate, V. Serial reversal training and nonreversal shift learning. Journal of comparative and physiological psyhology. 67, 89-93 (1969).
- Floresco, S. B., Ghods-Sharifi, S., Vexelman, C., Magyar, O. Dissociable roles for the nucleus accumbens core and shell in regulating set shifting. Journal of Neuroscience. 26, 2449-2457 (2006).
- Block, A. E., Dhanji, H., Thompson-Tardif, S. F., Floresco, S. B. Thalamic-prefrontal cortical-ventral striatal circuitry mediates dissociable components of strategy set shifting. Cereb Cortex. 17, 1625-1636 (2007).
- Stefani, M. R., Moghaddam, B. Systemic and prefrontal cortical NMDA receptor blockade differentially affect discrimination learning and set-shift ability in rats. Behav.Neurosci. 119, 420-428 (2005).
- McAlonan, K., Brown, V. J. Orbital prefrontal cortex mediates reversal learning and not attentional set shifting in the rat. Behav. Brain Res. 146, 97-103 (2003).
- Floresco, S. B., Block, A. E., Tse, M. T. Inactivation of the medial prefrontal cortex of the rat impairs strategy set-shifting, but not reversal learning, using a novel, automated procedure. Behav Brain Res. 190, 85-96 (2008).
- Placek, K., Dippel, W. C., Jones, S., Brady, A. M. Impairments in set-shifting but not reversal learning in the neonatal ventral hippocampal lesion model of schizophrenia: Further evidence for medial prefrontal deficits. Behav Brain Res. 256C, 405-413 (2013).
- Enomoto, T., Tse, M. T., Floresco, S. B. Reducing prefrontal gamma-aminobutyric acid activity induces cognitive, behavioral, and dopaminergic abnormalities that resemble schizophrenia. Biol Psychiatry. 69, 432-441 (2011).
- Haluk, D. M., Floresco, S. B. Ventral striatal dopamine modulation of different forms of behavioral flexibility. Neuropsychopharmacology. 34, 2041-2052 (2009).
- Sorge, R. E., et al. Olfactory exposure to males, including men, causes stress and related analgesia in rodents. Nature methods. 11, 629-632 (2014).
- Trantham-Davidson, H., et al. Chronic alcohol disrupts dopamine receptor activity and the cognitive function of the medial prefrontal cortex. J Neurosci. 34, 3706-3718 (2014).
- Ghods-Sharifi, S., Haluk, D. M., Floresco, S. B. Differential effects of inactivation of the orbitofrontal cortex on strategy set-shifting and reversal learning. Neurobiol Learn Mem. 89, 567-573 (2008).
- Boulougouris, V., Dalley, J. W., Robbins, T. W. Effects of orbitofrontal, infralimbic and prelimbic cortical lesions on serial spatial reversal learning in the rat. Behav Brain Res. 179, 219-228 (2007).
- Tseng, K. Y., Chambers, R. A., Lipska, B. K. The neonatal ventral hippocampal lesion as a heuristic neurodevelopmental model of schizophrenia. Behavioral Brain Research. 204, 295-305 (2009).
- Brady, A. M. Neonatal ventral hippocampal lesions disrupt set-shifting ability in adult rats. Behav Brain Res. 205, 294-298 (2009).
- Brady, A. M., Saul, R. D., Wiest, M. K. Selective deficits in spatial working memory in the neonatal ventral hippocampal lesion rat model of schizophrenia. Neuropharmacology. 59, 605-611 (2010).
- Ortega, L. A., Tracy, B. A., Gould, T. J., Parikh, V. Effects of chronic low- and high-dose nicotine on cognitive flexibility in C57BL/6J mice. Behav Brain Res. 238, 134-145 (2013).
