Uma ZIF automatizado baseado aparelhos e protocolo para análise de tomada de decisão baseada em atraso e esforço em roedores em movimento livre
Summary
Este artigo apresenta um aparelho automatizado de ZIF que inventamos, e um protocolo baseado no aparelho para análise de tomada de decisão baseada em atraso e tomada de decisão baseada no esforço em roedores em movimento livre.
Abstract
Muitos pacientes neurológicos e psiquiátricos demonstram dificuldades e/ou déficits na tomada de decisão. Modelos de roedores são úteis para produzir uma compreensão mais profunda das causas neurobiológicas subjacentes os problemas de tomada de decisão. Uma tarefa de ZIF com base de custo-benefício é usada para medir a tomada de decisão em que roedores escolher entre um braço de alta recompensa (HRA) e um braço de baixa recompensa (LRA). Existem dois paradigmas da tarefa de tomada de decisão de ZIF, uma em que o custo é um tempo de atraso e outra em que é o esforço físico. Ambos os paradigmas requerem uma gestão tediosa e trabalho intensiva de animais experimentais, várias portas, recompensa de pelotas e gravações de escolha do braço. No trabalho atual, nós inventamos um aparelho baseado no tradicional ZIF com automação completa para entrega da pelota, gerenciamento de porta e gravações de escolha. Esta configuração automatizada pode ser usada para a avaliação de ambas as decisões baseadas em atraso e esforço em roedores. Com o protocolo descrito aqui, nosso laboratório investigou os fenótipos de tomada de decisões de vários ratos geneticamente modificados. Os dados representativos, mostramos que os ratos com ablated habenular medial mostraram aversões de atraso e o esforço e tendiam a escolher a recompensa imediata e sem esforço. Esse protocolo ajuda a diminuir a variabilidade causada pela intervenção do experimentador e para melhorar a eficiência do experimento. Em adição, sonda de silicone crônica ou gravação de microeletrodos, imagem de fibra óptica e/ou manipulação de atividade neural pode ser facilmente aplicada durante a tarefa de tomada de decisão usando a configuração descrita aqui.
Introduction
Os seres humanos e outros animais avaliar o custo (incluindo o atraso, o esforço e risco) para obter uma recompensa e então tomem a sua decisão de escolher um determinado curso de ação. Défices de tomada de decisão aparecem em inúmeras doenças neuropsiquiátricas, incluindo esquizofrenia (SZ), atenção e hiperatividade (TDAH), transtorno obsessivo-compulsivo (TOC), doença de Parkinson (PD) e vício1. Estudos em humanos e macacos revelaram esse cérebro chave várias regiões estão envolvidas na decisão tomada2,3,4. Embora primatas envolver-se em ingredientes de decisão mais complicados, roedores foram relatados para ser capaz de tomar decisões adaptativas para sobreviver em um ambiente onde a contingências recompensa mudam com frequência. Além disso, os mecanismos de circuito neural e mecanismos moleculares subjacentes a tomada de decisão podem ser aprofundados em modelos do rato devido à disponibilidade de chemogenetic ferramentas, ferramentas de optogenetic e ratos geneticamente modificados. Existem várias tarefas utilizadas na avaliação de comportamentos de tomada de decisão dos roedores, incluindo a tarefa de conjunto deslocar a atenção, a tarefa de ZIF esforçada ou baseados em atraso, a tarefa gambling de Iowa, a reversão da discriminação visual aprendizagem tarefa5, etc. Protocolos de custo-benefício de ZIF análoga foi originalmente desenvolvidos pelo grupo de Pierre6 e têm sido utilizados para examinar os efeitos de dois tipos de custo de decisão (atraso e esforço) na enciclopédia em movimento roedores7,8, 9,10. A vantagem especial desta tarefa é que os animais não têm de ser treinado para pressionar as alavancas ou cavar em uma tigela. Em vez disso, os animais fazem uma escolha entre uma alta recompensa alta custo opção em um braço (HRA) ou uma recompensa baixa opção de baixo custo no outro braço (LRA). Portanto, esta tarefa é muito mais fácil de executar.
No paradigma baseado em atraso, uma porta de junção é introduzida uma vez que o animal experimental entra em um dos braços do objetivo, para que o animal é mantido no braço gol. Se o animal escolhe o LRA, a porta de gol sobre o LRA é recolhida imediatamente e uma pequena quantidade de comida é entregue. Se o animal escolhe o HRA, a porta de gol na HRA é recolhida após o atraso necessário e uma grande quantidade de alimentos de Pelotas é entregue (figura 1A). No paradigma baseado no esforço, o HRA é obstruído por uma barreira e animais devem subir sobre ele para obter uma grande quantidade de Pelotas (figura 1B). De um modo geral, o paradigma baseado em atraso é muito útil para testar a impulsividade de modelos animais e aquele baseado no esforço pode ajudar a descobrir animais apáticos2,4,11,12, 13. Hitherto pesquisadores vêm realizando este ensaio manualmente contando o tempo de atraso, inserindo e retirando portas, manobrando a barreira de esforço, contando o número de pelota, colocação pelotas em posição, colocação e retornando os animais e as escolhas dos animais para cada julgamento de gravação. Estes custos trabalhistas e tempo representam um grave gargalo experimental para pesquisadores, dificultando a utilização generalizada deste teste comportamental. No trabalho atual, nós desenvolvemos uma configuração de ZIF com base para avaliar a decisão baseado em atraso ou esforço de roedores, com capacidade de alta produtividade, padronização e automação completa.
Aparelho
Em colaboração com um fabricante comercial (veja a Tabela de materiais), desenvolvemos uma modificada automatizado aparato de ZIF que usou instrumento baseado em software de controle (Figura 2). Em particular, nós introduzimos um “back door” e “caminho de volta” em comparação com o tradicional ZIF (Figura 2), para que os animais podem voltar para o início aponte-se e iniciar um novo julgamento. A ZIF é cinza fosca colorida, e quando a condição do experimento e o software estão configurados corretamente, ambos os ratos preto e brancos podem ser detectados. Ele é composto de três braços: um iniciar braço e dois gols de armas, cada 410 mm de comprimento, com paredes em forma de V, de 155 mm de altura, uma base de 30 mm de largura e uma parte superior aberta de 155 mm de largura. O corredor em forma de V pode efetivamente impedir que ratos pulando. Além disso, o corredor em forma de V torna mais fácil de aplicar na vivo gravando com cabos. Uma caixa de início é anexada à extremidade do braço do início. Uma caixa de objetivo é anexada à extremidade de cada braço do objetivo. Dosador automático de comida é instalado em cada caixa de objetivo para entregar um número predefinido de comida doce Pelotas. A ingestão da pelota é detectada por um sensor infravermelho e é gravada automaticamente por um computador. Cada caixa de objetivo está ligada à caixa Iniciar por um corredor em linha reta. Animais autonomamente podem retornar para a caixa de início através do corredor quando terminarem um julgamento. Existem portas deslizantes de 155 mm de altura na entrada e saída de caixas início e objetivo. Além disso, uma porta deslizante está localizada na entrada de cada braço do gol para impedir que os animais se movendo para trás depois de fazer uma escolha (Figura 2A). Todas as portas de correr são controladas por um computador e pode ser automaticamente abertas e fechadas. Uma alta sensibilidade 1/2″ carga dispositivo acoplado (CCD) monóculo câmera está situada acima do aparelho para controlar o comportamento dos animais. A distância focal da lente é 2,8 a 12 mm. A posição da câmera é cerca de 1,9 m de altura. Desde que a altura do labirinto é 0,5 m do chão, a distância entre a câmera e o labirinto é cerca de 1,4 m (Figura 2B). Os dados de controle obtidos a partir da câmera do CCD são usados para controle vive o ZIF, abrindo e fechando as portas específicas quando os animais entram determinadas regiões de interesse (ROIs). As barreiras utilizadas para o paradigma baseado no esforço são em forma de um triângulo direito-angular tridimensional (Figura 2), que se encaixa perfeitamente nas paredes em forma de V e cerca de 155 mm de altura. Animais devem escalar o lado vertical, mas são capazes de descer uma inclinação de 45°. O aparelho é iluminado em 100 lux durante o experimento. Pelotas usadas no experimento de açúcar (veja Tabela de materiais), e sílica-gel (ver Tabela de materiais) é usado para manter as pelotas secas.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tomada de decisões é um processo cognitivo altamente conservado durante a evolução de15. Os seres humanos e animais podem avaliar o custo das opções de ação concorrentes em relação a potencial recompensa e fazer sua escolha. Pacientes que sofrem de uma série de doenças neurológicas e distúrbios psicológicos demonstram déficits em diferentes formas de tomada de decisão16. Portanto, é importante investigar os mecanismos fisiopatológicos e neurobiológicos subjacentes ao processo de tomada de decisão. Nos últimos anos, atraso e esforço-baseada em tomada de decisão está atraindo cada vez mais pesquisa de interesse. Além disso, roedores, especialmente ratos têm sido extensivamente usados para estudar estas duas formas de tomada de decisão17.
Muitos estudos levaram à descobertas interessantes usando uma tarefa comportamental envolvendo um aparelho de ZIF com uma HRA e um LRA2,6,7,8,9,10, 18 , 19 , 20 , 21 , 22. na tarefa, HRA associa grandes recompensas ou um tempo demora ou esforço esforço. Na ira, os animais podem adquirir uma pequena recompensa imediatamente sem qualquer atraso de tempo e esforço físico. A abordagem tradicional baseia-se na intervenção manual do experimentador humano. Em cada tentativa, o experimentador precisa contar as bolinhas e colocá-los nas bandejas de comida de HRA e LRA, coloque as portas gol na HRA e LRA e em seguida, colocar o animal no final do braço do início. Quando o animal entra em algum dos braços, uma porta de junção deve ser colocado para restringir o animal para o braço de objetivo. Dependendo do protocolo, o experimentador precisa contar o tempo e abrir a porta do gol após um atraso de jogo. Depois que o animal entra a área de gol e Obtém o pellet(s), o experimentador deve devolvê-lo para a gaiola e gravar escolha do braço do animal e comportamento. Em seguida, o experimentador precisa preparar as portas de ZIF e pelota para o próximo julgamento. Todo o treinamento e teste de processos são tremendamente tempo e mão de obra intensiva. Além disso, a falta de padronização entre diferentes laboratórios é outra preocupação.
Neste trabalho, apresentamos um protocolo baseado em um aparelho de ZIF automatizado modificado com um sistema de controle de vídeo (Figura 7) para resolver os problemas dos protocolos tradicionais. Introduzindo um “back door” e “corredor de volta” para o tradicional ZIF, obtivemos labirinto com uma forma de “triângulo isoceles bisseccionado”. As vantagens desta configuração são (1) automação completa do comportamento de treinamento e teste. Isso remove o impacto da subjetividade do experimentador e minimiza o tempo humano e compromissos de trabalho. Temos quatro configurações no laboratório, para que quatro ratos poderiam ser treinados ou testados simultaneamente por um experimentador, que é impossível de ser realizado usando protocolos tradicionais. (2) não há flexibilidade de software como o software de controle permite experimentadores livremente configurar vários parâmetros, incluindo o número da pelota, tempo de atraso, abertura de porta e fechamento, números, duração e modo de rastreamento. Portanto, este sistema pode atender a diferentes tipos de necessidades experimentais. (3) há ampla compatibilidade como todas as portas de correr sobre a ZIF são projetadas para ser armazenado sob a base do labirinto, quando eles estão abertos. Portanto, a instalação pode ser facilmente integrada com diversos sistemas fisiológicos, incluindo manipulação optogenetic/óptico e gravação de eletrofisiologia na vivo microdialysis. Além disso, para excluir a possibilidade de que os ratos escolheram o HRA devido a uma preferência de posição, recomendamos a aplicação de um teste de controle para o atraso – e esforço – ensaio com base. Por equalizar os custos nos braços dois gols, os animais têm a oportunidade de experimentar os dois resultados de recompensa com o mesmo custo. A escolha pode ser feita simplesmente com base na recompensa diferencial, eliminando assim a necessidade de integrar tanto os custos e benefícios antes de decidir. Isto também testa se qualquer mudança na escolhas dos animais é o resultado de uma incapacidade para dimensionar o custo ou recompensa, ou déficit de memória ao invés de uma alteração da forma em que eles encobriram as suas decisões.
Em nosso laboratório, analisamos cerca de 10 cepas de ratos com esta configuração. Um exemplo foi mostrado nos dados representativos, mHb:DTA ratos demonstraram um fenótipo robusto em atraso – e tomada de decisão baseada em esforço. Ou seja, valor de recompensa é fortemente descontado pelo tempo e esforço em ratos mHb:DTA. O resultado revelou o importante papel do mHb no controle da impulsividade. Além disso, aplicámos gravações de sonda de silicone em ratos em movimento livre durante o processo de tomada de decisão (dados não publicados). Todos os experimentos previstos pontos de referência de validação a capacidade da instalação automatizada. Assim, o protocolo padronizado a ZIF com base na tomada de decisões com o aparelho automatizado é apropriado para a detecção de efeitos genéticos, efeitos farmacológicos e efeitos de circuito neural em atraso e esforço descontar de roedores. Em resumo, a instalação tem muitas vantagens para servir como um sistema ideal para os ensaios de tomada de decisão baseada em atraso e esforço.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gostaríamos de agradecer o Dr. Matthew F S Rushworth (departamento de Psicologia Experimental, Universidade de Oxford) e Dr. Sakagami Masamichi (cérebro Science Research Center, Universidade de Tamagawa) por seus conselhos valiosos na iniciação do projeto e os detalhes dos protocolos. Agradecemos o Dr. Lily Yu para comentários críticos e editar o manuscrito. Este projecto foi apoiado o projeto de pesquisa RIKEN incentivo (100226201701100443) para Q.Z, o projeto de Ciências do cérebro, o centro para iniciativas de romance da ciência, os institutos nacionais de ciências naturais (BS291003) para Q.Z, o projeto envelhecimento RIKEN ( 10026-201701100263-340120) Q.Z e o subsídio de Kakenhi JSPS para jovens cientistas (B) (17841749) para Q.Z.
Contribuições de autores: Q.Z concebeu e iniciou o projeto, Q.Z, Y.K e H.G realizados os experimentos e análise de dados, H.G coordenou o trabalho entre o laboratório e o ‘ Hara & Co., Ltd., Q.Z e Y.K escreveram o manuscrito, INJETAVEL supervisionou o projeto.
Materials
| 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 |
References
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