An Open-Source, Fully Customizable 5-Choice Serial Reaction Time Task Toolbox for Automated Behavioral Training of Rodents

Julia Morais Gancz; Nada El Jundi; Eva Strippelmann; Michael Koch; Detlef Wegener

doi:10.3791/63385

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Behavior

Une boîte à outils de tâches de temps de réaction série à 5 choix open source et entièrement personnalisable pour l’entraînement comportemental automatisé des rongeurs

Published: January 19, 2022

doi:

10.3791/63385

Julia Morais Gancz¹, Nada El Jundi², Eva Strippelmann², Michael Koch², Detlef Wegener¹

¹Cognitive Neurophysiology Department, Brain Research Institute,University of Bremen, ²Neuropharmacology Department, Brain Research Institute,University of Bremen

Summary

Le présent protocole décrit le développement d’une boîte à outils open source à 5 choix de temps de réaction en série pour les modèles animaux de rongeurs, en utilisant Arduino et le matériel associé et une boîte à outils Matlab polyvalente, y compris un script facultatif pour l’entraînement comportemental automatisé. Les scripts sont personnalisables et facilitent la mise en œuvre de différents modèles d’essai et de test.

Abstract

La tâche de temps de réaction en série à 5 choix (5-CSRTT) est un test comportemental souvent utilisé pour étudier l’attention visuospatiale et l’impulsivité chez les rongeurs. La tâche exige que les animaux accordent une attention particulière à un réseau horizontal de cinq petites ouvertures équipées de sources lumineuses et, dans une fenêtre de temps limitée, piquent une ouverture cible éclairée pour obtenir une récompense alimentaire au magasin de nourriture situé dans le mur opposé de la chambre. La tâche prend en compte les mesures de contrôle comportemental telles que la précision de la réponse et les temps de réaction et permet de déduire une attention sélective et une impulsivité. La difficulté de la tâche peut être contrôlée en modifiant la durée du stimulus et la conception de la tâche en général. Les appareils disponibles dans le commerce se composent généralement d’une chambre expérimentale et d’un logiciel particulier pour spécifier les paramètres de la tâche, mais en raison du matériel et du logiciel fixes, ils posent de nombreuses limites aux changements dans la conception expérimentale générale et les exigences spécifiques de la tâche et la sortie de données connexes. Cet article explique une alternative entièrement personnalisable basée sur un microcontrôleur monocarte facile à utiliser et des composants électrotechniques standard, un script Arduino en libre accès et une boîte à outils Matlab pour le contrôle matériel et les spécifications des tâches comportementales, respectivement. La boîte à outils comprend une procédure d’escalier optionnelle, permettant une formation comportementale automatisée. La configuration matérielle complète, qui peut être installée dans des chambres personnalisées, et le logiciel librement adaptable encouragent la conception non standardisée des tâches et des chambres. La conception du système et le code open source pour le contrôle matériel et la configuration expérimentale sont décrits.

Introduction

Le 5-CSRTT est un test comportemental, souvent utilisé chez les rongeurs pour étudier les processus attentionnels visuels et l’impulsivité ^1,2,3,4,5,6, tels que la détermination du rôle du système cholinergique dans l’attention et l’influence des inhibiteurs de la recapture de la noradrénaline sur les comportements impulsifs⁷ . L’appareil standard permet d’observer diverses mesures de contrôle telles que la précision de la réponse, les temps de réaction, le comportement impulsif et compulsif, la capacité motrice et la motivation ^1,2,3,4,5. Il se compose d’un réseau horizontal de cinq ouvertures équipées de LED, d’un magasin de nourriture sur les murs de la chambre s’opposant aux ouvertures et de lumières de maison ^2,5. Dans une tâche typique, la lumière de la maison est éclairée et le début d’une séance est marqué par l’éclairage du magasin alimentaire, où une pastille gratuite est livrée. Le cours d’essai est lancé lorsque l’animal pique le chargeur pour récupérer le granulé¹. Après cela, la lumière du magasin alimentaire s’éteint et l’intervalle entre les essais (ITI) commence, au cours duquel l’animal est censé diriger son attention vers les ouvertures. Une fois l’ITI écoulé, un éclairage de stimulus est présenté dans l’une des ouvertures ^1,2,5. Le stimulus est donné pour une longueur spécifique connue sous le nom de durée du stimulus (StD). L’animal peut réagir au stimulus pendant qu’il est présenté ou pendant une fenêtre de temps limitée après la fin de la MST, connue sous le nom de maintien limité (LH). Pour répondre, l’animal doit piquer le nez dans l’ouverture cible et, si cela est fait correctement, une récompense est libérée dans le magazine alimentaire ^1,2,5. Sinon, toute réponse incorrecte, ainsi que toute réponse avant la présentation du stimulus (anticipée ou prématurée) ou tout défaut de réponse (omission) entraîne un délai d’attente (TO), pendant lequel la lumière de la maison est éteinte pendant une certaine durée ^1,2,5 (Figure 1). En général, la précision du stimulus discriminatif mesure le fonctionnement attentionnel, tandis que les réponses prématurées et persévérantes (réponses répétées aux ouvertures après la présentation du stimulus) sont considérées comme des mesures du comportement impulsif et de la compulsivité, respectivement ^1,4,5,6.

Figure 1 : Séquences d’essai possibles d’un 5-CSRTT typique. Après l’intervalle intertenseur, le voyant de stimulation est allumé pendant une durée spécifique, puis éteint pendant l’intervalle de maintien limité. Le rat peut soit répondre correctement et recevoir une récompense, soit répondre de manière incorrecte et obtenir un délai d’attente pendant ce temps. Si le rat ne répond pas à temps, son omission entraîne un délai d’attente. De même, s’il répond avant la présentation du stimulus lumineux, sa réponse prématurée entraîne un délai d’attente. Un autre essai commence après la collecte de la récompense ou la fin de la période de temporisation. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Le 5-CSRTT est largement utilisé en raison de sa flexibilité: en modifiant les paramètres de la conception de l’essai, différentes sous-catégories d’attention peuvent être étudiées. Par exemple, alors que l’animal est censé répartir son attention sur les cinq ouvertures différentes (attention visuospatiale), l’utilisation de stimuli non pertinents (par exemple, des stimuli auditifs) permet de tester l’attention sélective ou soutenue 1,2,5,6. À cette fin, la configuration expérimentale peut être étendue en incluant des haut-parleurs, qui peuvent être utilisés comme stimuli distrayants ou même renforçant ^1,2,5,6. De plus, la charge attentionnelle peut être directement modulée en modifiant la présentation du stimulus ou en randomisant la durée ITI¹⁰. Le 5-CSRTT n’est pas seulement utilisé chez les rongeurs ^3,7, mais a récemment été adapté pour tester les primates non humains ^1,7,8 et les poissons ^7,9, ce qui démontre davantage sa faisabilité. Une boîte à outils 5-CSRTT entièrement personnalisable permet d’adapter facilement le paradigme standard des rongeurs à d’autres modèles animaux. De plus, la flexibilité de personnalisation de la boîte à outils 5-CSRTT encourage également la recherche utilisant des conceptions de tâches non standard.

La boîte à outils 5-CSRTT entièrement personnalisable présentée ici contient un script Arduino pour le contrôle matériel, programmé dans un environnement de développement intégré. Il se compose également d’une boîte à outils Matlab (version R2019b ou plus récente) pour le contrôle des expériences. Le protocole suivant explique comment configurer la boîte à outils 5-CSRTT avec le paradigme standard largement utilisé et affiche les configurations facultatives pour les paradigmes non standard.

Protocol

La procédure expérimentale de ce protocole a été réalisée conformément aux recommandations de la directive européenne 2010/63 pour le bien-être des animaux d’expérimentation et conformément à la loi sur le bien-être animal émise par le gouvernement fédéral allemand et approuvée par les autorités locales. Étant donné que la recherche ne nécessitait qu’une formation comportementale, aucun animal n’a été euthanasié et tous ont été gardés dans l’élevage après la recherche. La recherche a été menée sur dix rats à capuchon Lister mâles (âgés de 4 mois au début de l’entraînement comportemental). 1. Hébergement, élevage et manipulation des animaux Abritez des rats avec jusqu’à cinq compagnons de litière dans une cage standard avec un matériau de litière approprié, selon les recommandations de votre comité de protection des animaux. Gardez les rats dans une pièce ventilée avec une température contrôlée de 20 ± 2 °C et une humidité relative maximale de 50 % avec un cycle lumière/obscurité de 12 h 12, ou conformément aux recommandations de votre comité de bien-être animal. Restreindre l’accès à la nourriture (12 g de chow par jour et par rat, voir tableau des matériaux) et fournir un accès illimité à l’eau. Marquez la queue des animaux à l’aide d’un marqueur d’encre permanent non toxique. Avant de commencer l’expérience comportementale, manipulez les rats pendant au moins une semaine jusqu’à ce qu’ils soient habitués à être manipulés par des expérimentateurs et présentez aux rats les granulés de nourriture gratifiants pour réduire la néophobie alimentaire. 2. Préparation du matériel et du logiciel de contrôle Ouvrez le logiciel IDE (Integrated Development Environment) disponible gratuitement (voir le tableau des matériaux). Cliquez sur Fichier > Ouvrir et cliquez sur le script pour le contrôle matériel (Fichier supplémentaire 1). Branchez le microcontrôleur USB à l’ordinateur. Vérifiez si les informations sur la carte et le processeur choisies automatiquement correspondent à la carte du microcontrôleur connectée en cliquant sur Outils dans la moitié supérieure gauche de l’écran. Sélectionnez les informations correspondantes sur la carte et le processeur, puis cliquez sur Port pour sélectionner le port disponible. Dans la moitié supérieure gauche de l’écran, cliquez sur Esquisse > Inclure la bibliothèque > Gérer les bibliothèques. Dans la fenêtre Library Manager nouvellement ouverte, tapez le terme « Adafruit Motor Shield V2 » dans la barre de recherche et cliquez sur le bouton Installer de la bibliothèque correspondante. Répétez le même processus pour le terme de recherche « Adafruit Neopixel ». Dans la moitié supérieure gauche de l’écran, cliquez sur Vérifier (le bouton avec une coche) pour vous assurer qu’il n’y a pas d’erreurs dans le script. Cliquez sur Télécharger (le bouton avec une flèche à droite) pour télécharger le script sur la carte du microcontrôleur. 3. Préparation du logiciel de contrôle de l’expérience Assurez-vous que les quatre scripts et fonctions de contrôle d’expérience se trouvent dans le même dossier. Ouvrez la plate-forme de programmation, cliquez sur l’onglet de la barre d’outils HOME dans la moitié supérieure de l’écran, puis cliquez sur Définir le chemin. Cliquez sur Ajouter un dossier et sélectionnez le dossier contenant tous les scripts de contrôle d’expérience. Cliquez sur Enregistrer et fermez la fenêtre Définir le chemin . Cliquez sur Ouvrir dans l’onglet de la barre d’outils HOME dans la moitié supérieure de l’écran et ouvrez les scripts et fonctions suivants : Utilisateur (fichier supplémentaire 2), Escalier (fichier supplémentaire 3) et DataProc (fichier supplémentaire 4). Suivez les instructions de téléchargement et d’installation du logiciel Psychtoolbox pour activer la fonctionnalité du bouton ESC utilisée par la boîte à outils (voir tableau des matériaux pour le lien d’accès). 4. Configuration des paramètres utilisés dans la boîte à outils 5-CSRTT Préparez la boîte à outils pour l’accoutumance.REMARQUE : La figure 2 représente l’appareil 5-CSRTT utilisé pour la présente étude. Sélectionnez le script Utilisateur ouvert. Assurez-vous que la variable d’accoutumance de la ligne 7 est définie sur « true ». Écrivez un nombre en minutes (par exemple ‘ 30’ pendant 30 min) sur la ligne 8 pour fixer une limite de temps pour l’accoutumance. À la ligne 9, écrivez un nombre compris entre 0,01 et 1 (luminosité maximale) pour choisir un niveau de luminosité pour la lumière de stimulation.REMARQUE : Le niveau de luminosité utilisé dans ce projet est défini sur 0,2. Mener l’expérience comportementale (étape 5). Préparez la boîte à outils pour la session d’expérimentation.Sélectionnez le script Utilisateur ouvert. Assurez-vous que la variable de la ligne 7 est définie comme « false ». À la ligne 12, tapez le chemin d’accès au répertoire où les données de l’expérience seront automatiquement enregistrées (par exemple, ‘C:\Users\trainer\Desktop\5CSRTT’). Assurez-vous qu’un répertoire portant ce nom exact existe. Saisissez l’identification du sujet à la ligne 13 (p. ex. « red1 »). Assurez-vous que la variable de la ligne 14 est définie comme « true », de sorte que les données générées soient automatiquement enregistrées dans le chemin d’accès au répertoire. Assurez-vous que la variable de la ligne 15 est définie comme « true » et tapez un nombre sur les lignes 16 et 17 pour définir une période d’essai et une limite de temps (en min), respectivement, après quoi le programme s’arrêtera automatiquement. Configurez les paramètres d’un paradigme 5-CSRTT standard. Vérifiez si la variable de la ligne 32 est définie sur « true » pour une livraison gratuite de granulés avant le premier essai. Définissez la variable de la ligne 33 comme « true » pour vous assurer d’une entrée de magazine avant le début de chaque essai. Vérifiez si la variable de la ligne 34 est définie comme « définie » et tapez un nombre sur la ligne 35 pour spécifier la longueur de l’ITI en secondes. Assurez-vous que la variable définie à la ligne 37 est définie sur « true » afin que les essais avec des réponses prématurées n’influencent pas la limite d’essai de la session. Tapez une valeur numérique sur la ligne 38 qui définira la longueur de maintien limitée (LH) en secondes. Assurez-vous que la variable de la ligne 39 est définie sur « none » et que la variable de la ligne 40 est définie comme « false ». Tapez un nombre sur la ligne 41 pour définir la longueur TO en secondes et assurez-vous que la variable à la ligne 42 est définie sur ‘ false’. Tapez une valeur numérique sur la ligne 45 qui correspond au nombre d’ouvertures qui peuvent être éclairées (par exemple, ‘5’). Assurez-vous que la variable de la ligne 46 est définie comme « pseudo-aléatoire » ou « aléatoire » et tapez un nombre à la ligne 47, en définissant la longueur de la StD en secondes. Vérifiez si la variable de la ligne 48 est définie comme « unique » et si la valeur numérique de la ligne 49 est « 1 ». À la ligne 50, tapez un nombre pour définir la luminosité du stimulus cible. Vérifiez si les variables des lignes 64 et 65 sont définies comme « binaires » et « non dépendantes », respectivement. Tapez une valeur numérique sur la ligne 71 correspondant au nombre de granulés alimentaires à libérer après un piqué de nez correct. Mener l’expérience comportementale (étape 5). Configurez les paramètres d’un paradigme 5-CSRTT non standard.REMARQUE : Toutes les étapes décrites dans ce sous-chapitre sont facultatives.Si un contrôle automatique des performances est souhaité pour l’utilisation de la procédure de formation automatisée dans les escaliers, assurez-vous que la variable de la ligne 18 est définie comme « vraie » et tapez une valeur numérique à la ligne 20 définissant la fréquence du contrôle des performances. Tapez un nombre à la ligne 21 pour définir le nombre minimum d’essais à effectuer au cours de la session en cours avant de calculer la performance du sujet. Assurez-vous que la variable de la ligne 21 est définie comme « toutes » afin que tous les essais de la session en cours soient inclus dans la vérification des performances. Assurez-vous que la variable de la ligne 22 est définie sur « true » afin que le programme mette à jour les paramètres de la session en cours pour qu’ils correspondent à une session précédemment terminée. À la ligne 23, tapez « latest » pour établir que la dernière session sera téléchargée.REMARQUE: Le programme mettra à jour les paramètres en fonction des spécifications de la fonction « Escalier », en passant au niveau précédemment terminé. Un jeu de données spécifique à télécharger peut également être choisi en tapant le chemin exact du fichier de données avec la fin « .mat ». Si la formation comportementale automatisée est souhaitée, assurez-vous que la variable de la ligne 26 est définie sur « true ». Tapez une valeur numérique sur les lignes 27 et 28 pour définir le niveau de formation par lequel commencer et le nombre total de niveaux disponibles, respectivement. Si une division des cohortes est souhaitable, tapez un nom (p. ex., « groupe1 ») à la ligne 29 qui précise le groupe.REMARQUE : Chaque groupe peut utiliser son propre ensemble de niveaux de formation et de critères pour les mises à jour de niveau. Les paramètres de chaque groupe sont définis dans la fonction « Escalier » (étape 4.2.8.). À la ligne 34, tapez « aléatoire » si une durée d’ITI aléatoire est souhaitée. Tapez un intervalle numérique (p. ex., « [0,2] ») pour définir l’intervalle contenant un nombre aléatoire qui sera ajouté à la durée fixe de l’ITI. Pour vous assurer que les essais avec des réponses prématurées influencent la limite d’essai de la session, tapez « false » à la ligne 37. Pour définir une fenêtre de temps au cours de laquelle les piqûres de nez supplémentaires seront comptées comme des réponses persévérantes, tapez une valeur numérique à la ligne 39. Tapez « true » à la ligne 40 afin que les réponses prématurées évoquent un délai d’attente. Pour définir différents regroupements des ouvertures cibles, tapez « voisin », « décalé » ou « tous » à la ligne 48. Tapez une valeur numérique à la ligne 49, définissant le nombre total d’ouvertures cibles. Si vous souhaitez des stimuli atténués, tapez une valeur numérique sur les lignes 51 et 52, en définissant respectivement le nombre total d’ouvertures estompées et sa luminosité. Si l’émission d’une tonalité courte (Tone C4, 262 Hz (Scientific Pitch Notation)) avant la présentation du stimulus est souhaitée, assurez-vous que la variable de la ligne 55 est réglée sur « true ». Tapez des valeurs numériques sur les lignes 56, 57 et 58 pour définir la fenêtre de temps (en millisecondes) entre la tonalité et la présentation du stimulus de l’orateur, la durée de la tonalité (en millisecondes) et le volume de la tonalité (les nombres compris entre 0 (pas de tonalité) et 1 (volume complet) sont autorisés). Si l’émission d’une tonalité courte (Tone C6, 1047 Hz) après un piqué de nez réussi est souhaitée, assurez-vous que la variable de la ligne 59 est réglée sur « true ». Tapez une valeur numérique sur les lignes 60 et 61 qui définissent la durée de la tonalité (en millisecondes) et le volume de la tonalité (les nombres compris entre 0 (pas de tonalité) et 1 (volume complet) sont autorisés). Si les réponses dans les ouvertures éclairées graduées doivent être récompensées, assurez-vous que la variable de la ligne 64 est définie sur « non binaire ». Tapez une valeur numérique sur la ligne 73 pour définir le nombre de pastilles alimentaires livrées pour les piqûres de nez dans les ouvertures éclairées atténuées. Si vous utilisez plus d’un distributeur de granulés, tapez le numéro de moteur correspondant sur les lignes 70 et 72 pour les piqûres de nez dans les ouvertures cibles et les ouvertures éclairées atténuées.REMARQUE: Le numéro de moteur peut être 1 ou 2. Les bornes à vis M3 et M4 du bouclier moteur correspondant sont définies dans le script de contrôle matériel. Si vous souhaitez noter la récompense en fonction du temps de réaction, assurez-vous que la variable de la ligne 65 est définie sur « dépendant ». Définir la dépendance des piqûres de nez dans les ouvertures cibles en tapant des valeurs numériques sur la ligne 67 qui diviseront le temps de réaction (en secondes), le nombre de moteurs et le nombre de pastilles alimentaires à livrer en différentes catégories, de sorte qu’un intervalle de temps de réaction spécifique corresponde à un nombre de moteurs choisi et au nombre de pastilles. Tapez des chiffres sur la ligne 68 pour définir différentes catégories de temps de réaction (en secondes), de nombre de moteurs et de granulés alimentaires à livrer pour les piqûres de nez dans les ouvertures éclairées atténuées. Configurez la fonction Escalier en suivant les étapes ci-dessous.REMARQUE : cette étape est facultative. Sélectionnez la fonction Escalier ouvert. À la ligne 4, tapez le nom du premier groupe (par exemple, « groupe1 »). Le cas échéant, tapez le nom du deuxième groupe (par exemple, « groupe2 ») à la ligne 77. Pour modifier les paramètres du deuxième niveau d’entraînement pour le premier groupe, tapez l’un des paramètres calculés dans le contrôle de performance à la ligne 17 (par exemple, PerformanceCheck.NumCorrect > = 30 si les critères répondent correctement à 30 piqûres de nez).REMARQUE: Ne modifiez pas le paramètre « Config_trigger == 2 » lors de l’utilisation du chargement automatique de la session précédente (étape 4.2.7.2.). À la ligne 19, tapez une variable que vous souhaitez mettre à jour et une valeur numérique le cas échéant (par exemple, ‘Config.LED.StimDuration = 30’ pour régler la longueur StD sur 30 s).REMARQUE: Le nombre de paramètres à modifier et leur nouvelle valeur peuvent être choisis librement. La seule exigence est que le paramètre à mettre à jour doit être tapé après la variable ‘UpdateTrigger = 1’ dans chaque niveau souhaité. Configurez la fonction « DataProc ». Sélectionnez la fonction DataProc ouverte. Si un graphique avec la vue d’ensemble de la session doit être tracé et enregistré automatiquement, tapez les commandes du tracé souhaité à partir de la ligne 83.REMARQUE: Les commandes actuelles à partir de la ligne 83 tracent un aperçu du résultat de la session et de certaines mesures de contrôle nécessaires telles que le nombre total de réponses prématurées ou le nombre de poussées de panneau alimentaire pendant une ITI. 5. Expérience comportementale Transportez la cage à rats du vivarium à la salle d’expérimentation au moins 30 minutes avant la séance d’accoutumance ou d’expérimentation pour familiariser les animaux avec la salle d’essai. Pour la séance d’accoutumance, préparez la chambre opérante en plaçant deux pastilles alimentaires de récompense dans chacune des ouvertures et cinq pastilles alimentaires dans la porte du magasin. Configurez les paramètres de la session en suivant les étapes 2 à 4.1.REMARQUE: La chambre de fonctionnement utilisée pour ce protocole était une boîte en PVC Skinner modifiée de dimensions 30 x 30 x 45 cm.REMARQUE: Pour la première étape d’accoutumance, collez la porte du rabat du magasin pour qu’elle reste ouverte. Pour la deuxième étape d’accoutumance, retirez le ruban adhésif sur la porte du rabat du magasin. Sélectionnez le script Utilisateur ouvert. Assurez-vous que la description « COM » de la ligne 75 correspond au port disponible choisi à l’étape 2.2. Si elle ne correspond pas, modifiez la valeur numérique dans le script de contrôle de l’expérience (par exemple, de ‘COM3’ à ‘COM4’). Placez doucement les rats dans la chambre. Dans le script Utilisateur ouvert, cliquez sur l’onglet de la barre d’outils ÉDITEUR dans la moitié supérieure de l’écran, puis cliquez sur le bouton de lecture vert Exécuter. Vérifiez si le programme fonctionne correctement en lisant les informations « Fenêtre de commande ». Pour arrêter l’expérience à tout moment, appuyez sur la touche d’échappement ÉCHAP du clavier de l’ordinateur. Attendez qu’un message s’affiche sur l’écran de la fenêtre de commande. Tapez « y » et appuyez sur la touche Entrée du clavier de l’ordinateur pour arrêter la session en cours et enregistrer les données acquises. Lorsque l’habituation ou la durée de session ou la limite d’essai est atteinte (étape 4.1.1 ou 4.2.5, respectivement), vérifiez le message qui apparaît sur l’affichage de la fenêtre de commande. Tapez « y » et appuyez sur la touche Entrée du clavier de l’ordinateur pour arrêter la session en cours.REMARQUE : Le message ne s’affichera qu’au début d’une nouvelle version d’évaluation et arrêtera la session en cours jusqu’à ce qu’une réponse soit saisie (« y » pour arrêter la session ou « n » pour poursuivre l’expérience). Dans le cas d’une séance d’accoutumance, vérifiez si le rat a consommé tous les granulés alimentaires. Répétez l’étape d’accoutumance jusqu’à ce que toutes les pastilles soient consommées avant de passer à l’étape d’accoutumance suivante ou, après la deuxième étape, commencez la formation 5-CSRTT. Après la séance, nettoyez les murs et le sol de la chambre de fonctionnement, par exemple avec une solution d’éthanol à 70 % et une serviette en papier. Avant d’introduire le rat suivant, attendez 2-3 min jusqu’à ce que l’odeur d’éthanol se dissipe. Lorsque la journée d’expérience est terminée, débranchez le microcontrôleur USB de l’ordinateur. Si vous le souhaitez, fermez les scripts pour le contrôle du matériel et de l’expérience.

Representative Results

Figure 2 : L’appareil 5-CSRTT utilisé pour la présente étude. L’appareil fonctionne sur un ordinateur portable équipé de la boîte à outils 5-CSRTT, qui fournit un script pour contrôler le microcontrôleur et tous les équipements connexes et plusieurs scripts pour contrôler l’expérience 5-CSRTT. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. La boîte à outils entièrement personnalisable est facile à utiliser et basée sur un microcontrôleur monocarte et des composants électrotechniques standard. La figure 3 montre un schéma simplifié de circuit et de câblage. L’ensemble de l’ouverture se compose de 5 LED comme stimuli lumineux et de cinq capteurs infrarouges pour détecter les piqûres de nez. La lumière de la maison se compose d’une bande avec huit LED, et le magasin alimentaire est fait d’une ouverture avec une porte à rabat avec un micro-interrupteur, un distributeur de granulés entraîné par moteur et une bande avec huit LED pour l’éclairage. Le circuit illustre également les connexions pour les composants optionnels tels que le haut-parleur buzzer passif pour le retour auditif et un potentiomètre numérique pour le réglage du volume. Pour obtenir une liste de l’équipement utilisé dans le développement de cette boîte à outils, veuillez consulter le Tableau des matériaux. Figure 3 : circuit simplifié du matériel du microcontrôleur. Pour être facilement et rapidement personnalisable, l’équipement du microcontrôleur est connecté via une breadboard. De haut à gauche en bas à gauche, dans le sens des aiguilles d’une montre : Une carte de microcontrôleur est connectée à un bouclier moteur et à un moteur CC (représentant le moteur distributeur de granulés). À droite se trouvent les bandes LED pour les lumières de la maison et des magazines alimentaires, et au milieu se trouvent les cinq LED blanches pour la lumière de stimulation et les cinq paires de capteurs infrarouges utilisées dans les ouvertures. Sous la carte du microcontrôleur se trouve un simple microcommutateur (représentant l’interrupteur utilisé dans la porte du rabat du magasin alimentaire). Enfin, un haut-parleur buzzer passif et un potentiomètre numérique sont représentés au milieu. Cette image a été réalisée à l’aide du logiciel open source Fritzing. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. Figure 4 : Liaison et fonctions de tous les composants des scripts de contrôle de l’expérience et diagramme simplifié de la fonction « Code ». (A) Le script « Utilisateur » envoie ses paramètres à la fonction « Code », qui à son tour est directement liée à la fonction « Escalier », ce qui lui permet de mettre à jour tout paramètre utilisé dans la fonction « Code » pendant que l’expérience est en cours. La fonction « Code » envoie ensuite ses résultats à la fonction « DataProc » à la fin de la session. (B) Avant de démarrer une session d’expérimentation, la fonction « Code » vérifie d’abord si elle est censée démarrer le protocole d’accoutumance. Sinon, il configure les paramètres en fonction des définitions choisies dans le script « Utilisateur ». Avant le début de chaque essai, la fonction vérifie ensuite si la touche ÉCHAP du clavier a été enfoncée. Si ce n’est pas le cas, il se poursuit avec un nouveau procès. Sinon, il arrête la session d’expérience et transmet les données collectées à la fonction DataProc. Cette vérification critique avant chaque début d’essai permet au programme de s’arrêter avant que la limite de temps choisie ne soit atteinte. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. Les interactions entre les différents scripts de contrôle de l’expérience peuvent être vues à la figure 4A. Le script « Utilisateur » inclut tous les paramètres qui définissent l’expérience. Là, les variables qui déterminent le moment de l’expérience, le nombre et la luminosité des stimuli éclairés, la durée de l’ITI, etc. peuvent être librement choisies. La fonction Code (dossier supplémentaire 5) comprend une description détaillée d’un seul essai et de tous les résultats possibles, qui est réitérée tout au long de l’expérience, comme le montre la figure 4B. De plus, il s’agit d’un protocole d’accoutumance de l’animal à l’appareil. La fonction Code vérifie également régulièrement les performances de l’animal. De plus, la fonction Escalier est optionnelle. La performance du sujet est comparée aux critères précédemment définis, et les paramètres souhaités sont automatiquement mis à jour si la performance de l’animal répond à ces critères. La fonction Escalier peut également prendre en compte les résultats acquis de la séance de la veille. Pendant que l’expérience est en cours, une vérification des performances à la fin d’un essai calculera l’exactitude, les omissions et le nombre total de réponses correctes des essais terminés et comparera le résultat avec les critères souhaités pour une mise à jour de niveau, comme spécifié dans la fonction Escalier. Enfin, la fonction DataProc traite toutes les données collectées et génère des graphiques simples pour une analyse rapide. À la fin d’une session, la boîte à outils enregistre automatiquement toutes les données dans un fichier *.mat et génère un fichier *.xlsx supplémentaire avec les informations essentielles de l’expérience. Figure 5 : Exemple de différentes configurations de stimulus de la boîte à outils 5-CSRTT. Le diagramme illustre les combinaisons possibles de stimuli cibles en fonction de la configuration choisie. Les configurations « toutes » et « simples » sont utilisées dans le paradigme standard (pour l’accoutumance et l’expérience comportementale). Les configurations « voisin » et « décalé » montrent des configurations de stimulus non standard, permettant l’utilisation d’autres nombres de stimuli éclairés, qui peuvent également avoir un contraste différent de celui du stimulus cible. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. L’étape de protocole 4.2.7.7 mentionne une fonctionnalité facultative : la modification du regroupement des ouvertures cibles. Le paradigme standard 5-CSRTT utilise un seul stimulus cible. Ici, nous illustrons comment la boîte à outils présentée permet de modifier le paradigme standard. La figure 5 montre quelques combinaisons de groupes possibles sur un total de cinq ouvertures concernant la configuration choisie. La configuration « tout » éclaire toutes les ouvertures disponibles de sorte que chaque ouverture est maintenant une ouverture cible, ce qui peut être utile dans les étapes de formation initiales. La configuration voisine s’assure que le nombre (librement choisi) d’ouvertures cibles sera voisin les uns des autres. Les paramètres peuvent être spécifiés de telle sorte que les voisins ne seront pas identiques à l’ouverture cible mais seront éclairés à un contraste plus faible (voire plus élevé). L’utilisation d’ouvertures avec différents contrastes d’éclairage permet de tester de nouveaux paradigmes, tels que l’utilisation de récompenses de niveau différent pour les piqûres de nez dans les ouvertures à contraste élevé ou faible. La figure 5 montre un exemple avec trois ouvertures cibles avec un éclairage identique. La configuration unique est généralement utilisée dans le 5-CSRTT standard, où une seule cible est éclairée. Enfin, la configuration décalée étend la configuration voisine. Il déplace le stimulus voisin vers la dernière ou la première ouverture au cas où l’ouverture cible se trouve à la première ou à la dernière position, respectivement. Comme dans la configuration voisine, la force d’éclairage des voisins peut être librement choisie, étant identique ou différente de l’ouverture cible. En outre, le nombre total de stimuli éclairés peut être librement choisi. La boîte à outils calcule ensuite automatiquement tous les stimuli possibles. Toutefois, le paramètre « Config.LED.NumHighLED » doit être défini sur « 1 » pour cette configuration. Selon le protocole, l’entraînement des rats (N = 10) pour le 5-CSRTT a été effectué selon les étapes d’entraînement présentées dans le tableau 1. Tableau 1 : Calendrier de formation 5-CSRTT et critères pour passer au niveau suivant. (A) L’intervalle entre les essais a été maintenu constant à 5 s dans tous les niveaux d’entraînement. (B) Durée du stimulus pour chaque niveau de formation. (C) Fenêtre de temps de maintien limité (LH), le temps maximum toléré entre le stimulus désactivé et toute réponse piquée du nez. (D) Le nombre total de réponses correctes nécessaires pour réussir le niveau de formation respectif. (E) Le pourcentage d’exactitude est calculé comme suit : . (F) Le pourcentage d’erreurs d’omission est défini comme . Ce critère n’inclut pas les réponses prématurées. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce tableau. La performance des rats a été comparée au nombre de jours d’entraînement (sessions) nécessaires pour compléter chaque niveau d’entraînement indiqué dans le tableau 1. Tous les animaux ont commencé au niveau d’entraînement 1 avec une StD et une LH de 60 s chacune. Cependant, certains rats (N = 5) ont reçu une formation d’accoutumance améliorée pour tester certaines des options de stimulus supplémentaires rapportées précédemment, ce qui explique la différence dans le nombre de séances que les animaux individuels ont maintenues au niveau d’entraînement 1. L’achèvement du niveau a été marqué par l’atteinte d’un total de 30 réponses correctes ou plus. La MST et la LH ont diminué au cours des niveaux suivants, tandis que les critères pour passer au niveau de formation suivant sont devenus plus stricts, augmentant la demande attentionnelle de la tâche 1,6. Le tableau 2 montre la feuille de calcul *.xlsx générée automatiquement d’un exemple de rat au cours d’une session. Le rat a commencé avec la configuration spécifiée dans le niveau d’entraînement 5. Après quatre essais, le rat est passé au niveau 6, compte tenu des essais effectués au cours de la session en cours et de la précision obtenue lors de la session précédente. Le nombre d’essais à effectuer au minimum dans la session en cours pour passer au niveau de formation suivant est spécifié dans la variable « Config.Experiment.MinNumTrials ». Au cours de la même session, le rat est passé au niveau d’entraînement 7 après avoir terminé 66 essais au niveau 6 et atteint l’exigence de > précision de 80% et <'omission de 20%. Au total, les rats ont été entraînés pendant 26 jours en utilisant la configuration des niveaux d’entraînement fournie dans le tableau 1. Le nombre de séances passées par niveau de formation est indiqué à la figure 6A. La ligne noire montre la moyenne de tous les sujets, et chaque ligne colorée affiche les données d’un rat. Tous les rats ont atteint le huitième niveau en 14 à 22 séances (figure 6B). La figure 6C montre la performance moyenne des sujets par niveau d’entraînement et pour tous les jours de formation dans l’appareil 5-CSRTT. La ligne noire pointillée représente le pourcentage de précision et la ligne noire droite représente le pourcentage d’omission. L’exactitude a été calculée comme le rapport entre le nombre de réponses correctes et le nombre total de réponses. Les omissions ont été calculées comme le rapport entre le nombre d’omissions et le nombre total d’essais (c.-à-d. la somme des réponses correctes, des réponses incorrectes et des omissions). La ligne grise indique le nombre total moyen de réponses correctes pour tous les essais de chaque niveau. La figure 6D montre la précision finale obtenue par chaque sujet au huitième et dernier niveau d’entraînement. En moyenne, les rats ont passé 5,9 (±1,03 SEM) pour terminer le niveau 1, entre 1,5 (±0,17) et 3,5 (±0,5) sessions pour terminer le niveau 2 à 6, et 1,7 (±0,16) sessions pour terminer le niveau 7 avant d’atteindre le niveau final 8. Comme le montre la figure 6A, la variance entre les sujets était la plus significative dans les niveaux initiaux (ET = 3,25 au niveau 1, 1,58 au niveau 2) et a diminué dans les niveaux ultérieurs (0,47 et 0,48 dans les niveaux 6 et 7, respectivement). Au niveau 4, lorsque la durée du stimulus a été encore réduite, le nombre moyen de séances passées (2,6 ± 0,52) et la variance entre les rats (1,64) ont augmenté, deux rats prenant 5 et 6 jours pour conclure le niveau. Figure 6 : Résultats de l’expérience comportementale avec la boîte à outils 5-CSRTT. (A) Le nombre de séances effectuées à chaque niveau de formation. La ligne noire représente le nombre moyen de sessions de tous les sujets pour chaque niveau (moyenne ± SEM), et les lignes colorées représentent les données de chaque sujet. B) Le nombre absolu de sessions nécessaires pour atteindre le niveau final, par matière. (C) Mesures de performance moyennes tout au long de la formation (moyenne ± SEM). La ligne noire pointillée représente la précision de tous les sujets dans toutes les réponses données dans toutes les sessions par niveau de formation, et la ligne noire indique le pourcentage d’omission correspondant. La ligne grise représente le nombre absolu moyen de réponses correctes de toutes les matières à chaque niveau de formation. (D) Précision par matière au cours du huitième et dernier niveau de formation. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. Tableau 2 : Données recueillies auprès d’un exemple de rat au cours d’une séance d’entraînement. La colonne A affiche le nombre d’essais au cours de la session en ce qui concerne le niveau de formation actuel, comme indiqué dans la colonne B. La colonne C affiche la durée de l’ITI et la colonne D affiche l’heure de début de l’essai. Les colonnes E à I montrent le niveau de luminosité du stimulus LED dans les ouvertures 1 à 5, respectivement. Un niveau de luminosité de 0 signifie que le stimulus était désactivé, et un niveau de luminosité de 0,2 signifie que le stimulus a été activé avec 20% de son intensité maximale. Les colonnes J et K indiquent l’heure exacte à laquelle le stimulus a été activé et désactivé, respectivement. La colonne L affiche le résultat de l’essai : 0 signifie « omission », 1 signifie « réponse correcte », 3 signifie « réponse incorrecte » (piqué du nez dans l’ouverture non ciblée) et 4 signifie « prématuré ». La colonne M indique quelle ouverture a été piquée pendant l’essai, tandis que la colonne N représente l’heure exacte du piqué du nez. Les colonnes O, P et Q indiquent l’heure à laquelle le moteur du distributeur de granulés a été allumé, le numéro de moteur correspondant et le moment où le rat a ouvert le distributeur de granulés pour obtenir sa récompense, respectivement. La colonne R affiche l’heure de fin de la période d’évaluation. Les colonnes S, T, U, V et W indiquent le nombre total de réponses prématurées, de délais d’expiration, de poussées de panneau pendant un ITI, le nombre total de réponses persévératives et la durée d’exécution totale de la session en minutes, respectivement. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce tableau. Fichier supplémentaire 1: Script pour le contrôle matériel du logiciel IDE (code Arduino). Cela inclut toutes les commandes pour contrôler le matériel et les composants électrotechniques de la boîte à outils. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier. Fichier supplémentaire 2: Script pour la fonction « Utilisateur » dans le logiciel de contrôle de l’expérience. Cela inclut tous les paramètres qui définissent l’expérience. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier. Fichier supplémentaire 3: Script pour la fonction « Escalier » dans le logiciel de contrôle de l’expérience. Cela surveille les performances du sujet et les compare aux critères précédemment définis. Les paramètres souhaités sont automatiquement mis à jour si les performances de l’animal répondent à ces critères. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier. Fichier supplémentaire 4: Script pour la fonction « DataProc » dans le logiciel de contrôle de l’expérience. Cela traite toutes les données recueillies et génère des graphiques simples pour une analyse rapide. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier. Fichier supplémentaire 5 : Script pour la fonction « Code ». Cela comprend une description détaillée d’un seul essai et de tous les résultats possibles, qui est réitérée tout au long de l’expérience. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

Discussion

Le présent protocole vise à développer et à tester une alternative peu coûteuse et entièrement personnalisable à l’appareil standard de tâche de temps de réaction en série à 5 choix disponible dans le commerce. Habituellement, les types d’appareils disponibles dans le commerce fournissent un ensemble limité de fonctionnalités au besoin pour exécuter la recherche standard 5-CSRTT. Pour cette raison, des modifications non standard dans la conception spécifique de l’essai, telles que des modifications de la séquence d’essai ou des combinaisons de stimuli cibles, ne sont généralement pas possibles. En outre, de nombreux types d’appareils disponibles sont livrés avec un logiciel spécifique et fermé qui peut ne pas donner accès à toutes les données comportementales de l’expérience, telles que le moment et le nombre d’ouverture des réponses prématurées et persévérantes. En revanche, l’avantage vital de la boîte à outils présentée ici est – outre son faible coût – la possibilité de mettre en œuvre de nombreux modèles d’essais et paradigmes de recherche différents. Actuellement, la boîte à outils prend en charge la définition de conceptions de stimuli multiples, telles que l’autorisation de stimuli atténués et l’utilisation de deux systèmes d’administration de granulés et la dépendance de récompense au temps de réaction. Il prend également en charge l’utilisation d’un haut-parleur miniature pour la rétroaction auditive. Cependant, l’objectif principal est de permettre des modifications faciles de la séquence d’essai en fonction de l’objectif de l’utilisateur, telles que l’introduction d’ouvertures éclairées atténuées et des horaires gratifiants pour les tâches de prise de décision ou l’intégration d’approches de formation de renforcement positif de pointe¹¹. De plus, toutes les données brutes acquises au cours de la session sont mises à disposition pour une analyse plus approfondie. La boîte à outils fournit une fonction Staircase pour l’entraînement comportemental automatisé, qui est également entièrement personnalisable et permet à l’utilisateur de modifier les critères pour chaque mise à jour de niveau, le nombre de niveaux de formation et les paramètres à mettre à jour. En outre, l’appareil lui-même est hautement adaptable et des modifications dans la conception de l’essai et la disposition de la chambre sont facilement réalisables, ce qui permet d’appliquer le paradigme 5-CSRTT aux espèces animales qui ont besoin d’une conception de recherche différente de celle offerte par les types d’appareils disponibles dans le commerce.

Des parties spécifiques du protocole pour la configuration logicielle sont essentielles pour assurer un flux de travail fluide: en particulier pour le premier jour de l’expérience, la préparation du matériel et du logiciel de contrôle de l’expérience (étapes 2 et 3) et la configuration de l’étape 5.3 sont cruciales. S’assurer que la connexion du port série entre le matériel du microcontrôleur, son logiciel et le logiciel de contrôle de l’expérience fonctionne correctement est essentiel pour établir une boîte à outils 5-CSRTT entièrement fonctionnelle. Au début de chaque journée d’expérience, il est conseillé de répéter les trois étapes mentionnées ci-dessus pour s’assurer que le matériel et les scripts de contrôle de l’expérience sont correctement configurés.

Enfin, la limitation actuelle de la boîte à outils est son implémentation sur une plate-forme de programmation exclusive, ce qui compromet malheureusement son utilisation en tant que boîte à outils open source complète. Néanmoins, en principe, la boîte à outils devrait être facilement adaptable à d’autres langages de programmation tels que Python puisque le cours d’un essai reste inchangé.

Par rapport aux méthodes alternatives existantes, la boîte à outils 5-CSRTT présentée ici permet la mise en œuvre du paradigme standard 5-CSRTT et des modifications de celui-ci telles que la définition d’une fenêtre de temps définie pour les réponses persévératives ou l’introduction de stimuli distrayants ou renforçants comme des haut-parleurs ou des lumières clignotantes. En plus d’être facile à utiliser et très adaptable, l’appareil est peu coûteux et peut être facilement reproduit, et il encourage la recherche en utilisant des modèles animaux non rongeurs.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Ce travail est soutenu par DFG WE 5469/3-1.

Materials

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
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

References

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Cite This Article

Morais Gancz, J., El Jundi, N., Strippelmann, E., Koch, M., Wegener, D. An Open-Source, Fully Customizable 5-Choice Serial Reaction Time Task Toolbox for Automated Behavioral Training of Rodents. J. Vis. Exp. (179), e63385, doi:10.3791/63385 (2022).

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