Das vorliegende Protokoll beschreibt die Entwicklung einer Open-Source-Toolbox für serielle Reaktionszeiten mit 5 Auswahlmöglichkeiten für Nagetiermodelle unter Verwendung von Arduino und zugehöriger Hardware sowie einer vielseitigen Matlab-Toolbox, einschließlich eines optionalen Skripts für automatisiertes Verhaltenstraining. Die Skripte sind anpassbar und erleichtern die Implementierung verschiedener Test- und Testdesigns.
Die 5-Choice Serial Reaction Time Task (5-CSRTT) ist ein Verhaltenstest, der häufig zur Untersuchung der visuell-räumlichen Aufmerksamkeit und Impulsivität bei Nagetieren verwendet wird. Die Aufgabe besteht darin, dass die Tiere die Aufmerksamkeit auf eine horizontale Anordnung von fünf kleinen Blenden richten, die mit Lichtquellen ausgestattet sind, und innerhalb eines begrenzten Zeitfensters eine beleuchtete Zielblende mit der Nase stochern, um eine Futterbelohnung an der Lebensmittelzeitschrift zu erhalten, die sich in der gegenüberliegenden Wand der Kammer befindet. Die Aufgabe berücksichtigt verhaltenskontrollierende Maßnahmen wie Reaktionsgenauigkeit und Reaktionszeiten und erlaubt es, selektive Aufmerksamkeit und Impulsivität abzuleiten. Aufgabenschwierigkeiten können durch Ändern der Reizdauer und des Aufgabendesigns im Allgemeinen gesteuert werden. Handelsübliche Vorrichtungen bestehen in der Regel aus einer Versuchskammer und einer speziellen Software zur Spezifizierung von Aufgabenparametern, aber aufgrund fester Hard- und Software stellen sie viele Einschränkungen bei Änderungen des allgemeinen Versuchsdesigns und der spezifischen Aufgabenanforderungen und der damit verbundenen Datenausgabe dar. Dieser Artikel erklärt eine vollständig anpassbare Alternative, die auf einem einfach zu bedienenden Single-Board-Mikrocontroller und elektrotechnischen Standardkomponenten, einem frei zugänglichen Arduino-Skript und einer Matlab-Toolbox für Hardware-Steuerungs- bzw. Verhaltensaufgabenspezifikationen basiert. Die Toolbox enthält ein optionales Treppenverfahren, das ein automatisiertes Verhaltenstraining ermöglicht. Das komplette Hardware-Setup, das in kundenspezifischen Kammern installiert werden kann, und die frei anpassbare Software fördern ein nicht standardisiertes Aufgaben- und Kammerdesign. Das Design des Systems und der Open-Source-Code für die Hardwaresteuerung und den Versuchsaufbau werden beschrieben.
Der 5-CSRTT ist ein Verhaltenstest, der häufig bei Nagetieren verwendet wird, um visuelle Aufmerksamkeitsprozesse und Impulsivitätzu untersuchen 1,2,3,4,5,6, wie z.B. die Bestimmung der Rolle des cholinergen Systems bei der Aufmerksamkeit und den Einfluss von Noradrenalin-Wiederaufnahmehemmern auf impulsives Verhalten7 . Die Standardvorrichtung ermöglicht die Beobachtung verschiedener Kontrollmaßnahmen wie Reaktionsgenauigkeit, Reaktionszeiten, impulsives und zwanghaftes Verhalten, motorische Fähigkeiten und Motivation 1,2,3,4,5. Es besteht aus einer horizontalen Anordnung von fünf LED-bestückten Blenden, einem Lebensmittelmagazin an den Kammerwänden, die den Blenden gegenüberstehen, und Hausbeleuchtung 2,5. Bei einer typischen Aufgabe wird das Hauslicht beleuchtet, und der Beginn einer Sitzung wird durch die Beleuchtung des Lebensmittelmagazins markiert, in dem ein kostenloses Pellet geliefert wird. Der Probekurs wird eingeleitet, wenn das Tier das Magazin mit der Nase stößt, um das Pellet1 zu holen. Danach wird das Licht des Lebensmittelmagazins gelöscht und das Inter-Trial-Intervall (ITI) beginnt, in dem das Tier seine Aufmerksamkeit auf die Blenden richten soll. Nach Ablauf des ITI wird in einer der Blenden 1,2,5 eine Reizbeleuchtung dargestellt. Der Stimulus wird für eine bestimmte Länge angegeben, die als Stimulusdauer (StD) bekannt ist. Das Tier kann auf den Reiz reagieren, während er präsentiert wird, oder während eines begrenzten Zeitfensters, nachdem die StD vorbei ist, bekannt als begrenzter Halt (LH). Um zu reagieren, muss das Tier die Zielöffnung mit der Nase stochern und wenn es richtig gemacht wird, wird eine Belohnung im Lebensmittelmagazin 1,2,5 veröffentlicht. Andernfalls führt jede falsche Reaktion sowie jede Reaktion vor der Präsentation des Reizes (vorausschauend oder verfrüht) oder jede Nichtreaktion (Auslassung) zu einem Timeout (TO), bei dem das Hauslicht für eine bestimmte Dauer ausgeschaltet wird 1,2,5 (Abbildung 1). Im Allgemeinen misst die diskriminative Reizgenauigkeit die Aufmerksamkeitsfunktion, während vorzeitige und ausdauernde Reaktionen (wiederholte Reaktionen an den Öffnungen nach der Stimuluspräsentation) als Maß für impulsives Verhalten und Zwanghaftigkeit gelten, bzw. 1,4,5,6.
Abbildung 1: Mögliche Versuchssequenzen eines typischen 5-CSRTT. Nach dem Intertrial-Intervall wird das Stimuluslicht für eine bestimmte Dauer eingeschaltet und dann während des begrenzten Halteintervalls ausgeschaltet. Die Ratte kann entweder richtig antworten und eine Belohnung erhalten oder falsch antworten und während dieser Zeit eine Auszeit erhalten. Wenn die Ratte nicht rechtzeitig antwortet, führt ihre Auslassung zu einem Timeout. Wenn es vor der Präsentation des Lichtreizes reagiert, führt seine vorzeitige Reaktion zu einem Timeout. Eine weitere Prüfung beginnt nach dem Sammeln der Belohnung oder dem Ende des Timeout-Zeitraums. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Das 5-CSRTT ist aufgrund seiner Flexibilität weit verbreitet: Durch die Änderung der Parameter des Studiendesigns können verschiedene Unterkategorien der Aufmerksamkeit untersucht werden. Während das Tier beispielsweise seine Aufmerksamkeit auf die fünf verschiedenen Öffnungen aufteilen soll (visuell-räumliche Aufmerksamkeit), ermöglicht die Verwendung irrelevanter Reize (z. B. auditive Reize) die Prüfung selektiver oder anhaltender Aufmerksamkeit 1,2,5,6. Zu diesem Zweck kann der Versuchsaufbau um Lautsprecher erweitert werden, die als ablenkende oder sogar verstärkende Reize 1,2,5,6 verwendet werden können. Darüber hinaus kann die Aufmerksamkeitsbelastung direkt moduliert werden, indem die Stimuluspräsentation geändert oder die ITI-Dauerrandomisiert wird 10. Das 5-CSRTT wird nicht nur bei Nagetieren3,7 eingesetzt, sondern wurde kürzlich angepasst, um nichtmenschliche Primaten1,7,8 und Fische 7,9 zu testen, was seine Machbarkeit weiter unter Beweis stellt. Eine vollständig anpassbare 5-CSRTT-Toolbox ermöglicht eine einfache Anpassung des Standard-Nagetierparadigmas an andere Tiermodelle. Darüber hinaus fördert die Anpassungsflexibilität der 5-CSRTT-Toolbox auch die Forschung mit nicht standardmäßigen Aufgabendesigns.
Die hier vorgestellte vollständig anpassbare 5-CSRTT-Toolbox enthält ein Arduino-Skript für die Hardwaresteuerung, das in einer integrierten Entwicklungsumgebung programmiert wird. Es besteht auch aus einer Matlab-Toolbox (Version R2019b oder jünger) für die Experimentsteuerung. Das folgende Protokoll erläutert, wie die 5-CSRTT-Toolbox mit dem weit verbreiteten Standardparadigma konfiguriert wird, und zeigt optionale Konfigurationen für nicht standardmäßige Paradigmen.
Das vorliegende Protokoll zielt darauf ab, eine kostengünstige und vollständig anpassbare Alternative zu den kommerziell erhältlichen seriellen 5-Auswahl-Reaktionszeit-Task-Geräten zu entwickeln und zu testen. In der Regel bieten kommerziell erhältliche Gerätetypen eine begrenzte Anzahl von Funktionen, die für die Ausführung des Standardforschungs-5-CSRTT erforderlich sind. Aus diesem Grund sind nicht standardmäßige Modifikationen im spezifischen Studiendesign, wie z. B. Änderungen der Versuchssequenz oder Zielstimuluskombinationen, in der Regel nicht möglich. Darüber hinaus verfügen viele der verfügbaren Gerätetypen über eine spezifische, geschlossene Software, die möglicherweise nicht auf alle Verhaltensdaten des Experiments zugreifen kann, z. B. das Timing und die Aperturanzahl vorzeitiger und ausdauernder Antworten. Im Gegensatz dazu ist der entscheidende Vorteil der hier vorgestellten Toolbox – neben ihren niedrigen Kosten – die Möglichkeit, viele verschiedene Versuchsdesigns und Forschungsparadigmen zu implementieren. Derzeit unterstützt die Toolbox die Definition mehrerer Stimulusdesigns, z. B. die Zulassung gedimmter Reize und die Verwendung von zwei Pelletabgabesystemen sowie die Belohnungsabhängigkeit von der Reaktionszeit. Es unterstützt auch die Verwendung eines Miniaturlautsprechers für auditives Feedback. Der Hauptzweck besteht jedoch darin, einfache Modifikationen der Versuchssequenz entsprechend dem Ziel des Benutzers zu ermöglichen, z. B. die Einführung von gedimmten beleuchteten Blenden und Belohnungsplänen für Entscheidungsaufgaben oder die Integration modernster positiver Verstärkungstrainingsansätze11. Darüber hinaus werden alle im Laufe der Sitzung erfassten Rohdaten für weitere Analysen zur Verfügung gestellt. Die Toolbox bietet eine Treppenfunktion für automatisiertes Verhaltenstraining, die ebenfalls vollständig anpassbar ist und es dem Benutzer ermöglicht, die Kriterien für jede Levelaktualisierung, die Anzahl der Trainingsstufen und die zu aktualisierenden Parameter zu ändern. Darüber hinaus ist der Apparat selbst sehr anpassungsfähig, und Änderungen im Versuchsdesign und im Kammerlayout sind leicht durchführbar, was es ermöglicht, das 5-CSRTT-Paradigma auf Tierarten anzuwenden, die ein anderes Forschungsdesign benötigen als das, was die kommerziell erhältlichen Gerätetypen bieten.
Spezifische Teile des Protokolls für die Softwarekonfiguration sind entscheidend, um einen reibungslosen Ablauf zu gewährleisten: Insbesondere für den ersten Tag des Experiments ist die Vorbereitung sowohl der Hardware als auch der Experimentsteuerungssoftware (Schritte 2 und 3) und die Konfiguration von Schritt 5.3 entscheidend. Sicherzustellen, dass die serielle Verbindung zwischen der Mikrocontroller-Hardware, ihrer Software und der Experimentsteuerungssoftware ordnungsgemäß funktioniert, ist entscheidend für die Einrichtung einer voll funktionsfähigen 5-CSRTT-Toolbox. Zu Beginn eines jeden Experimenttages ist es ratsam, die drei oben genannten Schritte zu wiederholen, um sicherzustellen, dass die Hardware und die Skripte für die Experimentsteuerung korrekt konfiguriert sind.
Schließlich ist die aktuelle Einschränkung der Toolbox ihre Implementierung auf eine exklusive Programmierplattform, was leider ihre Verwendung als vollständige Open-Source-Toolbox beeinträchtigt. Dennoch sollte die Toolbox prinzipiell leicht an andere Programmiersprachen wie Python anpassbar sein, da der Verlauf eines Versuchs unverändert bleibt.
Im Vergleich zu bestehenden alternativen Methoden ermöglicht die hier vorgestellte 5-CSRTT-Toolbox die Implementierung des Standard-5-CSRTT-Paradigmas und dessen Modifikationen wie die Definition eines festgelegten Zeitfensters für ausdauernde Antworten oder die Einführung ablenkender oder verstärkender Reize wie Sprecher oder blinkende Lichter. Der Apparat ist nicht nur einfach zu bedienen und sehr anpassungsfähig, sondern auch kostengünstig und kann leicht repliziert werden, und er regt die Forschung mit Nicht-Nagetiermodellen an.
The authors have nothing to disclose.
Diese Arbeit wird von der DFG WE 5469/3-1 unterstützt.
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 |
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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 |