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

JoVE Journal > Behavior

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Behavior

Набор инструментов с открытым исходным кодом, полностью настраиваемый набор задач по серийному времени реакции с 5 вариантами для автоматизированной поведенческой тренировки грызунов

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

Настоящий протокол описывает разработку набора инструментов с открытым исходным кодом с 5-выборным последовательным временем реакции для моделей животных грызунов с использованием Arduino и связанного с ним оборудования и универсального набора инструментов Matlab, включая дополнительный сценарий для автоматизированного обучения поведению. Скрипты настраиваются и облегчают реализацию различных пробных и тестовых проектов.

Abstract

Задача последовательного времени реакции с 5 выборами (5-CSRTT) является поведенческим тестом, часто используемым для изучения зрительно-пространственного внимания и импульсивности у грызунов. Задача требует, чтобы животные выделили внимание на горизонтальный массив из пяти небольших отверстий, оснащенных источниками света, и в течение ограниченного временного окна тыкали носом в одно освещенное целевое отверстие, чтобы получить награду за еду в пищевом магазине, расположенном в противоположной стене камеры. Задача рассматривает поведенческие контрольные меры, такие как точность реакции и время реакции, и позволяет вывести избирательное внимание и импульсивность. Сложность задачи можно контролировать, изменяя продолжительность стимула и дизайн задачи в целом. Коммерчески доступные аппараты обычно состоят из экспериментальной камеры и специального программного обеспечения для задания параметров задачи, но из-за фиксированного аппаратного и программного обеспечения они создают множество ограничений на изменения в общем экспериментальном дизайне и конкретных требованиях к задачам и соответствующему выводу данных. В этой статье объясняется полностью настраиваемая альтернатива, основанная на простом в использовании одноплатном микроконтроллере и стандартных электротехнических компонентах, скрипте Arduino с открытым доступом и наборе инструментов Matlab для аппаратного управления и спецификаций поведенческих задач соответственно. Набор инструментов включает в себя дополнительную процедуру лестницы, позволяющую автоматизировать поведенческое обучение. Полная аппаратная установка, которая может быть установлена в индивидуальных камерах, и свободно адаптируемое программное обеспечение способствуют нестандартизированному проектированию задач и камер. Описана конструкция системы и открытый исходный код для аппаратного управления и экспериментальной настройки.

Introduction

5-CSRTT является поведенческим тестом, часто используемым у грызунов для изучения зрительных процессов внимания и импульсивности 1,2,3,4,5,6, таких как определение роли холинергической системы во внимании и влияние ингибиторов обратного захвата норадреналина на импульсивное поведение 7 . Стандартный аппарат позволяет наблюдать различные контрольные меры, такие как точность реакции, время реакции, импульсивное и компульсивное поведение, двигательные способности и мотивация 1,2,3,4,5. Он состоит из горизонтального массива из пяти светодиодных отверстий, пищевого магазина на стенах камеры, противоположных отверстиям, и домашних фонарей ^2,5. В типичной задаче свет дома подсвечивается, а начало сеанса отмечается подсветкой пищевого магазина, куда доставляется бесплатная гранула. Пробный курс начинается, когда животное тычет носом в магазин, чтобы извлечь гранулу¹. После этого свет пищевого магазина гаснет, и начинается межпроцессный интервал (ITI), во время которого животное должно направить свое внимание на отверстия. По истечении ИТИ в одной из диафрагм ^1,2,5 представлена подсветка стимула. Стимул дается для определенной длины, известной как продолжительность стимула (StD). Животное может реагировать на стимул во время его представления или в течение ограниченного временного окна после окончания ЗППП, известного как ограниченное удержание (ЛГ). Чтобы ответить, животное должно тыкать носом в отверстие цели и, если все сделано правильно, награда выпускается в пищевом журнале ^1,2,5. В противном случае любая неправильная реакция, а также любые реакции перед представлением стимула (упреждающие или преждевременные) или любая неспособность ответить (упущение) приводят к тайм-ауту (TO), в течение которого домашний свет выключается на определенную продолжительность ^1,2,5 (рисунок 1). В целом, дискриминативная точность стимула измеряет функцию внимания, тогда как преждевременные и персеверативные реакции (повторные реакции на отверстиях после представления стимула) считаются мерами импульсивного поведения и компульсивности соответственно 1,4,5,6.

Рисунок 1: Возможные пробные последовательности типичного 5-CSRTT. После интертриального интервала индикатор стимула включается на определенное время, а затем выключается во время интервала ограниченного удержания. Крыса может либо ответить правильно и получить награду, либо ответить неправильно и получить тайм-аут в течение этого времени. Если крыса не отвечает вовремя, ее упущение приводит к тайм-ауту. Точно так же, если он реагирует до представления светового стимула, его преждевременная реакция приводит к тайм-ауту. Еще одно испытание начинается после получения вознаграждения или окончания периода тайм-аута. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

5-CSRTT широко используется благодаря своей гибкости: изменяя параметры конструкции испытания, можно исследовать различные подкатегории внимания. Например, в то время как животное должно разделить свое внимание на пять различных отверстий (визуально-пространственное внимание), использование нерелевантных стимулов (например, слуховых стимулов) позволяет тестировать селективное или устойчивое внимание 1,2,5,6. Для этого экспериментальная установка может быть расширена за счет включения динамиков, которые могут быть использованы в качестве отвлекающих или даже усиливающих стимулов 1,2,5,6. Кроме того, нагрузка на внимание может быть непосредственно модулирована путем изменения представления стимула или рандомизации длительности ITI¹⁰. 5-CSRTT не только используется у грызунов ^3,7, но недавно был адаптирован для тестирования нечеловеческих приматов ^1,7,8 и рыб ^7,9, что еще раз демонстрирует его осуществимость. Полностью настраиваемый набор инструментов 5-CSRTT позволяет легко адаптировать стандартную парадигму грызунов к другим моделям животных. Кроме того, гибкость настройки набора инструментов 5-CSRTT также поощряет исследования с использованием нестандартных конструкций задач.

Полностью настраиваемый набор инструментов 5-CSRTT, представленный здесь, содержит скрипт Arduino для управления оборудованием, запрограммированный в интегрированной среде разработки. Он также состоит из набора инструментов Matlab (версия R2019b или моложе) для управления экспериментом. Следующий протокол объясняет, как настроить набор инструментов 5-CSRTT с широко используемой стандартной парадигмой и показывает дополнительные конфигурации для нестандартных парадигм.

Protocol

Экспериментальная процедура в этом протоколе была выполнена в соответствии с рекомендациями директивы ЕС 2010/63 о благополучии экспериментальных животных и в соответствии с Законом о благополучии животных, изданным федеральным правительством Германии, и была одобрена местными властями. Поскольку исследование требовало только поведенческой подготовки, ни одно животное не было усыплено, и все они содержались в животноводстве после проведения исследования. Исследование проводилось с использованием десяти самцов крыс с капюшоном Lister (возраст 4 месяца в начале поведенческой тренировки). 1. Содержание, разведение и обращение с животными Размещайте крыс вместе с пятью однопометниками в стандартной клетке с подходящим материалом для подстилки, в соответствии с рекомендациями вашего комитета по защите животных. Держите крыс в проветриваемом помещении с контролируемой температурой 20 ± 2 ° C и относительной влажностью не более 50% с циклом света / темноты 12: 12 ч или в соответствии с рекомендациями вашего комитета по защите животных. Ограничить доступ к пище (12 г чау-чау в день на крысу, см. Таблицу материалов) и обеспечить неограниченный доступ к воде. Пометьте хвосты животных, используя постоянный нетоксичный маркер чернил. Прежде чем начать поведенческий эксперимент, обработайте крыс по крайней мере неделю, пока они не привыкнут к тому, что с ними обращаются экспериментаторы, и познакомьте крыс с полезными пищевыми гранулами, чтобы уменьшить пищевую неофобию. 2. Подготовка аппаратного и управляющего программного обеспечения Откройте свободно доступное программное обеспечение интегрированной среды разработки (IDE) (см. Таблицу материалов). Нажмите на Файл > Открыть и нажмите на скрипт для аппаратного управления (Дополнительный файл 1). Подключите микроконтроллер USB к компьютеру. Проверьте, соответствует ли автоматически выбранная информация о плате и процессоре подключенной плате микроконтроллера, нажав « Инструменты» в верхней левой половине экрана. Выберите соответствующую информацию о плате и процессоре и нажмите «Порт», чтобы выбрать доступный порт. В левой верхней части экрана нажмите на Sketch > Включить библиотеку > Управление библиотеками. В открывшемся окне Library Manager введите термин “Adafruit Motor Shield V2” в строку поиска и нажмите на кнопку Установить на соответствующей библиотеке. Повторите тот же процесс для поискового запроса «Adafruit Neopixel». В верхней левой половине экрана нажмите на Verify (кнопка с галочкой), чтобы убедиться, что в скрипте нет ошибок. Нажмите кнопку Загрузить (кнопка со стрелкой вправо), чтобы загрузить скрипт на плату микроконтроллера. 3. Подготовка программного обеспечения для управления экспериментом Убедитесь, что все четыре сценария и функции для управления экспериментом расположены в одной папке. Откройте программную платформу, нажмите на вкладку панели инструментов HOME в верхней половине экрана и нажмите «Задать путь». Нажмите кнопку Добавить папку и выберите папку, содержащую все сценарии управления экспериментом. Нажмите кнопку Сохранить и закройте окно Задать путь . Нажмите « Открыть» на вкладке панели инструментов HOME в верхней половине экрана и откройте следующие скрипты и функции: User (Дополнительный файл 2), Staircase (Дополнительный файл 3) и DataProc (Дополнительный файл 4). Следуйте инструкциям по загрузке и установке программного обеспечения Psychtoolbox, чтобы включить функциональность кнопки ESC, используемую набором инструментов (см. Таблицу материалов для ссылки доступа). 4. Настройка параметров, используемых в наборе инструментов 5-CSRTT Подготовьте набор инструментов для привыкания.ПРИМЕЧАНИЕ: На рисунке 2 представлен аппарат 5-CSRTT, используемый для текущего исследования. Выберите открытый пользовательский скрипт. Убедитесь, что для переменной habituation в строке 7 установлено значение ‘true’. Напишите число в минутах (например, «30» в течение 30 минут) в строке 8, чтобы установить ограничение по времени для привыкания. В строке 9 напишите число от 0,01 до 1 (полная яркость), чтобы выбрать уровень яркости для стимулирующего света.ПРИМЕЧАНИЕ: Уровень яркости, используемый в этом проекте, установлен на 0,2. Проведите поведенческий эксперимент (шаг 5). Подготовьте набор инструментов для сеанса эксперимента.Выберите открытый пользовательский скрипт. Убедитесь, что переменная в строке 7 определена как ‘false’. В строке 12 введите путь к каталогу, в котором данные эксперимента будут автоматически сохранены (например, ‘C:\Users\trainer\Desktop\5CSRTT’). Убедитесь, что каталог с таким именем существует. Введите идентификацию предмета в строке 13 (например, ‘red1’). Убедитесь, что переменная в строке 14 определена как ‘true’, чтобы сгенерированные данные автоматически сохранялись в пути к каталогу. Убедитесь, что переменная в строке 15 определена как ‘true’ и введите число в строках 16 и 17, чтобы установить пробное и временное ограничение (в мин), соответственно, после чего программа автоматически остановится. Настройте параметры для стандартной парадигмы 5-CSRTT. Проверьте, установлена ли переменная в строке 32 на «true» для бесплатной поставки гранул перед первой пробной версией. Определите переменную в строке 33 как «true», чтобы обеспечить запись в журнале перед началом каждого испытания. Проверьте, установлена ли переменная в строке 34 как «определенная», и введите число в строке 35, чтобы указать длину ITI в секундах. Убедитесь, что переменная, определенная в строке 37, имеет значение «true», чтобы испытания с преждевременными ответами не влияли на предел пробного сеанса. Введите в строке 38 числовое значение, которое определит длину ограниченного удержания (LH) в секундах. Убедитесь, что переменная в строке 39 имеет значение ‘none’, а переменная в строке 40 определена как ‘false’. Введите число в строке 41, чтобы определить длину TO в секундах и убедиться, что переменная в строке 42 имеет значение ‘false’. Введите в строке 45 числовое значение, соответствующее количеству отверстий, которые могут быть освещены (например, ‘5’). Убедитесь, что переменная в строке 46 определена как «псевдослучайная» или «случайная», и введите число в строке 47, установив длину StD в секундах. Проверьте, определена ли переменная в строке 48 как ‘single’, а числовое значение в строке 49 равно ‘1’. В строке 50 введите число, чтобы определить яркость целевого стимула. Проверьте, определены ли переменные в строках 64 и 65 как «двоичные» и «независимые» соответственно. Введите в строке 71 числовое значение, соответствующее количеству пищевых гранул, которые должны быть выпущены после правильного тычка носом. Проведите поведенческий эксперимент (шаг 5). Настройте параметры для нестандартной парадигмы 5-CSRTT.ПРИМЕЧАНИЕ: Все шаги, описанные в этой подглаве, являются необязательными.Если для использования автоматизированной процедуры обучения лестнице требуется автоматическая проверка производительности, убедитесь, что переменная в строке 18 определена как «true», и введите числовое значение в строке 20, определяющее частоту проверки производительности. Введите число в строке 21, чтобы определить минимальное количество испытаний, которые должны быть завершены в течение текущей сессии, прежде чем рассчитывать производительность субъекта. Убедитесь, что переменная в строке 21 определена как «все», чтобы все испытания текущего сеанса были включены в проверку производительности. Убедитесь, что переменная в строке 22 имеет значение ‘true’, чтобы программа обновила параметры текущего сеанса в соответствии с ранее завершенным сеансом. В строке 23 введите ‘latest’, чтобы установить, что последний сеанс будет загружен.ПРИМЕЧАНИЕ: Программа обновит параметры на основе спецификаций в функции “Лестница”, перейдя на ранее завершенный уровень. Конкретный набор данных для загрузки также можно выбрать, введя точный путь к файлу данных с окончанием «.mat». Если требуется автоматизированное поведенческое обучение, убедитесь, что переменная в строке 26 имеет значение «true». Введите числовое значение в строках 27 и 28, чтобы определить начальный уровень обучения и общее количество доступных уровней соответственно. Если желательно разделить когорты, введите имя (например, ‘group1’) в строке 29, которое указывает группу.ПРИМЕЧАНИЕ: Каждая группа может использовать свой собственный набор уровней обучения и критериев для обновления уровней. Параметры для каждой группы определены в функции “Лестница” (шаг 4.2.8.). В строке 34 введите ‘random’, если требуется рандомизированная длительность ITI. Введите числовой интервал (например, ‘[0,2]’), чтобы определить интервал, содержащий рандомизированное число, которое будет добавлено к фиксированной длительности ITI. Чтобы гарантировать, что испытания с преждевременными ответами влияют на предел продолжительности сеанса, введите «false» в строке 37. Чтобы определить временное окно, в течение которого дополнительные удары носом будут учитываться как персеверативные ответы, введите числовое значение в строке 39. Введите «true» в строке 40, чтобы преждевременные ответы вызвали тайм-аут. Чтобы определить различные группировки целевых диафрагм, введите в строке 48 «сосед», «смещенный» или «все». Введите числовое значение в строке 49, определяющее общее количество целевых диафрагм. Если желательны затемненные раздражители, введите числовое значение на строках 51 и 52, определив общее количество затемненных диафрагм и его яркость соответственно. Если требуется излучение короткого тона (тон C4, 262 Гц (научная нотация высоты тона)) перед представлением стимула, убедитесь, что переменная в строке 55 имеет значение «true». Введите числовые значения в строках 56, 57 и 58, чтобы определить временное окно (в миллисекундах) между тоном говорящего и представлением стимула, продолжительность тона (в миллисекундах) и громкость тона (разрешены числа от 0 (без тона) до 1 (полная громкость). Если требуется излучение короткого тона (Тон C6, 1047 Гц) после успешного тычка носом, убедитесь, что переменная в строке 59 установлена на ‘true’. Введите числовое значение в строках 60 и 61, которые определяют длительность тона (в миллисекундах) и громкость тона (разрешены числа от 0 (без тона) до 1 (полный объем). Если ответы в затемненных освещенных апертурах должны быть вознаграждены, убедитесь, что переменная в строке 64 установлена в «небинарную». Введите числовое значение в строке 73, чтобы определить количество пищевых гранул, доставляемых для носовых тычков в затемненных освещенных отверстиях. Если используется более одного дозатора гранул, введите соответствующий номер двигателя на строках 70 и 72 для носовых тычков в целевых отверстиях и затемненных освещенных отверстиях.ПРИМЕЧАНИЕ: Номер двигателя может быть 1 или 2. Соответствующие винтовые клеммы моторного щита М3 и М4 определены в скрипте для аппаратного управления. Если требуется оценка вознаграждения на основе времени реакции, убедитесь, что переменная в строке 65 установлена на «зависимую». Определите зависимость носовых тычков в целевых отверстиях, набрав числовые значения на строке 67, которые разделят время реакции (в секундах), номер двигателя и количество пищевых гранул, подлежащих доставке, на различные категории, так что определенный интервал времени реакции соответствует выбранному номеру двигателя и количеству гранул. Введите цифры в строке 68, чтобы определить различные категории для времени реакции (в секундах), номера двигателя и количества пищевых гранул, которые должны быть доставлены для носовых тычков в затемненных освещенных отверстиях. Настройте функцию Лестница, выполнив следующие действия.ПРИМЕЧАНИЕ: Этот шаг является необязательным. Выберите открытую функцию Лестница . В строке 4 введите название первой группы (например, ‘group1’). Если применимо, введите название второй группы (например, ‘group2’) в строке 77. Чтобы изменить параметры второго уровня обучения для первой группы, введите один из параметров, рассчитанных в проверке производительности в строке 17 (например, PerformanceCheck.NumCorrect >= 30, если критерии отвечают 30 ударам носом правильно).ПРИМЕЧАНИЕ: Не изменяйте параметр “Config_trigger == 2” при использовании автоматической загрузки предыдущей сессии (шаг 4.2.7.2.). В строке 19 введите переменную, которую вы хотите обновить, и числовое значение, если это применимо (например, ‘Config.LED.StimDuration = 30’, чтобы установить длину StD равным 30 с).ПРИМЕЧАНИЕ: Количество изменяемых параметров и их новое значение могут быть свободно выбраны. Единственное требование заключается в том, что обновляемый параметр должен быть введен после переменной ‘UpdateTrigger = 1’ на каждом уровне, на котором требуется обновление. Настройте функцию “DataProc”. Выберите открытую функцию DataProc . Если график с обзором сеанса необходимо построить и сохранить автоматически, введите команды для нужного графика, начиная со строки 83 и далее.ПРИМЕЧАНИЕ: Текущие команды в строке 83 и далее отображают обзор результатов сессии и некоторые необходимые контрольные меры, такие как общее количество преждевременных ответов или количество толчков пищевой панели во время ITI. 5. Поведенческий эксперимент Транспортируйте клетку крыс из вивария в экспериментальную комнату не менее чем за 30 минут до сеанса привыкания или эксперимента, чтобы ознакомить животных в испытательной комнате. Для сеанса привыкания подготовьте оперантную камеру, поместив две гранулы вознаграждения в каждое из отверстий и пять пищевых гранул в дверце магазина. Настройте параметры сеанса, выполнив шаги 2-4.1.ПРИМЕЧАНИЕ: Оперантная камера, используемая для этого протокола, представляла собой модифицированную коробку из ПВХ Скиннера с размерами 30 x 30 x 45 см.ПРИМЕЧАНИЕ: На первом этапе привыкания заклейте дверцу магазина скотчем, чтобы она оставалась открытой. Для второго этапа привыкания снимите ленту на дверце магазина. Выберите открытый пользовательский скрипт. Убедитесь, что описание COM в строке 75 соответствует выбранному доступному порту на шаге 2.2. Если он не совпадает, измените числовое значение в скрипте управления экспериментом (например, с ‘COM3’ на ‘COM4’). Осторожно поместите крыс в камеру. В открывшемся пользовательском скрипте нажмите на вкладку панели инструментов EDITOR в верхней половине экрана, а затем нажмите на зеленую кнопку воспроизведения Выполнить. Проверьте, правильно ли работает программа, прочитав информацию «Командное окно». Чтобы остановить эксперимент в любое время, нажмите клавишу ESC на клавиатуре компьютера. Дождитесь появления сообщения на экране командного окна. Введите «y» и нажмите клавишу Enter на клавиатуре компьютера, чтобы остановить текущую сессию и сохранить полученные данные. Когда будет достигнут предел привыкания или времени сеанса или пробной версии (шаг 4.1.1 или 4.2.5 соответственно), проверьте сообщение, которое появляется на экране командного окна. Введите “y” и нажмите клавишу Enter на клавиатуре компьютера, чтобы остановить текущий сеанс.ПРИМЕЧАНИЕ: Сообщение будет отображаться только в начале нового испытания и будет останавливать текущую сессию до тех пор, пока не будет введен ответ («y», чтобы остановить сеанс, или «n» для продолжения эксперимента). В случае сеанса привыкания проверьте, потребила ли крыса все пищевые гранулы. Повторяйте стадию привыкания до тех пор, пока все гранулы не будут израсходованы, прежде чем перейти к следующей стадии привыкания, или, после второй стадии, начните тренировку 5-CSRTT. После сеанса очистите стены и пол операционной камеры, например, 70% раствором этанола и бумажным полотенцем. Перед введением следующей крысы подождите 2-3 мин, пока запах этанола не рассеется. Когда экспериментальный день закончится, отключите USB микроконтроллера от компьютера. При необходимости закройте оба сценария для управления оборудованием и экспериментом.

Representative Results

Рисунок 2: Аппарат 5-CSRTT, используемый для текущего исследования. Аппарат работает на ноутбуке, оснащенном набором инструментов 5-CSRTT, который предоставляет скрипт для управления микроконтроллером и всем связанным с ним оборудованием и несколько скриптов для управления экспериментом 5-CSRTT. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. Полностью настраиваемый набор инструментов прост в использовании и основан на одноплатном микроконтроллере и стандартных электротехнических компонентах. На рисунке 3 показана упрощенная схема и схема подключения. Вся диафрагма состоит из 5 светодиодов в качестве световых стимулов и пяти инфракрасных датчиков для обнаружения тычков носа. Домашний светильник состоит из одной полосы с восемью светодиодами, а пищевой магазин сделан из отверстия с клапанной дверцей с микровыключателем, дозатора гранул с приводом от двигателя и полосы с восемью светодиодами для освещения. Схема также иллюстрирует соединения для дополнительных компонентов, таких как пассивный динамик зуммера для слуховой обратной связи и цифровой потенциометр для регулировки громкости. Список оборудования, используемого при разработке этого набора инструментов, см. в Таблице материалов. Рисунок 3: Упрощенная схема аппаратного обеспечения микроконтроллера. Для простой и быстрой настройки микроконтроллерное оборудование подключается через макетную плату. Сверху слева вниз слева, по часовой стрелке: плата микроконтроллера подключена к экрану двигателя и двигателю постоянного тока (представляющему собой двигатель гранулированного дозатора). Справа находятся светодиодные ленты для освещения дома и магазина продуктов питания, а в середине – все пять белых светодиодов для стимулирующего света и пять пар инфракрасных датчиков, используемых в диафрагмах. Под платой микроконтроллера находится простой микропереключатель (представляющий собой переключатель, используемый в дверце пищевого магазина). Наконец, пассивный динамик зуммера и цифровой потенциометр изображены посередине. Это изображение было сделано с помощью программного обеспечения с открытым исходным кодом Fritzing. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. Рисунок 4: Связывание и функции всех компонентов скриптов управления экспериментом и упрощенная диаграмма функции “Code”. (A) Скрипт “User” отправляет свои параметры в функцию “Code”, которая, в свою очередь, ссылается непосредственно на функцию “Staircase”, что позволяет ей обновлять любой параметр, используемый в функции “Code” во время эксперимента. Затем функция «Код» отправляет свои результаты в функцию «DataProc» в конце сеанса. (B) Перед началом сеанса эксперимента функция «Код» сначала проверяет, предполагается ли запускать протокол привыкания. Если нет, он настраивает параметры на основе определений, выбранных в скрипте “User”. Перед началом каждого испытания функция проверяет, была ли нажата клавиша ESC на клавиатуре. Если нет, то оно продолжается новым судебным разбирательством. В противном случае сеанс эксперимента останавливается и собранные данные передается в функцию DataProc. Эта критическая проверка перед каждым запуском пробной версии позволяет программе останавливаться до достижения любого выбранного лимита времени. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. Взаимодействие между различными сценариями управления экспериментом можно увидеть на рисунке 4A. Скрипт “User” включает в себя все параметры, определяющие эксперимент. Там можно свободно выбирать переменные, определяющие время эксперимента, количество и яркость освещаемых стимулов, продолжительность ITI и тому подобное. Функция Code (Дополнительный файл 5) включает подробное описание одного испытания и всех возможных исходов, которое повторяется на протяжении всего эксперимента, как показано на рисунке 4B. Более того, она состоит из протокола приведения животного к аппарату. Функция Code также регулярно проверяет работоспособность животного. Кроме того, функция Лестница является необязательной. Производительность испытуемого сравнивается с ранее установленными критериями, и желаемые параметры автоматически обновляются, если производительность животного соответствует этим критериям. Функция «Лестница» может также учитывать результаты, полученные в результате сеанса предыдущего дня. Во время эксперимента проверка производительности в конце испытания рассчитает точность, упущения и общее количество правильных ответов завершенных испытаний и сравнит результат с желаемыми критериями для обновления уровня, как указано в функции Лестница. Наконец, функция DataProc обрабатывает все собранные данные и генерирует простые графики для быстрого анализа. В конце сеанса набор инструментов автоматически сохраняет все данные в файл *.mat и генерирует дополнительный *.xlsx файл с важной информацией из эксперимента. Рисунок 5: Пример различных конфигураций стимулов набора инструментов 5-CSRTT. Диаграмма иллюстрирует возможные комбинации целевых стимулов в зависимости от выбранной конфигурации. Как «все», так и «единичные» конфигурации используются в стандартной парадигме (для привыкания и поведенческого эксперимента). Конфигурации «сосед» и «смещенные» показывают нестандартные конфигурации стимулов, что позволяет использовать другие количества световых стимулов, которые также могут иметь другой контраст, чем целевой стимул. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. На этапе 4.2.7.7 протокола упоминается необязательная функция: изменение группировки целевых апертур. Стандартная парадигма 5-CSRTT использует один единственный целевой стимул. Здесь мы иллюстрируем, как представленный набор инструментов позволяет модифицировать стандартную парадигму. На рисунке 5 показаны некоторые возможные групповые комбинации из пяти диафрагм, относящихся к выбранной конфигурации. Конфигурация «все» освещает все доступные диафрагмы, так что каждая диафрагма теперь является целевой диафрагмой, что может быть полезно на начальных этапах обучения. Конфигурация соседа гарантирует, что (свободно выбранное) количество целевых апертур будет находиться рядом друг с другом. Настройки могут быть заданы таким образом, что соседи не будут идентичны целевой диафрагме, а будут освещаться при более низкой (или даже более высокой) контрастности. Использование диафрагм с различными контрастами освещения позволяет тестировать новые парадигмы, такие как использование по-разному градуированных вознаграждений за тычки носом в высококонтрастных или низкоконтрастных диафрагмах. На рисунке 5 показан пример с тремя целевыми диафрагмами с одинаковой подсветкой. Единая конфигурация обычно используется в стандартном 5-CSRTT, где освещается только одна цель. Наконец, смещенная конфигурация расширяет конфигурацию соседа. Он смещает соседний стимул в сторону последней или первой диафрагмы в случае, если целевая диафрагма находится в первой или последней позиции соответственно. Как и в соседней конфигурации, сила освещения соседей может быть свободно выбрана, будучи либо одинаковой, либо отличной от целевой диафрагмы. Также количество общих освещенных раздражителей может быть свободно выбрано. Затем набор инструментов автоматически вычисляет все возможные стимулы. Однако для этой конфигурации параметр “Config.LED.NumHighLED” должен иметь значение “1”. Следуя протоколу, дрессировка крыс (N = 10) для 5-CSRTT проводилась в соответствии с этапами обучения, представленными в таблице 1. Таблица 1: График обучения 5-CSRTT и критерии для перехода на следующий уровень. (A) Интервал между испытаниями поддерживался постоянным на уровне 5 секунд на каждом уровне подготовки. (B) Продолжительность стимула для каждого уровня подготовки. (C) Временное окно ограниченного удержания (LH), максимальное время, допустимое между выключением стимула и любой реакцией тычка носа. D) общее число правильных ответов, необходимых для прохождения соответствующего уровня подготовки. (E) Процент точности рассчитывается как . (F) Процент ошибок бездействия определяется как . Этот критерий не включает преждевременные ответы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту таблицу. Производительность крыс сравнивали с количеством тренировочных дней (занятий), необходимых для завершения каждого уровня обучения, приведенного в таблице 1. Все животные начинали с уровня дрессировки 1 с StD и LH 60 с каждый. Тем не менее, некоторые крысы (N = 5) получили усиленную подготовку к привыканию для тестирования некоторых дополнительных вариантов стимулов, о которых сообщалось ранее, что объясняет разницу в количестве сеансов, в течение которых отдельные животные оставались на уровне дрессировки 1. Завершение уровня было отмечено достижением в общей сложности 30 или более правильных ответов. StD и LH снизились в течение следующих уровней, в то время как критерии для перехода на следующий уровень обучения ужесточились, увеличив потребность в внимании к задаче 1,6. В таблице 2 показана автоматически сгенерированная *.xlsx электронная таблица одного примера крысы в течение одного сеанса. Крыса начинала с конфигурации, указанной в тренировочном уровне 5. После четырех испытаний крыса продвинулась до уровня 6, учитывая испытания, проведенные в текущей сессии, плюс точность, достигнутую на предыдущей сессии. Сколько испытаний должно быть выполнено как минимум в текущем сеансе для перехода на следующий уровень обучения, указано в переменной “Config.Experiment.MinNumTrials”. В том же сеансе крыса перешла на тренировочный уровень 7 после завершения 66 испытаний на уровне 6 и достижения требования > 80% точности и < 20% упущения. В общей сложности крыс обучали в течение 26 дней с использованием конфигурации уровней обучения, как это предусмотрено в таблице 1. Количество занятий, проведенных на один уровень обучения, приведено на рисунке 6А. Черная линия показывает среднее значение по всем объектам, а каждая цветная линия отображает данные одной крысы. Все крысы достигли восьмого уровня в течение 14-22 сеансов (рисунок 6B). На рисунке 6C показана средняя успеваемость испытуемых на каждом уровне обучения и во все дни обучения в аппарате 5-CSRTT. Пунктирная черная линия представляет процент точности, а прямая черная линия представляет процент упущений. Точность рассчитывалась как соотношение между числом правильных ответов и общим числом ответов. Упущения рассчитывались как соотношение между количеством упущений и общим числом испытаний (т.е. суммой правильных ответов, неправильных ответов и упущений). Серая линия показывает среднее общее количество правильных ответов по всем испытаниям на каждом уровне. На рисунке 6D показана окончательная точность, достигнутая каждым испытуемым на восьмом и последнем уровне обучения. В среднем крысы провели 5,9 (±1,03 SEM) сеансов для завершения уровня 1, между 1,5 (±0,17) и 3,5 (±0,5) сеансами, чтобы завершить уровень от 2 до 6, и 1,7 (±0,16) для завершения уровня 7, прежде чем они достигли окончательного уровня 8. Как видно из рисунка 6А, разница между субъектами была наиболее значительной на начальных уровнях (УР = 3,25 на уровне 1, 1,58 на уровне 2) и уменьшилась на более поздних уровнях (0,47 и 0,48 на уровнях 6 и 7, соответственно). На уровне 4, когда продолжительность стимула была еще больше сокращена, среднее количество проведенных сеансов (2,6 ± 0,52), а дисперсия между крысами (1,64) увеличилась, причем двум крысам потребовалось 5 и 6 дней, чтобы завершить уровень. Рисунок 6: Результаты поведенческого эксперимента с набором инструментов 5-CSRTT. (A) Количество сеансов, выполненных на каждом уровне обучения. Черная линия изображает среднее количество сеансов всех предметов для каждого уровня (среднее ± SEM), а цветные линии представляют данные отдельных субъектов. B) абсолютное число сессий, необходимых для достижения окончательного уровня, по каждому предмету. С) Усредненные показатели эффективности на протяжении всей профессиональной подготовки (среднее ± SEM). Пунктирная черная линия показывает точность всех испытуемых по всем заданным ответам во всех сессиях на уровень обучения, а черная линия показывает соответствующий процент пропусков. Серой линией изображено среднее абсолютное количество правильных ответов по всем предметам на каждом уровне обучения. (D) Точность по каждому предмету в течение восьмого и последнего уровня подготовки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. Таблица 2: Собранные данные от одного примера крысы во время одной тренировки. В столбце A отображается количество пробных версий за сеанс относительно текущего уровня обучения, как показано в столбце B. В столбце C отображается продолжительность ITI, а в столбце D — время начала пробной версии. Столбцы E-I показывают уровень яркости светодиодного стимула в диафрагмах от 1 до 5 соответственно. Уровень яркости 0 означает, что стимул был выключен, а уровень яркости 0,2 означает, что стимул был включен с 20% от его максимальной интенсивности. Столбцы J и K показывают точное время включения и выключения стимула соответственно. Столбец L отображает результат исследования: 0 означает «упущение», 1 означает «правильный ответ», 3 означает «неправильный ответ» (тыкание носом в нецелевую диафрагму) и 4 означает «преждевременный». Колонка M показывает, какое отверстие было зажато носом во время испытания, в то время как столбец N изображает точное время тычка носом. Столбцы O, P и Q показывают время, когда двигатель дозатора гранул был включен, соответствующий номер двигателя и время, когда крыса открыла дозатор гранул, чтобы получить его вознаграждение, соответственно. В столбце R отображается время окончания пробной версии. Столбцы S, T, U, V и W показывают общее количество преждевременных ответов, тайм-аутов, нажатий панели во время ITI, общее количество персеверативных ответов и общее время выполнения сеанса в минутах соответственно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту таблицу. Дополнительный файл 1: Скрипт для аппаратного управления программным обеспечением IDE (код Arduino). Это включает в себя все команды для управления аппаратными и электротехническими компонентами набора инструментов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл. Дополнительный файл 2: Скрипт для функции “Пользователь” в программном обеспечении управления экспериментом. Сюда входят все параметры, определяющие эксперимент. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл. Дополнительный файл 3: Скрипт для функции “Лестница” в программном обеспечении управления экспериментом. Это отслеживает производительность субъекта и сравнивает ее с ранее установленными критериями. Желаемые параметры автоматически обновляются, если производительность животного соответствует этим критериям. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл. Дополнительный файл 4: Скрипт для функции “DataProc” в программном обеспечении управления экспериментом. Это обрабатывает все собранные данные и генерирует простые графики для быстрого анализа. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл. Дополнительный файл 5: Скрипт для функции “Код”. Это включает в себя подробное описание одного испытания и всех возможных исходов, которые повторяются на протяжении всего эксперимента. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Discussion

Настоящий протокол направлен на разработку и тестирование недорогой и полностью настраиваемой альтернативы стандартному, коммерчески доступному 5-выборному устройству последовательного времени реакции. Как правило, коммерчески доступные типы аппаратов предоставляют ограниченный набор функций по мере необходимости для проведения стандартных исследований 5-CSRTT. Из-за этого нестандартные изменения в конкретном дизайне испытания, такие как изменения в последовательности испытаний или комбинациях целевых стимулов, обычно невозможны. Кроме того, многие из доступных типов аппаратов поставляются со специфическим, закрытым программным обеспечением, которое может не обеспечить доступ ко всем поведенческим данным эксперимента, таким как время и апертурное число преждевременных и персеверативных ответов. В отличие от этого, жизненно важным преимуществом представленного здесь набора инструментов является – помимо его низкой стоимости – возможность реализации многих различных пробных проектов и исследовательских парадигм. В настоящее время набор инструментов поддерживает определение нескольких конструкций стимулов, таких как разрешение затемненных стимулов и использование двух систем доставки гранул и зависимость вознаграждения от времени реакции. Он также поддерживает использование миниатюрного динамика для слуховой обратной связи. Тем не менее, основная цель состоит в том, чтобы позволить легко модифицировать последовательность испытаний в соответствии с целью пользователя, например, введение затемненных освещенных отверстий и полезных графиков для принятия решений задач или интеграция современных подходов к обучению с положительным подкреплением¹¹. Кроме того, все необработанные данные, полученные в ходе сеанса, становятся доступными для дальнейшего анализа. Набор инструментов предоставляет функцию Staircase для автоматизированного поведенческого обучения, которая также полностью настраивается и позволяет пользователю изменять критерии для каждого обновления уровня, количество уровней обучения и параметры, подлежащие обновлению. Кроме того, сам аппарат легко адаптируется, и изменения в конструкции испытания и компоновке камеры легко осуществимы, что позволяет применять парадигму 5-CSRTT к видам животных, которые нуждаются в ином дизайне исследования, чем то, что предлагают коммерчески доступные типы аппаратов.

Определенные части протокола для настройки программного обеспечения имеют решающее значение для обеспечения бесперебойного рабочего процесса: особенно в первый день эксперимента решающее значение имеет подготовка как аппаратного обеспечения, так и программного обеспечения для управления экспериментом (шаги 2 и 3) и конфигурация шага 5.3. Обеспечение правильной работы соединения последовательного порта между оборудованием микроконтроллера, его программным обеспечением и программным обеспечением для управления экспериментом имеет решающее значение для создания полностью функционирующего набора инструментов 5-CSRTT. В начале каждого экспериментального дня рекомендуется повторять три шага, упомянутые выше, чтобы убедиться, что аппаратное обеспечение и сценарии управления экспериментом настроены правильно.

Наконец, текущим ограничением набора инструментов является его реализация на одной эксклюзивной платформе программирования, что, к сожалению, ставит под угрозу его использование в качестве полного набора инструментов с открытым исходным кодом. Тем не менее, в принципе, набор инструментов должен быть легко адаптирован к другим языкам программирования, таким как Python, поскольку ход одного испытания остается неизменным.

По сравнению с существующими альтернативными методами, набор инструментов 5-CSRTT, представленный здесь, позволяет реализовать стандартную парадигму 5-CSRTT и ее модификации, такие как определение заданного временного окна для персеверативных ответов или введение отвлекающих или усиливающих стимулов, таких как динамики или мигающие огни. В дополнение к тому, что он прост в использовании и легко адаптируется, аппарат является недорогим и может быть легко воспроизведен, и он стимулирует исследования с использованием моделей животных, не являющихся грызунами.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Эта работа поддерживается 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

Bari, A., Dalley, J. W., Robbins, T. W. The application of the 5-choice serial reaction time task for the assessment of visual attentional processes and impulse control in rats. Nature Protocols. 3 (5), 759-767 (2008).
Asinof, S. K., Paine, T. A. The 5-choice serial reaction time task: a task of attention and impulse control for rodents. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (90), e51574 (2014).
Higgins, G. A., Silenieks, L. B. Rodent Test of Attention and Impulsivity: The 5-Choice Serial Reaction Time Task. Current Protocols in Pharmacology. 78 (1), 1-34 (2017).
Humby, T., Wilkinson, L., Dawson, G. Assaying aspects of attention and impulse control in mice using the 5-choice serial reaction time task. Current Protocols in Neuroscience. 31 (1), 1-15 (2005).
Robbins, T. The 5-choice serial reaction time task: behavioural pharmacology and functional neurochemistry. Psychopharmacology. 163 (3-4), 362-380 (2002).
Amitai, N., Markou, A. Disruption of performance in the five-choice serial reaction time task induced by administration of N-methyl-D-aspartate receptor antagonists: relevance to cognitive dysfunction in schizophrenia. Biological Psychiatry. 68 (1), 5-16 (2010).
Fizet, J., Cassel, J. C., Kelche, C., Meunier, H. A review of the 5-Choice Serial Reaction Time (5-CSRT) task in different vertebrate models. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 71, 135-153 (2016).
Spinelli, S., et al. Performance of the marmoset monkey on computerized tasks of attention and working memory. Cognitive Brain Research. 19 (2), 123-137 (2004).
Parker, M. O., et al. Development and automation of a test of impulse control in zebrafish. Frontiers in Systems Neuroscience. 7, 65 (2013).
Birtalan, E., Bánhidi, A., Sanders, J. I., Balázsfi, D., Hangya, B. Efficient training of mice on the 5-choice serial reaction time task in an automated rodent training system. Scientific Reports. 10 (1), 1-8 (2020).
Fischer, B., Wegener, D. Emphasizing the "positive" in positive reinforcement: using nonbinary rewarding for training monkeys on cognitive tasks. Journal of Neurophysiology. 120 (1), 115-128 (2018).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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).