Un système entièrement automatisé et hautement polyvalent pour Test Multi-Fonctions cognitives et l'enregistrement des activités neuronales chez les rongeurs

L'objectif général de cette procédure est d'entraîner un rat à exécuter une séquence de tâches permettant d'étudier plusieurs fonctions cérébrales. Cela est réalisé en habituant d'abord les rats à la chambre comportementale. La deuxième étape consiste à entraîner le rat à actionner un levier afin d'obtenir des granulés alimentaires en récompense.

Ensuite, les rats sont entraînés à révéler un levier caché en introduisant leur tête dans l'orifice de pénétration nasale. La dernière étape consiste à entraîner les rats à reconnaître un signal sensoriel, puis à actionner le levier correct indiqué par la séquence. À terme, les rats apprennent toute la séquence des tâches visant à obtenir les récompenses.

Nous avons mis au point un système entièrement automatisé pour les tests comportementaux et l'enregistrement de l'activité neuronale. À l'aide de ce système, plusieurs fonctions cérébrales peuvent être étudiées. La particularité unique de ce système réside dans une chambre transparente sur le plan acoustique, conçue sur mesure, idéale pour l'apprentissage de tâches auditives.

Une autre caractéristique de ce système est que différents dispositifs opérants peuvent être facilement ajoutés, ce qui rend le système très polyvalent et permet la mise en œuvre d'une grande variété de tâches comportementales auditives, visuelles et audiovisuelles. Le système est composé de trois éléments principaux : une chambre insonorisée à double paroi, un système d'enregistrement électrophysiologique multicanal et un système de test comportemental entièrement automatisé. Une chambre d'opéra sur mesure est installée à l'intérieur de la pièce insonorisée.

La chambre est constituée de trois parois acoustiquement transparentes et d'un panneau opérationnel modulaire permettant de surveiller et d'enregistrer le comportement. Une caméra vidéo est montée au-dessus de la chambre. Une boîte d'interface transmet des signaux entre la chambre et un ordinateur.

Les stimuli auditifs sont générés par un générateur audio programmable étalonné et délivrés par trois haut-parleurs situés sur le panneau de commande pour les stimuli visuels, une lumière de stimulation et deux affichages triple stimulus sont situés sur les panneaux central et latéraux. Un dispositif de piquage nasal équipé de trois diodes électroluminescentes de couleur est monté en bas du panneau central. Un détecteur infrarouge installé dans l'unité de piquage nasal enregistre le piquage et la maintien du museau.

Des leviers de réponse amovibles et escamotables de période deux sont montés de chaque côté de l'appareil. Les récompenses sont fournies par deux distributeurs de granulés qui laissent tomber la nourriture dans les réceptacles à granulés. Quatre paires de faisceaux infrarouges sont placées en bas de la chambre afin d'indiquer la position de l'animal et de commander des dispositifs en fonction de la position de l'animal.

Enfin, les câbles d'une tête d'enregistrement sont reliés à un commutateur pour l'enregistrement de l'activité neuronale. Le protocole expérimental est entièrement automatisé à l'aide de programmes créés dans la plateforme logicielle Med PC four. Les données comportementales sont enregistrées et converties en fichiers Microsoft Excel, puis importées et analysées avec matlab.

Avant l'entraînement, limiter l'ingestion de nourriture jusqu'à ce que le poids de l'animal atteigne 90 % de sa valeur initiale. Pour préparer la chambre à l'acclimatation, rentrer les leviers, boucher le trou de sollicitation nasale avec un bouchon en caoutchouc et placer environ 20 pastilles alimentaires dans chaque réceptacle à pastilles. Placer ensuite un animal naïf dans la chambre pour l'acclimatation.

Le rat commencera bientôt à explorer les godets alimentaires et à manger les pastilles. Lorsque les deux godets sont vides, utilisez le logiciel pour distribuer une seule pastille dans chaque plateau. Ce faisant, le rat apprendra à associer la nourriture au godet.

Forcer le rat à se déplacer des deux côtés de la chambre en distribuant aléatoirement des granulés dans chaque cupule alimentaire. Une seule session est généralement suffisante pour établir l'association à la cupule alimentaire. Dans une nouvelle session, sortir les deux leviers dans la chambre et laisser la cupule alimentaire vide. Placer ensuite un rat habitué dans la chambre.

Lorsque l'animal entre dans le voisinage d'un levier, distribuez une pastille. Accordez également des récompenses lorsque le rat manifeste de l'intérêt pour le levier, par exemple en le reniflant, en le touchant ou en y grimpant. Une pression accidentelle sur le levier doit également déclencher une récompense.

Pour encourager l'appui sur les leviers et forcer l'exploration des deux leviers, permettez à l'animal d'actionner chaque levier consécutivement un nombre limité de fois ; lorsque cette limite est atteinte, retirez le levier. Réétendez les deux leviers pour répéter la procédure. Diminuez progressivement la limite jusqu'à ce que le levier se retire à chaque pression.

Une à deux séances sont généralement suffisantes pour établir l'association levier-récompense alimentaire. Dans une nouvelle séance, rétractez les leviers.

Retirez le bouchon en caoutchouc du trou de pénétration nasale et placez plusieurs pastilles alimentaires dans le dispositif de pénétration nasale. Réintroduisez l'animal dans la chambre et faites sortir l'un des deux leviers au hasard.

Lorsque le rat renifle l'ouverture du dispositif de piquage nasal pour obtenir des pastilles alimentaires et voit le levier sorti, il s'approche et pousse le levier afin d'obtenir une pastille. Une fois que le levier est enfoncé et que la récompense est distribuée, rentrez le levier pour encourager le rat à explorer le dispositif de piquage nasal. Il faut généralement une seule session de 30 minutes pour qu'un rat apprenne la séquence de la tâche : piquage nasal, levier, poussée, récompense.

Dans une autre session nouvelle, placer l'animal dans la chambre pour commencer l'entraînement Q. Après qu'un événement de piquage du nez est effectué par l'animal, diffuser un signal auditif distinct. Sortir les deux leviers droit et gauche.

Après chaque présentation d'un signal auditif, récompensez le rat uniquement lorsqu'il actionne le levier indiqué par le signal auditif ; l'animal apprendra progressivement à associer un signal auditif spécifique à un levier donné. L'animal devrait désormais être capable d'effectuer la séquence complète prévue de l'entraînement : introduction du museau, stimulation du trou, signal, pression sur le levier, récompense ou absence de récompense.

Laisser le rat s'exercer à la tâche nouvellement apprise jusqu'à l'atteinte d'un niveau de performance constant. La séance est limitée à 30 minutes. Ce système peut être utilisé pour réaliser la tâche de discrimination de hauteur sonore à choix alternatif, qui examine le seuil de discrimination de fréquence d'un rat.

Après avoir entraîné les rats à appuyer rapidement sur le levier correct indiqué par un signal auditif, on obtient une courbe d'apprentissage auditive. Chaque ligne colorée représente les variations de la fréquence de discrimination d'un animal individuel. La ligne foncée représente la courbe d'apprentissage moyenne.

En moyenne, environ sept séances d'entraînement ont été nécessaires pour atteindre un taux de réussite de 75 %. Le comportement de l'animal dans cette tâche peut également être caractérisé quantitativement par plusieurs mesures, notamment le temps de réaction par rapport au début de la stimulation auditive, l'intervalle inter-essai et la dynamique temporelle de la performance. De multiples fonctions cérébrales cognitives peuvent également être étudiées à l'aide de ce système.

Les légendes supérieures décrivent chaque action en séquence au cours d'un essai. Les légendes inférieures indiquent les fonctions comportementales cognitives qui peuvent être étudiées en association avec l'électrophysiologie. L'enregistrement des bases neuronales de ces fonctions comportementales cognitives peut également être étudié.

Ce graphique montre un neurone enregistré dans l'espace nucléaire ssus d'un rat effectuant une tâche de discrimination de hauteur sonore à choix alternatif. Bien que ce graphique illustre un neurone enregistré dans la zone segmentaire ventrale, il est important, lors de la réalisation de cette procédure, de prêter une attention particulière aux différences entre les rats, à leurs caractéristiques comportementales et à leurs capacités cognitives ; les protocoles et paramètres d'entraînement doivent être individualisés pour obtenir les meilleurs résultats. Bien que nous ayons développé ce système principalement pour l'étude du système auditif, il peut facilement être adapté par d'autres chercheurs pour étudier le système visuel ainsi que diverses fonctions cérébrales cognitives telles que la motivation, l'attention, les patients et les récompenses.