מערכת אוטומטי לחלוטין תכליתי מאוד עבור בדיקת ריבוי פונקציות קוגניטיביות ורישום פעילות עצבית במכרסמים

המטרה הכללית של הליך זה היא לאמן חולדה לבצע רצף של משימות שבאמצעותן ניתן לחקור תפקודי מוח מרובים. דבר זה מושג תחילה על ידי אקלימציה של החולדות לתא ההתנהגותי. השלב השני הוא אימון החולדה ללחוץ על מנוף כדי לקבל כופתאות מזון כגמול.

בשלב הבא, החולדות מאומנות לחשוף ידית נסתרת על ידי דחיפת ראשן לתוך חור ה-nose poke. השלב הסופי הוא אימון החולדות לזהות רמז חושי ולאחר מכן ללחוץ על הידית הנכונה שהורתה על ידי הרמז. בסופו של דבר, החולדות לומדות את כל רצף המטלות שמטרתן היא השגת הגמולים.

פיתחנו מערכת אוטומטית לחלוטין לבדיקות התנהגותיות ולהקלטת פעילות עצבית. באמצעות מערכת זו, ניתן לחקור תפקודי מוח מרובים. המאפיין הייחודי של מערכת זו הוא תא שקוף אקוסטית שהוזמן בהתאמה אישית, אשר אידיאלי לאימון במשימות שמיעתיות.

מאפיין נוסף של מערכת זו הוא שניתן להוסיף בקלות התקני תגובה (operant devices) שונים, מה שהופך את המערכת לגמישה למדי ומאפשר יישום של מגוון משימות התנהגותיות שמיעתיות, חזותיות ואודיו-ויזואליות. המערכת מורכבת משלושה רכיבים עיקריים: חדר אקוסטי בעל דפנות כפולות, מערכת הקלטה אלקטרופיזיולוגית רב-ערוצית ומערכת בדיקה התנהגותית אוטומטית לחלוטין. בתוך החדר האקוסטי ממוקמת תא תגובה (operant chamber) בעיצוב מותאם אישית.

התא מורכב משלושה קירות שקופים אקוסטית ומלוח פניעת תפעול מודולרי לניטור והקלטת התנהגות. מצלמה מותקנת מעל התא. קופסת ממשק מעבירה אותים הלוך וחזור בין התא לבין מחשב.

רמזים קוליים מופקים על ידי מחולל שמע תכנותי ומכויל, והם מועברים באמצעות שלושה רמקולים הממוקמים על פאנל התפעול עבור רמזים חזותיים; נורית גירוי ושני תצוגות גירוי משולשות ממוקמות בפנלים המרכזי והצדדיים. התקן דחיקת אף (nose poke) בעל שלוש נורות LED צבעוניות מותקן בתחתית הפאנל המרכזי. גלאי אינפרא-אדום המותקן בתוך יחידת דחיקת האף מתעד את פעולת דחיקת האף וההחזקה.

שני מנופי תגובה נשלפים וניתנים להסרה מותקנים בכל צד של אזור הפעולה. תגמולים בלוח מוענקים על ידי שני מדפי pellets המפילים מזון אל תוך קולטני ה-pellets. ארבעה זוגות של קרני אינפרא-אדום ממוקמים בתחתית התא כדי להצביע על מיקומו של בעל החיים ולשלוט במכשירים בהתבסס על מיקומו.

לבסוף, כבלים מהבמה הראשית (head stage) מחוברים למסובב (commutator) להקלטת פעילות עצבית. הפרוטוקול הניסיוני ממוטב באופן מלא באמצעות תוכניות שנוצרו בתוך פלטפורמת התוכנה Med PC four. נתונים התנהגותיים נשמרים ומומרים לקובצי Microsoft Excel, ולאחר מכן מיובאים ומנותחים באמצעות matlab.

לפני האימון, הגביל את צריכת המזון עד שמשקל בעל החיים יהיה 90% מהמשקל הבסיסי. כדי להכין את התא להסתגלות, הגבה את המנופים, חסום את חור הנקירה של האף עם פקק גומי, והנח כ-20 כופתית מזון לתוך כל קולטן כופתיות. כעת הנח בעל חיים נאיבי בתא לצורך הסתגלות.

החולדה תתחיל במהרה לחקור את כוסות האוכל ולאכול את הגרגירים. כאשר שתי כוסות האוכל יהיו ריקות, השתמש בתוכנה כדי להנפיק גרגיר בודד לכל תבנית. באופן זה, החולדה תלמד לקשר בין האוכל לבין הכוס.

הכריחו את החולדה לנוע לשני צדי התא על ידי חלוקה אקראית של כופתיות לכל אחד מכוסות האוכל. סשן אחד בדרך כלל מספיק כדי לבסס את ההקשר של כוס האוכל (Food Cup Association). בסשן חדש, הניחו את שני המנופים בתוך התא והשאירו את כוס האוכל ריקה. לאחר מכן, הכניסו חולדה שהתאקלמה אל התא.

כאשר בעל החיים נכנס לסביבת המנוף, יש להגיש כדור מזון (pellet). יש להעניק תגמולים גם כאשר החולדה מגלה עניין במנוף, כגון הרחה, נגיעה או טיפוס. לחיצה מקרית על המנוף צריכה אף היא להוביל לתגמול.

כדי לעודד לחיצה על המנופים ולהכריח חקירה של שני המנופים, אפשרו לבעל החיים ללחוץ על כל מנוף באופן עקבי מספר מוגבל של פעמים; כאשר הגבלה זו הושגה, הסיגו את המנוף. הוציאו את שני המנופים כדי לחזור על הפרוצדורה. הפחיתו בהדרגה את הגבלה עד שהמנוף יסוג בכל פעם שילחצו עליו.

בדרך כלל מספיקים מפגש אחד או שניים כדי לבסס את הקשר בין הלחיצה על המנוף לבין קבלת התגמול במזון. במפגש חדש, החזירו את המנופים.

הסיר את פקק הגומי מחור ה-nose poke, והנח מספר כופליות מזון בתוך מכשיר ה-nose poke. החזר את בעל החיים לתא והוצא באופן אקראי את אחד משני המנופים.

כאשר החולדה מריחה את חור ה-nose poke כדי לקבל כופליות מזון, ובראותה את המנוף המוסט, היא תגש ותדחף את המנוף כדי להשיג כופליית מזון. לאחר הלחיצה והגשת התגמול, החזר את המנוף למקומו כדי לעודד את החולדה לחקור את התקן ה-nose poke. בדרך כלל נדרש מפגש אחד של 30 דקות כדי שהחולדה תלמד את רצף המטלה: nose poke, דחיפת מנוף ותגמולים.

בסשן חדש נוסף, הכניסו את בעל החיים לתא כדי להתחיל באימון Q. לאחר שבעל החיים יבצע אירוע של דחיפת אף (nose poke), השמיעו רמז שמע מובחן. הרחיבו הן את המנוף הימני והן את המנוף השמאלי.

לאחר כל הצגת רמז שמיעתי, גמלו את החולדה רק כאשר היא לוחצת על המנוף המצוין על ידי הרמז השמיעתי; בעל החיים ילמד בהדרגה לקשר רמז שמיעתי ספציפי למנוף אחד. כעת בעל החיים אמור להיות מסוגל לבצע את רצף האימון המלא המיועד: נגיעה באף (nose poke), רמז, לחיצה על המנוף, גמול או אי-גמול.

אפשרו לחולדה לתרגל את המשימה שנלמדה עד להשגה של רמת ביצועים עקבית. המפגש מוגבל ל-30 דקות. ניתן להשתמש במערכת זו לביצוע משימה של בחירה בין שתי חלופות להבחנה בין גבהים (pitch discrimination), הבוחנת את סף ההבחנה בתדר של החולדה.

לאחר אימון החולדות ללחוץ במהירות על המנוף הנכון כפי שהוצג על ידי רמז שמיעתי, מתקבלת עקומת למידה שמיעתית. כל קו צבעוני מייצג את וריאציות תדר ההבחנה של חיה בודדת. הקו הכהה מייצג את עקומת הלמידה הממוצעת.

בממוצע, נדרשו כמעט שבעה מפגשי אימון כדי להגיע לשיעור פגיעה של 75% כקריטריון. ניתן לאפיין כמותית את התנהגות החיה במטלה זו באמצעות מספר מדדים, כולל זמן התגובה ביחס לתחילת הרמז השמיעתי, המרווח בין ניסויים, והדינמיקה הזמנית של הביצועים. ניתן לחקור באמצעות מערכת זו גם תפקודי מוח קוגניטיביים מרובים.

הכתוביות העליונות מתארות כל פעולה ברצף של ניסוי אחד. הכתוביות התחתונות מצביעות על התפקודים הקוגניטיביים-התנהגותיים שניתן לחקור בשילוב עם אלקטרופיזיולוגיה. ניתן להגדיר גם את הבסיס העצבי של התפקודים הקוגניטיביים-התנהגותיים באמצעות הקלטה.

תרשים זה מציג נוירון שנמדד בגרעין ה-space ssus של חולדה המבצעת את משימת הבחנה בין שני גווני צליל (two alternative choice pitch discrimination). בעוד שתרשים זה מציג נוירון שנמדד באזור הסגמנטלי הוונטרלי, בעת ניסיון לבצע הליך זה חשוב להקדיש תשומת לב רבה להבדלים בין החולדות למאפייני ההתנהגות והיכולת הקוגניטיבית שלהן; יש להתאים את נהלי האימון והפרמטרים באופן פרטני כדי להשיג את תוצאות האימון הטובות ביותר. למרות שפיתחנו מערכת זו בעיקר למחקר של מערכת השמיעה, היא יכולה להיות מותאמת בקלות על ידי חוקרים אחרים למחקר של מערכת חזותית ותפקודי מוח קוגניטיביים מרובים, כגון מוטיבציה, קשב, סבלנות ותגמולים.