マルチ認知機能のテストとげっ歯類の神経活動を記録するための完全に自動化された汎用性の高いシステム

この手順の全体的な目的は、複数の脳機能を調査するために、ラットに一連のタスクを遂行させる訓練を行うことです。まず、ラットを行動チャンバーに慣らします。次のステップでは、報酬としてフードペレットを得るためにレバーを押すようラットを訓練します。

次に、ラットがノーズポークホールに頭を入れることで、隠されたレバーが出現するように訓練します。最後のステップは、ラットに感覚手がかりを認識させ、その手がかりによって示された正しいレバーを押すように訓練することです。最終的に、ラットは報酬を得るためのこれら一連のタスクを習得します。

私たちは、行動テストと神経活動記録を完全に自動化したシステムを開発しました。このシステムを用いることで、複数の脳機能を調査することが可能です。本システムのユニークな特徴は、特注の音響透過性チャンバーを備えていることであり、これは聴覚タスクのトレーニングに最適です。

このシステムのもう一つの特徴は、異なるオペラント装置を容易に追加できることであり、これによりシステムは非常に汎用性が高く、さまざまな聴覚的、視覚的、および視聴覚的な行動課題の実装が可能になります。本システムは、二重壁の防音室、多チャンネル電気生理学的記録システム、および完全自動化された行動試験システムの3つの主要コンポーネントで構成されています。防音室の中には、カスタム設計のオペランチャンバーが設置されています。

このチャンバーは、3枚の音響透過壁と、行動をモニターおよび記録するためのモジュール式操作パネルで構成されています。ビデオカメラはチャンバー内の操作パネル上部に設置されています。インターフェースボックスにより、チャンバーとコンピュータの間で信号が相互に送信されます。

聴覚刺激は、校正済みのプログラマブル・オーディオジェネレーターによって生成され、操作パネル上の3つのスピーカーを通じて提示されます。視覚刺激については、中央パネルとサイドパネルに刺激灯1つと3連刺激ディスプレイ2つが配置されています。中央パネルの下部には、3色のLEDライトを備えたノーズポーク装置が取り付けられています。ノーズポークユニット内に設置された赤外線検出器により、ノーズポークの回数および保持時間が記録されます。

操作部の両側に、2回の期間で取り外しおよび格納が可能な反応レバーが設置されています。報酬のペレットは、ペレット容器にフードを投入する2台のペレットディスペンサーによって提供されます。チャンバーの底部には4対の赤外線ビームが配置されており、動物の位置を検知するとともに、その位置に基づいて装置を制御します。

最後に、ヘッドステージからのケーブルをコマテータに接続し、神経活動を記録します。実験プロトコルは、Med PC fourソフトウェアプラットフォームで作成されたプログラムにより完全に自動化されています。行動データは保存され、Microsoft Excelファイルに変換された後、matlabにインポートされて解析されます。

トレーニングを開始する前に、動物の体重がベースラインの90%になるまで食事制限を行います。順化のためにチャンバーを準備するには、レバーを格納し、ノーズポーク穴をゴムストッパーで塞ぎ、各ペレット受皿に約20個の餌ペレットを入れます。その後、未経験の動物をチャンバーに入れ、順化させます。

ラットはまもなくフードカップを探索し、ペレットを食べ始めます。両方のフードカップが空になったら、ソフトウェアを使用して各トレイにペレットを1粒ずつ払い出します。これにより、ラットはフードとカップを関連付けることを学習します。

各フードカップにランダムにペレットを給仕し、ラットにチャンバーの両側へ移動させます。通常、1セッションでフードカップへの連合を形成させるのに十分です。新しいセッションでは、両方のレバーをチャンバー内に伸ばし、フードカップは空の状態にします。次に、馴化したラットをチャンバーに入れます。

動物がレバーの付近に入ったとき、ペレットを給餌します。また、ラットがレバーを嗅ぐ、触れる、登るなど、レバーに興味を示したときにも報酬を与えてください。不意にレバーを押した場合にも、報酬を与えるようにします。

レバー押しを促し、両方のレバーを探索させるため、動物が各レバーを連続して一定回数押すと、その制限回数に達した時点でレバーを格納します。その後、両方のレバーを再度展開してこの手順を繰り返します。レバーを押すごとに格納されるようになるまで、徐々に制限回数を減らしてください。

レバー押しと報酬（餌）の連合を形成させるには、通常1〜2セッションで十分です。新しいセッションでは、レバーを回収します。

ノーズポーク穴からゴムストッパーを取り外し、ノーズポーク装置の中にフードペレットを数粒入れます。動物をチャンバーに戻し、2本のレバーのうちどちらか一方をランダムに展開します。

ラットが餌ペレットを求めてノーズポーク穴を嗅ぎ、突き出たレバーを目にすると、ラットは近づいてレバーを押し、餌ペレットを得ます。レバーが押され報酬が提供された後、レバーを格納して、ラットにノーズポーク装置を探索させるように促します。通常、ラットが「ノーズ、ポーク、レバー、プッシュ」という報酬獲得のタスクシーケンスを学習するのに、30分間のセッションを1回必要とします。

別の新しいセッションで、動物をチャンバーに入れ、Qトレーニングを開始します。動物がノーズポークを行った後、特有の聴覚キューを提示します。右と左の両方のレバーを伸展させます。

各聴覚刺激の提示後、聴覚刺激で指示されたレバーを押した時にのみラットに報酬を与えます。これにより、動物は徐々に特定の聴覚刺激を関連付けることを学習します。1本のレバーを用いて、動物が意図したトレーニングの全シーケンス（ノーズポーク、刺激提示、レバー押し、報酬または報酬なし）を実行できるようにする必要があります。

ラットが新しく学習したタスクを繰り返し練習し、パフォーマンスが安定するまで行います。セッション時間は30分間に制限します。このシステムを用いて、ラットの周波数識別閾値を調べる2肢択一式のピッチ識別タスクを実施することが可能です。

ラットに、聴覚的手がかりで示された正しいレバーを素早く押すよう訓練した後、聴覚学習曲線が得られます。各色の線は、個々の動物の識別周波数の変動を表しています。濃い色の線は、平均学習曲線を表しています。

平均して、75%の正答率（Criterion）に到達するまでに約7回のトレーニングセッションを要しました。このタスクにおける動物の行動は、聴覚キューの提示からの反応時間、試行間間隔、およびパフォーマンスの経時的ダイナミクスを含む、いくつかの指標によって定量的に特徴づけることができます。また、このシステムを用いて、複数の認知脳機能についての調査を行うことも可能です。

上のキャプションは、1回の試行における各動作を順に説明しています。下のキャプションは、電気生理学と組み合わせることで研究可能な認知行動機能を示しています。また、これらの認知行動機能の神経基盤の記録についても研究することが可能です。

このプロットは、2肢選択音高識別タスクを行うラットの nucleus space ssus で記録されたニューロンを示しています。このプロットでは腹側分節領域で記録されたニューロンを示していますが、本手順を試みる際は、ラット個体間の差異、行動特性、および認知能力に細心の注意を払うことが重要であり、最善の訓練結果を得るためには訓練手順とパラメータを個別に最適化させるべきです。本システムは主に聴覚系の研究のために開発されましたが、視覚系や、モチベーション、注意、忍耐、報酬などの多様な認知脳機能を研究するために、他の研究においても容易に適応させることが可能です。