여러인지 기능을 테스트 및 설치류에의 연결 활동을 녹음하기위한 완전 자동화된 고도 다목적 시스템

이 실험 절차의 전반적인 목표는 여러 뇌 기능을 조사할 수 있도록 일련의 과제를 수행하도록 쥐를 훈련시키는 것입니다. 이는 먼저 쥐를 행동 챔버에 적응시킴으로써 이루어집니다. 두 번째 단계는 쥐가 보상으로 먹이 펠릿을 얻기 위해 레버를 누르도록 훈련시키는 것입니다.

다음으로, 쥐가 노즈 포크 홀(nose poke hole)에 머리를 밀어 넣어 숨겨진 레버가 나타나도록 훈련시킵니다. 마지막 단계는 쥐가 감각 단서를 인식하고 해당 단서가 지시하는 올바른 레버를 누르도록 훈련시키는 것입니다. 궁극적으로, 쥐는 보상을 얻기 위한 일련의 전체 과제 수행 과정을 학습하게 됩니다.

당사는 행동 테스트와 신경 세포 활동 기록을 위한 완전 자동화 시스템을 개발하였습니다. 이 시스템을 통해 다양한 뇌 기능을 조사할 수 있습니다. 이 시스템의 독특한 특징은 맞춤 제작된 음향 투과 챔버로, 이는 청각 과제 훈련에 이상적입니다.

이 시스템의 또 다른 특징은 다양한 조작 장치를 쉽게 추가할 수 있다는 점으로, 이를 통해 청각, 시각 및 시청각 행동 과제를 다양하게 구현할 수 있어 시스템의 활용도가 매우 높습니다. 시스템은 이중벽 방음실, 다채널 전기생리학적 기록 시스템, 그리고 완전 자동화된 행동 테스트 시스템의 세 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있습니다. 맞춤 설계된 조작 챔버가 방음실 내부에 배치되어 있습니다.

챔버는 3개의 음향 투과성 벽면과 행동을 모니터링하고 기록하기 위한 하나의 모듈식 조작 패널로 구성됩니다. 비디오 카메라는 챔버 내 조작 패널 상단에 설치되어 있습니다. 인터페이스 박스는 챔버와 컴퓨터 사이에서 신호를 상호 전송합니다.

청각 자극은 보정된 프로그래밍 가능 오디오 발생기에 의해 생성되며, 조작 패널에 위치한 3개의 스피커를 통해 전달됩니다. 시각 자극을 위한 자극 표시등 1개와 3중 자극 디스플레이 2개는 중앙 및 측면 패널에 배치되어 있습니다. 3색 LED 등이 장착된 노즈 포크(nose poke) 장치가 중앙 패널 하단에 설치되어 있습니다. 노즈 포크 유닛 내부에 설치된 적외선 검출기는 노즈 포크 동작 및 유지 시간을 기록합니다.

두 시기 동안 사용 가능한 제거 및 수축 가능 반응 레버가 작동부의 양측에 장착되어 있습니다. 패널 보상은 두 개의 펠릿 디스펜서를 통해 제공되며, 이를 통해 펠릿 수거함으로 먹이가 떨어집니다. 챔버 바닥에는 4쌍의 적외선 빔이 배치되어 동물의 위치를 나타내는 동시에 동물의 위치에 따라 장치를 제어합니다.

마지막으로, 헤드 스테이지의 케이블을 정류자(commutator)에 연결하여 신경 세포 활동을 기록합니다. 실험 프로토콜은 Med PC four 소프트웨어 플랫폼 내에서 생성된 프로그램을 통해 완전히 자동화됩니다. 행동 데이터는 저장 후 Microsoft Excel 파일로 변환되며, 이후 matlab으로 가져와 분석됩니다.

훈련 전, 동물의 체중이 기초 체중의 90%가 될 때까지 음식 섭취를 제한합니다. 순응을 위해 챔버를 준비하려면, 레버를 후퇴시키고 고무 마개로 노즈 포크(nose poke) 구멍을 막은 뒤, 각 펠렛 수용기에 약 20개의 먹이 펠렛을 넣으십시오. 이제 숙련되지 않은 동물을 순응을 위해 챔버에 넣습니다.

곧 쥐가 먹이 컵을 탐색하고 펠릿을 먹기 시작할 것입니다. 두 먹이 컵이 모두 비면, 소프트웨어를 사용하여 각 트레이에 펠릿 한 알씩을 투입하십시오. 이 과정을 통해 쥐는 먹이와 컵을 연관 지어 학습하게 됩니다.

각 먹이 컵에 펠릿을 무작위로 제공하여 쥐가 챔버의 양쪽으로 이동하도록 유도합니다. 일반적으로 한 세션이면 먹이 컵 연합(Food Cup Association)을 형성하기에 충분합니다. 새로운 세션에서는 두 레버를 모두 챔버 안으로 확장시키고 먹이 컵은 비워 둡니다. 그런 다음 순응된 쥐를 챔버에 넣습니다.

동물이 레버 근처로 다가가면 펠렛을 제공하십시오. 또한 쥐가 냄새를 맡거나, 만지거나, 올라타는 등 레버에 관심을 보일 때도 보상을 제공하십시오. 실수로 레버를 누른 경우에도 보상이 제공되어야 합니다.

레버 누르기를 유도하고 두 레버를 모두 탐색하도록 강제하기 위해, 동물이 각 레버를 연속으로 제한된 횟수만큼 누를 수 있게 하고, 제한 횟수에 도달하면 레버를 회수합니다. 다시 두 레버를 확장하여 이 절차를 반복합니다. 레버를 누를 때마다 매번 회수될 때까지 제한 횟수를 점진적으로 줄입니다.

일반적으로 레버-음식 보상 연합을 형성하는 데에는 한두 번의 세션이면 충분합니다. 새로운 세션에서는 레버를 회수하십시오.

노즈 포크 구멍에서 고무 마개를 제거하고, 노즈 포크 장치 안에 먹이 펠릿을 여러 개 넣습니다. 동물을 다시 챔버에 넣고, 두 개의 레버 중 하나를 무작위로 확장합니다.

쥐가 먹이 펠릿을 찾기 위해 노즈 포크(nose poke) 구멍의 냄새를 맡고 돌출된 레버를 확인하면, 쥐는 레버로 다가가 이를 밀어 먹이 펠릿을 얻게 됩니다. 레버가 눌리고 보상이 제공된 후에는 레버를 다시 회수하여 쥐가 노즈 포크 장치를 계속 탐색하도록 유도합니다. 쥐가 '코 찌르기, 레버 밀기, 보상'으로 이어지는 과제 순서를 학습하는 데는 보통 30분 분량의 세션 한 번이 소요됩니다.

새로운 세션에서, Q 훈련을 시작하기 위해 동물을 챔버에 넣습니다. 동물이 노즈 포크(nose poke) 동작을 수행하면, 뚜렷한 청각 신호를 재생합니다. 오른쪽과 왼쪽 레버를 모두 확장합니다.

각 청각 자극 제시 후, 쥐가 해당 청각 자극으로 표시된 레버를 눌렀을 때만 보상을 제공하면, 동물은 점진적으로 특정 청각 자극과 레버를 연관시키는 법을 학습하게 됩니다. 이제 동물은 노즈 포크(nose poke), 자극 제시, 레버 누르기, 보상 또는 무보상으로 이어지는 의도된 전체 훈련 시퀀스를 수행할 수 있어야 합니다.

쥐가 일관된 수행 수준에 도달할 때까지 새로 학습한 과제를 연습하게 합니다. 세션 시간은 30분으로 제한합니다. 이 시스템은 쥐의 주파수 변별 임계값을 조사하는 두 가지 대안 선택 피치 변별 과제를 수행하는 데 사용할 수 있습니다.

청각 신호로 표시된 올바른 레버를 빠르게 누르도록 쥐를 훈련시킨 후, 청각 학습 곡선을 얻습니다. 각 색상의 선은 개별 동물의 변별 주파수 변화를 나타냅니다. 검은색 선은 평균 학습 곡선을 나타냅니다.

평균적으로 75%의 정답률 기준에 도달하는 데 약 7회의 훈련 세션이 소요되었습니다. 이 과제에서의 동물 행동은 청각 신호 시작 대비 반응 시간, 시도 간 간격 및 수행의 시간적 역동성을 포함한 여러 측정 항목을 통해 정량적으로 특성화될 수 있습니다. 또한, 이 시스템을 사용하여 다양한 인지 뇌 기능을 조사할 수 있습니다.

상단 캡션은 한 회차의 실험에서 각 동작을 순차적으로 설명합니다. 하단 캡션은 전기생리학과 결합하여 연구할 수 있는 인지 행동 기능을 나타냅니다. 인지 행동 기능의 신경학적 기초를 기록하는 연구 또한 가능합니다.

이 그래프는 두 가지 대안 선택 음고 식별 과제를 수행하는 쥐의 nucleus space ssus에서 기록된 뉴런을 보여줍니다. 이 그래프는 복측 분절 영역에서 기록된 뉴런을 보여주고 있지만, 이 절차를 시도할 때는 쥐 간의 차이와 행동 특성 및 인지 능력에 세심한 주의를 기울이는 것이 중요하며, 최상의 훈련 결과를 얻기 위해 훈련 절차와 파라미터를 개별화해야 합니다. 당사는 이 시스템을 주로 청각 시스템 연구를 위해 개발했지만, 다른 연구자들이 시각 시스템과 동기 부여, 주의력, 인내심, 보상과 같은 다양한 인지 뇌 기능을 연구하는 데 쉽게 적용할 수 있습니다.