Een Volledig geautomatiseerd en zeer veelzijdige systeem voor het testen van meerdere cognitieve functies en opnemen Neuronale Activiteiten in Knaagdieren

Het algemene doel van deze procedure is om een rat te trainen om een reeks taken uit te voeren waarmee meerdere hersenfuncties kunnen worden onderzocht. Dit wordt bereikt door de ratten eerst te laten wennen aan de gedragskamer. De tweede stap is om de rat te trainen een hendel om te duwen om voedselpellets als beloning te verkrijgen.

Vervolgens worden de ratten getraind om een verborgen hendel te onthullen door hun kop in het neus-poke-gat te steken. De laatste stap is om de ratten te trainen een sensorische cue te herkennen en vervolgens de juiste hendel te indrukken die door de cue wordt aangegeven. Uiteindelijk leren de ratten de volledige reeks taken die gericht zijn op het verkrijgen van de beloningen.

Wij hebben een volledig geautomatiseerd systeem ontwikkeld voor gedragstests en het registreren van neuronale activiteit. Met dit systeem kunnen meerdere hersenfuncties worden onderzocht. Het unieke kenmerk van dit systeem is een op maat gemaakte, akoestisch transparante kamer, die ideaal is voor het trainen van auditieve taken.

Een andere eigenschap van dit systeem is dat verschillende operante apparaten eenvoudig kunnen worden toegevoegd, waardoor het systeem zeer veelzijdig is en de implementatie van een verscheidenheid aan auditieve, visuele en audiovisuele gedragstaken mogelijk maakt. Het systeem bestaat uit drie hoofdonderdelen: een dubbelwandige geluidsdichte kamer, een meerkanaals elektrofysiologisch registratiesysteem en een volledig geautomatiseerd systeem voor gedragstests. Een op maat ontworpen operante kamer bevindt zich in de geluidsdichte kamer.

De kamer bestaat uit drie akoestisch transparante wanden en één modulair bedieningspaneel om gedrag te monitoren en vast te leggen. Boven de kamer is een videocamera gemonteerd. Een interfacebox verzendt signalen heen en weer tussen de kamer en een computer.

Auditieve signalen worden gegenereerd door een gekalibreerde programmeerbare audiogenerator en worden afgegeven via drie luidsprekers die zich op het bedieningspaneel bevinden; voor visuele signalen zijn een stimuluslamp en twee drievoudige stimulusdisplays geplaatst op de middelste en zijpanelen. Een nose-poke-apparaat met drie gekleurde LED-lampjes is gemonteerd aan de onderzijde van het middelste paneel. Een infrarooddetector die in de nose-poke-eenheid is geïnstalleerd, registreert het steken en vasthouden van de neus.

Twee uitneembare, intrekbare responshevels zijn aan elke zijde van het operatieveld gemonteerd. Beloningen worden toegediend door twee pelletdispensers die voedsel in de pelletontvangers laten vallen. Vier paren infraroodstralen zijn onderaan de kamer geplaatst om zowel de positie van het dier aan te geven als om apparaten aan te sturen op basis van de positie van het dier.

Ten slotte worden kabels van een headstage aangesloten op een commutator voor het registreren van neuronale activiteit. Het experimentele protocol is volledig geautomatiseerd via programma's die zijn gemaakt binnen het softwareplatform Med PC four. Gedragsgegevens worden opgeslagen en omgezet naar Microsoft Excel-bestanden, om vervolgens te worden geïmporteerd in en geanalyseerd met matlab.

Beperk vóór de training de voedselinname totdat het gewicht van het dier 90% van de basislijn bedraagt. Om de kamer voor acclimatisatie voor te bereiden, moeten de hendels worden ingetrokken, het neusgat worden afgesloten met een rubberen stop en ongeveer 20 voedselpellets in elke pelletontvanger worden geplaatst. Plaats vervolgens een naïef dier in de kamer voor acclimatisatie.

De rat zal spoedig beginnen met het verkennen van de voerbakjes en het eten van de pellets. Wanneer beide voerbakjes leeg zijn, gebruik dan de software om een enkele pellet in elk bakje te dispenseren. Hierdoor leert de rat voedsel te associëren met het bakje.

Dwing de rat om naar beide zijden van de kamer te bewegen door willekeurig korrels in elke voedingsbak te dispenseren. Eén sessie is gewoonlijk voldoende om de associatie met de voedingsbak vast te stellen. Schuif in een nieuwe sessie beide hendels de kamer in en laat de voedingsbak leeg. Plaats vervolgens een geacclimatiseerde rat in de kamer.

Wanneer het dier in de buurt van een hendel komt, dient er een pellet te worden toegediend. Geef daarnaast beloningen wanneer de rat interesse in de hendel toont, zoals door te snuffelen, aan te raken of erop te klimmen. Een onbedoelde indrukking van de hendel moet ook een beloning triggeren.

Om het indrukken van de hendels te stimuleren en om exploratie van beide hendels af te dwingen, mag het dier elke hendel een beperkt aantal keren na elkaar indrukken; zodra de limiet is bereikt, trekt de hendel zich terug. Laat beide hendels opnieuw uitschuiven om de procedure te herhalen. Verlaag de limiet geleidelijk totdat de hendel elke keer terugtrekt wanneer deze wordt ingedrukt.

Eén tot twee sessies zijn gewoonlijk voldoende om de hefboom-voedbeloningsassociatie vast te leggen. Trek de hefbomen in een nieuwe sessie weer in.

Verwijder de rubberen stop uit het neussteekgat en plaats enkele voedselpellets in het neussteekapparaat. Plaats het dier opnieuw in de kamer en schuif willekeurig een van de twee hendels uit.

Wanneer de rat het neuspoke-gat besnuift voor voedselpellets en de uitgestoken hendel ziet, zal de rat deze benaderen en naar beneden drukken om een voedselpellet te verkrijgen. Nadat de hendel is ingedrukt en de beloning is afgegeven, moet de hendel worden ingetrokken om de rat aan te moedigen het neuspoke-apparaat te verkennen. Meestal heeft een rat één sessie van 30 minuten nodig om de taakvolgorde te leren: neus, poke, hendel, push, beloningen.

Plaats het dier in een nieuwe sessie in de kamer om te beginnen met de Q-training. Nadat het dier een neussteekgebeurtenis heeft uitgevoerd, wordt er een duidelijk hoorsignaal afgespeeld. Schuif zowel de rechter- als de linkerhendel uit.

Beloon de rat na elke presentatie van een auditieve cue alleen wanneer deze de hendel indrukt die door de auditieve cue wordt aangegeven; het dier zal geleidelijk leren een specifieke auditieve cue te associëren met één hendel. Het dier zou nu in staat moeten zijn om de beoogde volledige trainingssequentie uit te voeren: neussteek, cue, hendel indrukken, beloning of geen beloning.

Laat de rat de nieuw aangeleerde taak oefenen totdat een consistent prestatieniveau is bereikt. De sessie is beperkt tot 30 minuten. Dit systeem kan worden gebruikt om de alternatieve keuze-taak voor toonhoogte-discriminatie uit te voeren, waarmee de frequentiediscriminatiedrempel van een rat wordt onderzocht.

Nadat de ratten zijn getraind om snel de juiste hendel in te drukken zoals aangegeven door een auditief signaal, wordt een auditieve leercurve verkregen. Elke gekleurde lijn vertegenwoordigt de variaties in discriminatiefrequentie van een individueel dier. De donkere lijn vertegenwoordigt de gemiddelde leercurve.

Gemiddeld waren ongeveer zeven trainingssessies nodig om een hit-rate van 75% te bereiken. Het diergedrag in deze taak kan daarnaast kwantitatief worden gekenmerkt door verschillende metingen, waaronder de reactietijd ten opzichte van het begin van de auditieve cue, het inter-trial interval en de temporele dynamiek van de prestaties. Met dit systeem kunnen tevens meerdere cognitieve hersenfuncties worden onderzocht.

De bovenste bijschriften beschrijven elke actie in de volgorde van één proef. De onderste bijschriften geven de cognitieve gedragsfuncties aan die bestudeerd kunnen worden in combinatie met elektrofysiologie. De neurale basis van de cognitieve gedragsfuncties kan eveneens worden vastgelegd en bestudeerd.

Deze grafiek toont een neuron geregistreerd in de nucleus space ssus van een rat die de taak van toonhoogte-discriminatie met twee alternatieve keuzes uitvoert. Hoewel deze grafiek een neuron toont dat in het ventrale segmentale gebied is geregistreerd, is het bij het uitvoeren van deze procedure belangrijk om nauwgezet te letten op de verschillen tussen ratten en hun gedragskenmerken en cognitieve vermogen; trainingsprocedures en parameters moeten worden geïndividualiseerd voor de beste trainingsresultaten. Hoewel we dit systeem hoofdzakelijk hebben ontwikkeld voor het onderzoek naar het auditieve systeem, kan het eenvoudig door andere onderzoekers worden aangepast om het visuele systeem en meerdere cognitieve hersenfuncties te bestuderen, zoals motivatie, aandacht, geduld en beloningen.