W pełni zautomatyzowany i wysoce wszechstronny system do badania wielorakich funkcji poznawczych i rejestracji aktywności neuronalnej u gryzoni

Ogólnym celem niniejszej procedury jest przeszkolenie szczura do wykonywania sekwencji zadań, dzięki którym można badać wiele funkcji mózgu. Osiąga się to najpierw poprzez aklimatyzację szczurów do komory behawioralnej. Drugim krokiem jest przeszkolenie szczura do naciskania dźwigni w celu otrzymania granulek pokarmu w ramach nagrody.

Następnie szczury są trenowane, aby odsłonić ukrytą dźwignię poprzez włożenie nosa do otworu. Ostatnim krokiem jest nauczenie szczurów rozpoznawania sygnału sensorycznego, a następnie naciśnięcia odpowiedniej dźwigni wskazanej przez ten sygnał. Ostatecznie szczury uczą się całej sekwencji zadań zmierzających do uzyskania nagród.

Opracowaliśmy w pełni zautomatyzowany system do testowania zachowań oraz rejestracji aktywności neuronalnej. Wykorzystując ten system, można badać wiele funkcji mózgu. Unikalną cechą tego systemu jest wykonana na zamówienie komora akustycznie transparentna, która jest idealna do treningu zadań słuchowych.

Kolejną cechą tego systemu jest możliwość łatwego dodawania różnych urządzeń operantowych, co czyni go bardzo wszechstronnym i pozwala na realizację różnorodnych zadań behawioralnych o charakterze słuchowym, wizualnym i audiowizualnym. System składa się z trzech głównych komponentów: dwuściennej wygłuszonej komory, wielokanałowego systemu rejestracji elektrofizjologicznej oraz w pełni zautomatyzowanego systemu testów behawioralnych. Wewnątrz wygłuszonej komory znajduje się specjalnie zaprojektowana komora operantowa.

Komora składa się z trzech akustycznie przezroczystych ścian oraz jednego modułowego panelu sterowania służącego do monitorowania i rejestrowania zachowania. Nad panelem w komorze zamontowana jest kamera wideo. Interfejs przesyła sygnały w obu kierunkach pomiędzy komorą a komputerem.

Sygnały słuchowe są generowane przez skalibrowany programowalny generator dźwięku i emitowane za pomocą trzech głośników znajdujących się na panelu sterowania; w celu podania sygnałów wzrokowych na panelu środkowym i bocznych umieszczono lampkę bodźca oraz dwa potrójne wyświetlacze bodźców. Urządzenie do wkładania nosa (nose poke) z trzema kolorowymi diodami LED jest zamontowane w dolnej części panelu środkowego. Detektor podczerwieni zainstalowany w jednostce nose poke rejestruje wkładanie nosa oraz czas jego utrzymania.

Po każdej stronie urządzenia zamontowano dwie chowane, wysuwane dźwignie reakcji. Nagrody w postaci peletu są dostarczane przez dwa dozowniki, które zrzucają pokarm do odpowiednich pojemników. Na dnie komory umieszczono cztery pary wiązek podczerwieni, które służą zarówno do określania pozycji zwierzęcia, jak i do sterowania urządzeniami w zależności od jego położenia.

Na koniec kable z modułu przedwzmacniacza (head stage) są podłączone do komutatora w celu rejestracji aktywności neuronalnej. Protokół eksperymentalny jest w pełni zautomatyzowany za pomocą programów stworzonych w platformie oprogramowania Med PC four. Dane behawioralne są zapisywane i konwertowane do plików Microsoft Excel, a następnie importowane i analizowane w programie matlab.

Przed rozpoczęciem treningu ogranicz podaż pokarmu, aż masa ciała zwierzęcia osiągnie 90% wartości bazowej. Aby przygotować komorę do aklimatyzacji, wciągnij dźwignie, zablokuj otwór na nos korkiem gumowym i umieść około 20 granulek pokarmu w każdym podajniku. Następnie umieść naiwne zwierzę w komorze w celu aklimatyzacji.

Szczur wkrótce zacznie badać miseczki z pokarmem i zje granulki. Gdy obie miseczki będą puste, należy użyć oprogramowania, aby podać pojedynczą granulkę do każdej z nich. Dzięki temu szczur nauczy się kojarzyć pokarm z miseczką.

Zmuś szczura do przemieszczania się na obie strony komory, podając pellety w sposób losowy do każdego z pojemników z pokarmem. Jedna sesja jest zazwyczaj wystarczająca do ustanowienia asocjacji z pojemnikiem z pokarmem. W nowej sesji wysuń obie dźwignie do wnętrza komory i pozostaw pojemniki z pokarmem puste. Następnie umieść zaaklimatyzowanego szczura w komorze.

Gdy zwierzę znajdzie się w pobliżu dźwigni, należy podać pellet. Nagrody należy podawać również wtedy, gdy szczur wykazuje zainteresowanie dźwignią, na przykład poprzez wąchanie, dotykanie lub wspinanie się. Przypadkowe naciśnięcie dźwigni również powinno wywołać podanie nagrody.

Aby zachęcić do naciskania dźwigni i wymusić eksplorację obu dźwigni, należy pozwolić zwierzęciu na naciskanie każdej z nich kolejno ograniczoną liczbę razy; po osiągnięciu limitu dźwignia powinna się schować. Wówczas wysuń obie dźwignie, aby powtórzyć procedurę. Stopniowo zmniejszaj limit, aż dźwignia będzie chować się przy każdym naciskaniu.

Zazwyczaj jedna lub dwie sesje są wystarczające do wykształcenia skojarzenia między naciskaniem dźwigni a otrzymaniem nagrody pokarmowej. W nowej sesji należy wycofać dźwignie.

Usuń gumowy korek z otworu do wkładania nosa i umieść kilka granulek pokarmowych w urządzeniu do wkładania nosa. Ponownie wprowadź zwierzę do komory i w sposób losowy wysuń jedną z dwóch dźwigni.

Gdy szczur węszy przy otworze do wkładania nosa w poszukiwaniu peletek pokarmowych i widzi wysuniętą dźwignię, podszedł do niej i naciśnie ją, aby otrzymać nagrodę. Po naciśnięciu dźwigni i podaniu nagrody, należy ją wycofać, aby zachęcić szczura do eksploracji urządzenia do wkładania nosa. Zazwyczaj jednej 30-minutowej sesji wystarczy, aby szczur nauczył się sekwencji zadań: włożenie nosa, naciśnięcie dźwigni, otrzymanie nagrody.

W kolejnej nowej sesji umieść zwierzę w komorze, aby rozpocząć trening Q. Po wykonaniu przez zwierzę zdarzenia typu nose poke, odtwórz wyraźny sygnał dźwiękowy. Wysuń dźwignie prawą i lewą.

Po każdym zaprezentowaniu sygnału dźwiękowego nagradzaj szczura tylko wtedy, gdy naciśnie on dźwignię wskazaną przez ten sygnał; zwierzę stopniowo nauczy się kojarzyć konkretny sygnał dźwiękowy z jedną dźwignią. Zwierzę powinno być teraz w stanie wykonać zamierzoną pełną sekwencję treningową: dotknięcie nos-poke, sygnał, naciśnięcie dźwigni, nagroda lub brak nagrody.

Pozostaw szczura, aby ćwiczył nowo nauczone zadanie, aż do osiągnięcia stałego poziomu wyników. Sesja jest ograniczona do 30 minut. System ten może być wykorzystany do przeprowadzenia zadania dyskryminacji wysokości dźwięku z dwiema alternatywnymi opcjami wyboru, które służy do badania progu dyskryminacji częstotliwości u szczura.

Po przeszkoleniu szczurów w szybkim naciskaniu odpowiedniej dźwigni wskazanej sygnałem dźwiękowym, uzyskano krzywą uczenia się słuchowego. Każda kolorowa linia reprezentuje zmienność częstotliwości dyskryminacji u poszczególnych zwierząt. Ciemna linia reprezentuje uśrednioną krzywą uczenia się.

Średnio potrzeba było około siedmiu sesji treningowych, aby osiągnąć 75% skuteczności. Kryterium. Zachowanie zwierząt w tym zadaniu można również ilościowo scharakteryzować za pomocą kilku pomiarów, w tym czasu reakcji względem pojawienia się sygnału dźwiękowego, odstępu między próbami oraz dynamiki czasowej wyników. Za pomocą tego systemu można badać również wiele funkcji poznawczych mózgu.

Górne podpisy opisują każdą czynność w sekwencji jednej próby. Dolne podpisy wskazują funkcje poznawczo-behawioralne, które można badać w połączeniu z elektrofizjologią. Możliwe jest również badanie neuronalnych podstaw funkcji poznawczo-behawioralnych.

Wykres ten przedstawia neuron zarejestrowany w jądrze ssus szczura wykonującego zadanie dyskryminacji wysokości dźwięku z wyborem dwóch alternatyw. Chociaż wykres ten ukazuje neuron zarejestrowany w brzusznej części obszaru segmentowego, podczas przeprowadzania tej procedury ważne jest zwrócenie szczególnej uwagi na różnice między szczurami, ich charakterystykę behawioralną oraz zdolności poznawcze; procedury i parametry szkolenia powinny być dostosowane indywidualnie, aby uzyskać najlepsze wyniki. Mimo że system ten opracowaliśmy głównie do badania systemu słuchowego, może on zostać łatwo zaadaptowany przez innych badaczy do analizy systemu wzrokowego oraz wielu funkcji poznawczych mózgu, takich jak motywacja, uwaga, cierpliwość i nagrody.