Полностью автоматизированный и очень гибкая система для тестирования нескольких когнитивных функций и запись нейронов деятельности в Грызунов

Общая цель данной процедуры заключается в обучении крысы последовательности задач, с помощью которой можно исследовать различные функции мозга. Это достигается путем предварительной акклиматизации крыс к поведенческой камере. На втором этапе крысу обучают нажимать на рычаг для получения пищевых гранул в качестве вознаграждения.

Затем крыс обучают обнаруживать скрытый рычаг, просовывая голову в отверстие для носового тычка. Заключительным этапом является обучение крыс распознаванию сенсорного сигнала с последующим нажатием на соответствующий рычаг, указанный этим сигналом. В конечном итоге крысы осваивают всю последовательность действий, направленных на получение вознаграждения.

Нами была разработана полностью автоматизированная система для поведенческого тестирования и регистрации нейронной активности. С помощью данной системы можно исследовать множество функций мозга. Уникальной особенностью этой системы является изготовленная на заказ акустически прозрачная камера, которая идеально подходит для обучения выполнению слуховых задач.

Еще одной особенностью данной системы является возможность легкого добавления различных оперантных устройств, что делает систему весьма универсальной и позволяет реализовывать широкий спектр слуховых, зрительных и аудиовизуальных поведенческих задач. Система состоит из трех основных компонентов: звукоизоляционной камеры с двойными стенками, многоканальной системы электрофизиологической регистрации и полностью автоматизированной системы поведенческого тестирования. Внутри звукоизоляционной камеры расположена специально разработанная оперантная камера.

Камера состоит из трех акустически прозрачных стенок и одной модульной панели управления для мониторинга и регистрации поведения. Над камерой установлена видеокамера. Интерфейсный блок обеспечивает двустороннюю передачу сигналов между камерой и компьютером.

Слуховые сигналы генерируются откалиброванным программируемым аудиогенератором и подаются через три динамика, расположенные на панели управления; для визуальных сигналов на центральной и боковых панелях расположены световой стимул и два тройных дисплея стимулов. Устройство для задействования носового порта с тремя цветными светодиодными индикаторами установлено в нижней части центральной панели. Инфракрасный детектор, встроенный в блок носового порта, фиксирует факт задействования порта и время удержания носа в нем.

С каждой стороны установки смонтированы два выдвижных подпружиненных рычага отклика. Поощрение за выполнение задания осуществляется двумя дозаторами пеллет, которые подают корм в приемники пеллет. В нижней части камеры расположены четыре пары инфракрасных лучей, которые служат как для определения положения животного, так и для управления устройствами в зависимости от его местоположения.

Наконец, кабели от головки усилителя подключаются к коммутатору для регистрации нейрональной активности. Экспериментальный протокол полностью автоматизирован с помощью программ, созданных на платформе программного обеспечения Med PC four. Поведенческие данные сохраняются и конвертируются в файлы Microsoft Excel, которые затем импортируются и анализируются с помощью matlab.

Перед началом обучения ограничьте потребление пищи, пока вес животного не составит 90% от исходного. Чтобы подготовить камеру к акклиматизации, отведите рычаги назад, закройте отверстие для носового тычка резиновой пробкой и поместите примерно 20 пищевых гранул в каждый приемник гранул. Затем поместите неопытное животное в камеру для акклиматизации.

Вскоре крыса начнет исследовать кормушки и поедать гранулы. Когда обе кормушки опустеют, с помощью программного обеспечения подайте по одной грануле в каждый лоток. Таким образом крыса научится ассоциировать корм с кормушкой.

Стимулируйте крысу перемещаться по всей камере, случайным образом выдавая гранулы корма в каждую кормушку. Обычно одного сеанса достаточно для установления ассоциации с кормушкой. В следующем сеансе выдвиньте оба рычага в камеру и оставьте кормушку пустой. Затем поместите акклиматизированную крысу в камеру.

Когда животное приближается к рычагу, выдавайте гранулу корма. Также предоставляйте вознаграждение, если крыса проявляет интерес к рычагу, например, обнюхивает, касается или забирается на него. Случайное нажатие рычага также должно приводить к выдаче вознаграждения.

Чтобы стимулировать нажатие рычагов и заставить животное исследовать оба рычага, разрешите ему нажать на каждый рычаг последовательно ограниченное количество раз; по достижении этого лимита рычаг должен втягиваться. Выдвиньте оба рычага, чтобы повторить процедуру. Постепенно снижайте лимит до тех пор, пока рычаг не начнет втягиваться при каждом нажатии.

Обычно одного-двух сеансов достаточно для формирования ассоциации между нажатием рычага и пищевым подкреплением. В новом сеансе уберите рычаги.

Извлеките резиновую пробку из отверстия для носового касания и поместите несколько пищевых гранул в устройство для касаний носом. Поместите животное обратно в камеру и случайным образом выдвиньте один из двух рычагов.

Когда крыса обнюхивает отверстие для носового тычка в ожидании пищевых гранул и видит выдвинутый рычаг, она приближается и нажимает на него, чтобы получить награду. После нажатия рычага и выдачи пищевой гранулы рычаг втягивается, чтобы стимулировать крысу исследовать устройство для носовых тычков. Обычно крысе требуется один 30-минутный сеанс, чтобы освоить последовательность действий: обнюхивание, тычок в отверстие, нажатие рычага, получение награды.

В ходе следующего сеанса поместите животное в камеру для начала обучения Q. После того как животное совершит касание носом (nose poke), воспроизведите характерный звуковой сигнал. Выдвиньте правый и левый рычаги.

После каждого предъявления слухового сигнала поощряйте крысу только в том случае, если она нажимает на рычаг, соответствующий данному сигналу; таким образом животное постепенно научится ассоциировать определенный слуховой сигнал с одним рычагом. Теперь животное должно быть способно выполнить полный запланированный цикл обучения: касание носом, сигнал, нажатие рычага, вознаграждение или отсутствие вознаграждения.

Позвольте крысе отработать недавно освоенную задачу до достижения стабильного уровня выполнения. Продолжительность сессии ограничена 30 минутами. Данную систему можно использовать для проведения задачи на дискриминацию тона с двумя альтернативными вариантами выбора, которая позволяет определить порог частотной дискриминации у крысы.

После того как крысы были обучены быстро нажимать на нужный рычаг, соответствующий слуховому сигналу, была получена кривая слухового обучения. Каждая цветная линия представляет собой вариации частоты дискриминации отдельного животного. Темная линия представляет собой усредненную кривую обучения.

В среднем для достижения критерия в 75% попаданий требовалось около семи тренировочных сессий. Поведение животных в данном задании также может быть количественно охарактеризовано с помощью нескольких показателей, включая время реакции относительно начала слухового сигнала, интервал между пробами и временную динамику выполнения задания. С помощью данной системы также можно исследовать различные когнитивные функции мозга.

Верхние подписи описывают каждое действие в последовательности одной попытки. Нижние подписи указывают на когнитивно-поведенческие функции, которые могут быть изучены в сочетании с электрофизиологией. Также может быть изучена нейронная основа этих когнитивно-поведенческих функций путем регистрации активности.

На данном графике показана активность нейрона, зарегистрированная в ядре ssus мозга крысы, выполняющей задачу по дискриминации высоты тона с выбором из двух альтернатив. Хотя на этом графике представлен нейрон, зарегистрированный в вентральной сегментарной области, при выполнении данной процедуры важно уделять пристальное внимание индивидуальным различиям между крысами, их поведенческим характеристикам и когнитивным способностям; для достижения наилучших результатов обучения процедуры и параметры тренировки должны быть индивидуализированы. Несмотря на то, что эта система была разработана нами преимущественно для изучения слуховой системы, она может быть легко адаптирована другими исследователями для изучения зрительной системы и различных когнитивных функций мозга, таких как мотивация, внимание, терпение и вознаграждение.