Gli autori vorrebbero ringraziare Hannah Zamore, Emily Saks e Josh Searle per il loro aiuto nello stabilire questo paradigma di cambiamento di strategia operante nel laboratorio Grafe. Vorrebbero anche ringraziare Kevin Snyder per il suo aiuto con il codice MATLAB per l'analisi.

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Il protocollo dimostra come misurare gli effetti dello stress sulla funzione cognitiva. In particolare, un paradigma di spostamento della strategia operante modificato viene utilizzato nei roditori, che misura la flessibilità cognitiva (analoga al Wisconsin Card Sorting Task negli esseri umani)1. La flessibilità cognitiva denota la capacità di adattare le strategie di elaborazione cognitiva per affrontare nuove condizioni nell'ambiente ed è fondamentale per il normale funzionamento quotidiano2. Poiché gli studi umani sulla flessibilità cognitiva sono per lo più limitati all'imaging cerebrale11, l'uso di questo paradigma negli animali farà progredire notevolmente la comprensione degli effetti dello stress sul cervello e sulla cognizione.
Lo stress può compromettere la funzione cognitiva40. In effetti, questo è uno dei fenotipi più comuni nelle malattie legate allo stress come PTSD e MDD3,41. Inoltre, ci sono forti differenze di sesso nel verificarsi di malattie psichiatriche legate allo stress5,6,7,ma c'è poca comprensione della neurobiologia dietro queste incidenze distorte. Pertanto, l'uso di questa strategia operante che cambia paradigma negli animali di entrambi i sessi può aiutare a far progredire l'attuale comprensione delle differenze sessuali in psichiatria.
Questo compito di spostamento della strategia operante consente ai ricercatori di esaminare gli aspetti chiave della cognizione rilevanti per i disturbi psichiatrici. Ad esempio, gli errori perseveranti dopo la manipolazione sperimentale sono calcolati in questo paradigma. La perseveranza è osservata nei disturbi psichiatrici legati allo stress come il PTSD e compromette la capacità di uno di apprendere una nuova serie di regole, compromettendo in definitiva la memoria di lavoro3. Pertanto, la misura degli errori perseveranti è rilevante dal punto di vista della traduzione. Inoltre, sono state notate omissioni nei compiti di attenzione nei pazienti con PTSD, indicando un'elaborazione corticale più lenta3. Di conseguenza, i dati di omissione da questo paradigma possono avere controparti cliniche. In sintesi, la flessibilità cognitiva misurata come da questo paradigma sperimentale modella i fenotipi chiave che si osservano nei disturbi psichiatrici.
Questo paradigma sperimentale consente anche la precisione nel targeting dei substrati neurali alla base della flessibilità cognitiva. Ad esempio, la letteratura ha indicato che la corteccia prefrontale (PFC) è una regione cerebrale cruciale per la flessibilità cognitiva3, compresa la corteccia prefrontale mediale (mPFC) e orbitofrontale (OFC). Di queste sottoregioni nel PFC, l'OFC è importante per le prestazioni nell'attività di inversione laterale34,35. Queste aree cerebrali sono anche un bersaglio chiave per le alterazioni funzionali indotte dallo stress42,43. È interessante notare che il modello di stress utilizzato qui sembra svolgere un ruolo nelle successive prestazioni dei roditori nei test di flessibilità cognitiva; pertanto, dovrebbe essere considerato nella progettazione di esperimenti futuri. Queste diverse risposte allo stress indicano meccanismi potenzialmente nuovi con cui la cognizione è influenzata dallo stress. Pertanto, il targeting di neurotrasmettitori specifici, proteine o attivazione di queste regioni cerebrali può far luce su come lo stress influisce sulla cognizione nei roditori maschi e femmine. I ricercatori possono scegliere di manipolare questi substrati neurali in diversi punti temporali in combinazione con lo stress o il cambiamento di strategia, o in alternativa misurare i substrati neurali dopo l'esposizione a questi paradigmi comportamentali.
Questo compito di spostamento della strategia operante modificato ha chiari vantaggi rispetto ad altri paradigmi di flessibilità cognitiva utilizzati nella letteratura sullo stress (ad esempio, il compito di scavo12,13,14,15), che richiedono più tempo e sforzi da parte dello sperimentatore per addestrare i roditori. Questa procedura richiede una supervisione minima da parte dello sperimentatore e consente di testare più ratti contemporaneamente. Inoltre, a differenza di altre versioni di questo compito automatizzato19, il paradigma richiede solo 3 giorni di formazione e include un'efficiente analisi dei dati programmata.
Il paradigma del cambiamento di strategia operante ha alcuni limiti. Una limitazione è che può testare solo due dimensioni di stimolo (ad esempio, leva sinistra o destra vs segnale luminoso), mentre l'attività di scavo12,13,14,15 può testare una terza dimensione di stimolo (ad esempio, scavare media vs odore vs. consistenza). Tuttavia, il compito descritto in questo protocollo consente ancora di testare la capacità del ratto di passare a regole diverse, il che consente di testare i costrutti di flessibilità cognitiva. Inoltre, è possibile aggiungere altri parametri alle camere operanti per consentire un terzo stimolo (ad esempio, un odore), ma questo può prolungare l'allenamento richiesto per il compito.
Il vantaggio principale di questo compito è la sua semplicità e capacità di abbinarlo a manipolazioni stressanti o farmacologiche per capire ulteriormente come lo stress influisce sul cervello. Va notato che questa semplicità comporta una maggiore difficoltà che i soggetti affrontano mentre imparano a premere a leva, rispetto al compito di scavo ecologicamente rilevante. Mentre questo compito operante è molto meno laborioso, i roditori richiederanno generalmente più prove per acquisire questo compito. Tuttavia, sia il compito di scavo che questo paradigma coinvolgono meccanismi neurobiologici simili e rappresentano quindi opzioni valide per l'esame della flessibilità cognitiva16,44. Mentre ci sono stati vari risultati in letteratura per quanto riguarda gli effetti dello stress sulla flessibilità cognitiva usando il compito di scavo e questa procedura operante23,25,27,45,46, il metodo presentato riflette gli effetti complessi che il tipo, l'intensità e la durata di un fattore di stress possono avere sulla funzione cognitiva20,21.
Un'altra limitazione del compito è che i roditori sono alloggiati in scatole opache chiuse; pertanto, i comportamenti diversi da quelli raccolti tramite l'interfaccia del computer non possono essere codificati. Ad esempio, un numero elevato di omissioni da parte di un ratto può essere dovuto all'inibizione comportamentale inflitta dallo stress o perché il ratto dorme. Inoltre, altri comportamenti stereotipati, come la toelettatura (che è particolarmente rilevante nello studio dello stress), possono essere interessanti da analizzare durante il compito. Il montaggio di telecamere in camere operanti può consentire questo tipo di precisione comportamentale.
Nel complesso, questo rapporto descrive in dettaglio l'uso di procedure di stress in combinazione con un paradigma di cambiamento della strategia operante per comprendere ulteriormente come lo stress influisce sul cervello. Va notato che, oltre alle procedure di stress e alla valutazione cognitiva negli adulti, la ricerca su diverse fasi dello sviluppo può fornire informazioni cruciali sull'eziologia dell'inflessibilità cognitiva. Oltre a studiare gli effetti dello stress sulla flessibilità cognitiva, questo semplice ed efficiente paradigma di cambiamento della strategia operante può essere abbinato a molte manipolazioni sperimentali per indagare su come il cervello si adatta ai cambiamenti ambientali. Inoltre, approcci sperimentali alternativi possono essere utilizzati per studiare le basi neurali della flessibilità cognitiva, comprese le lesioni, la farmacologia, l'editing genico e l'elettrofisiologia. Poiché l'inflessibilità cognitiva è uno dei fenotipi chiave nella malattia psichiatrica, è necessario condurre ulteriori ricerche per comprendere ulteriormente i suoi substrati neurobiologici.

Nell'uomo, gli eventi stressanti della vita possono compromettere la funzione cognitiva (cioè la flessibilità cognitiva1), che denota la capacità di adattare le strategie di elaborazione cognitiva per affrontare nuove condizioni nell'ambiente2. La compromissione della cognizione precipita ed esacerba molti disturbi psichiatrici, come il disturbo da stress post traumatico (PTSD) e il disturbo depressivo maggiore (MDD)3,4. Questi disturbi sono due volte più diffusi nelle femmine5,6,7,8, ma la base biologica di questa disparità rimane sconosciuta. Gli aspetti del funzionamento esecutivo negli esseri umani possono essere valutati utilizzando il Wisconsin Card Sorting Task, una dimostrazione di flessibilità cognitiva2. Le prestazioni in questo compito sono compromesse nei pazienti con PTSD9 e MDD10, ma la base neurale di questo cambiamento può essere esaminata solo dall'imaging cerebrale11.
I progressi nella comprensione di come lo stress influisce sul cervello sono stati fatti attraverso l'uso di modelli animali, in particolare roditori. Poiché la flessibilità cognitiva è influenzata nelle malattie legate allo stress, è un fenotipo eccezionalmente rilevante da esaminare nei roditori. Ad oggi, la maggior parte della letteratura di neurobiologia dello stress ha utilizzato un paradigma alternativo di flessibilità cognitiva (a volte indicato come il compito di scavo)12,13,14,15. Mentre questo compito è stato ampiamente controllato, richiede più tempo e sforzi da parte dello sperimentatore per addestrare i roditori. Adattato e descritto qui è un protocollo di set-shifting automatizzato ben consolidato16 per valutare la flessibilità cognitiva nei ratti Sprague Dawley maschi e femmine utilizzando vari modelli di stress17,18. La procedura richiede una supervisione minima da parte dello sperimentatore e consente di testare più ratti contemporaneamente. Inoltre, a differenza di altre versioni di questo compito automatizzato19, l'adattamento di questo paradigma richiede solo 3 giorni di formazione e include un'efficiente analisi dei dati programmata.
Se lo stress migliora o compromette la funzione cognitiva dipende dal tipo, dall'intensità e dalla durata del fattore di stress, nonché dai tempi del fattore di stress in relazione all'apprendimento o all'esecuzione di un compito cognitivo20,21. Pertanto, il protocollo incorpora procedure di stress sia prima che dopo l'allenamento operante. Esamina anche i risultati rappresentativi degli studi sullo stress. Inoltre, le regioni cerebrali alla base di particolari aspetti del set-shifting sono state ben consolidate2,16,22; pertanto, il rapporto descrive anche come indirizzare e valutare particolari regioni del cervello durante o dopo le procedure di spostamento dello stress e della strategia.
C'è stata una ricerca limitata sull'esame diretto delle differenze sessuali nella flessibilità cognitiva18,23.  Il protocollo descrive come 1) incorporare ratti maschi e femmine nel paradigma sperimentale, quindi 2) tracciare cicli estrali prima e durante le procedure nelle femmine che pedalano liberamente. Studi precedenti hanno indicato che lo stress prima dell'allenamento operante può portare a deficit specifici del sesso nella flessibilità cognitiva nei ratti17. In particolare, i ratti femmina mostrano interruzioni nella flessibilità cognitiva dopo lo stress, mentre la flessibilità cognitiva migliora nei ratti maschi dopo lo stress17. È interessante notare che un importante segno distintivo dei disturbi psichiatrici legati allo stress, che hanno un'incidenza distorta dal sesso negli esseri umani, è l'inflessibilità cognitiva. Questi risultati suggeriscono che le femmine possono essere più vulnerabili a questo tipo di deterioramento cognitivo rispetto ai maschi. L'uso di queste tecniche nei modelli animali farà luce sugli effetti dello stress sul cervello e su come compromette la cognizione nei disturbi psichiatrici negli esseri umani.

<table><tbody><tr><td>3 inch glass pipette eye droppers</td><td>Amazon</td><td>4306-30-012LC</td><td>For vaginal lavage</td></tr><tr><td>Alcohol Wipes</td><td>VWR</td><td>15648-990</td><td>To clean trays in set shifting boxes between rats</td></tr><tr><td>Biotin-SP-conjugated AffiniPure Donkey Anti-Mouse lgG (H+L), minimal cross reaction to bovine, chicken, goat, guinea pig, hamster, horse, human, rabbit, sheep serum proteins</td><td>Jackson ImmunoResearch</td><td>715-065-150</td><td>All other DAB protocol staining materials are standard buffers/DAB and are not specified here, as this is not the main focus of the methods paper</td></tr><tr><td>C-fos mouse monoclonal primary antibody</td><td>AbCam</td><td>ab208942</td><td>To stain neural activation in brain areas after set shifting</td></tr><tr><td>Dustless Food Pellets</td><td>Bio Serv</td><td>F0021</td><td>For set shifting boxes (dispenser for reward)</td></tr><tr><td>GraphPad Prism</td><td></td><td></td><td>Used for data analysis</td></tr><tr><td>Leica DM4 B Microscope and associated imaging software</td><td>Leica</td><td></td><td>Lots of different parts for the microscope and work station, for imaging lavage and/or cfos</td></tr><tr><td>MatLab</td><td></td><td></td><td>Software; code to help analyze set shifting data, available upon request.</td></tr><tr><td>Med-PC Software Suite</td><td>Med Associates</td><td>SOF-736</td><td>Software; uses codes to operate operant chambers</td></tr><tr><td>Operant Chambers</td><td>Med PC</td><td>MED-008-B2</td><td>Many different parts for the chamber set up and software to work with it; we also wrote a separate code for set shifting, available upon request.</td></tr><tr><td>Rat Bedding</td><td>Envigo</td><td>T.7097</td><td></td></tr><tr><td>Rat Chow</td><td>Envigo</td><td>T.2014.15</td><td></td></tr><tr><td>Restraint Devices</td><td>Bryn Mawr College</td><td>Made by our shop</td><td>For stress exposure; specifications available upon request.</td></tr><tr><td>Scribbles 3d fabric paint</td><td>Amazon</td><td>54139</td><td>For vaginal lavage</td></tr><tr><td>Sprague Dawley Rats</td><td>Envigo</td><td></td><td>At least D65 Males and Females</td></tr><tr><td>VWR Superfrost Plus Micro Slide</td><td>VWR</td><td>48311-703</td><td>For vaginal lavage and/or brain slices/staining for c-fos</td></tr></tbody></table>

assessment of stress effects on cognitive flexibility using an operant strategy shifting paradigm

Lo stress influisce sulla funzione cognitiva. Se lo stress migliora o compromette la funzione cognitiva dipende da diversi fattori, tra cui il tipo 1), l'intensità e la durata del fattore di stress; 2) tipo di funzione cognitiva in studio; e 3) tempistica del fattore di stress in relazione all'apprendimento o all'esecuzione del compito cognitivo. Inoltre, le differenze di sesso tra gli effetti dello stress sulla funzione cognitiva sono state ampiamente documentate. Qui è descritto un adattamento di un paradigma automatizzato di cambiamento della strategia operante per valutare come le variazioni dello stress influenzano la flessibilità cognitiva nei ratti Sprague Dawley maschi e femmine. In particolare, lo stress da contenimento viene utilizzato prima o dopo l'allenamento in questo compito basato sull'operante per esaminare come lo stress influisce sulle prestazioni cognitive in entrambi i sessi. Particolari aree cerebrali associate a ciascun compito in questo paradigma automatizzato sono state ben consolidate (cioè la corteccia prefrontale mediale e la corteccia orbitofrontale). Ciò consente manipolazioni mirate durante l'esperimento o la valutazione di particolari geni e proteine in queste regioni al completamento del paradigma. Questo paradigma consente anche il rilevamento di diversi tipi di errori di prestazione che si verificano dopo lo stress, ognuno dei quali ha substrati neurali definiti. Sono inoltre identificate differenze di sesso distinte negli errori perseveranti dopo un ripetuto paradigma di stress di contenimento. L'uso di queste tecniche in un modello preclinico può rivelare come lo stress colpisce il cervello e compromette la cognizione nei disturbi psichiatrici, come il disturbo da stress post-traumatico (PTSD) e il disturbo depressivo maggiore (MDD), che mostrano marcate differenze sessuali nella prevalenza.

Il paradigma di cambiamento automatico della strategia operante adattato sopra delineato è stato utilizzato per determinare se lo stress di contenzione ripetuto influisce sulla cognizione nei ratti Sprague Dawley maschi e femmine. I dati comportamentali rappresentativi sono descritti nella Figura 2 di seguito. In breve, i ratti di controllo e ripetutamente trattenuti hanno eseguito questo test di spostamento della strategia operante, che consisteva in una serie di compiti: discriminazione laterale, inversione laterale e discriminazione leggera.
Le prove al criterio per ogni attività sono descritte nella Figura 2A. In genere, le migliori prestazioni su ciascuna attività erano rappresentate da un numero ridotto di prove al criterio. Questi dati indicano che, a seguito di una contenzione acuta, i maschi hanno completato il compito di inversione laterale in un numero significativamente inferiore di prove rispetto ai maschi di controllo non stressati. Al contrario, le femmine stressate hanno richiesto un numero significativamente maggiore di prove per completare il compito di inversione laterale. Questi risultati suggeriscono che i maschi hanno mostrato prestazioni migliorate dopo lo stress, mentre le femmine hanno mostrato prestazioni compromesse. Nel compito di discriminazione leggera, lo stress ha aumentato il numero di prove al criterio rispetto alle femmine di controllo, compromettendo così le prestazioni nelle femmine ma non nei maschi in questo compito.
Il numero totale di errori commessi per ogni attività di attenzione è illustrato nella Figura 2B. Coerentemente con il numero di prove al criterio, i maschi stressati hanno commesso significativamente meno errori rispetto ai maschi di controllo, mentre le femmine stressate hanno commesso più errori nel compito di inversione laterale. Inoltre, nel compito della discriminazione leggera, anche le donne hanno commesso molti più errori. In sintesi, questi dati suggeriscono che lo stress ripetuto migliora le prestazioni cognitive nei maschi ma compromette le prestazioni cognitive nelle femmine.
Gli errori totali sono stati ulteriormente classificati in errori perseveranti o regressivi nella Figura 2C (per una distinzione tra questi due tipi di errori, fare riferimento alla sezione 7 del protocollo). È interessante notare che i maschi stressati hanno commesso meno errori perseveranti nel compito di inversione laterale rispetto ai maschi di controllo. D'altra parte, sia nei compiti di inversione laterale che di discriminazione leggera, le femmine stressate hanno commesso un numero maggiore di errori perseveranti rispetto alle femmine di controllo. Non ci sono state differenze tra i gruppi di trattamento nel numero di errori regressivi commessi durante entrambi i compiti.
Le omissioni in ogni prova e il tempo per raggiungere il criterio sono mostrati nella Figura 2D (per ulteriori informazioni su come sono stati calcolati, fare riferimento alla sezione 7 delprotocollo). Queste misure sono state valutate solo nel compito di inversione laterale, poiché questo compito ha mostrato le maggiori differenze di sesso. Le femmine stressate hanno fatto una percentuale più alta di omissioni rispetto a tutti gli altri gruppi di trattamento. Inoltre, mentre lo stress sembrava ridurre il tempo per completare il compito di inversione laterale nei maschi, lo stress prolungava il completamento del compito nelle femmine. In sintesi, lo stress ripetuto ha compromesso la flessibilità cognitiva nelle femmine ma non nei maschi.
I substrati cerebrali alla base della flessibilità cognitiva sono rappresentati nella Figura 3. Poiché sono state osservate forti differenze di sesso nel compito di inversione laterale, le aree cerebrali alla base di questo compito sono state esaminate per determinare se mostravano differenze sessuali simili nell'attività neurale. Come discusso in precedenza, gli studi sulle lesioni hanno indicato che la corteccia orbitofrontale (OFC) media il compito di inversione laterale34. Pertanto, c-fos, una misura dell'attivazione neurale37, è stato etichettato nell'OFC a 30 minuti dopo il completamento del cambio di strategia, che avrebbe dovuto riflettere le prestazioni nell'attività di inversione laterale38. Tuttavia, è possibile che OFC possa anche svolgere un ruolo nella componente di spostamento della strategia extradimensionale di questo compito39. Pertanto, è importante eseguire il sacrificio al momento opportuno per riflettere l'attività cerebrale durante un particolare compito all'interno del paradigma di cambiamento della strategia operante. Qui, lo stress ha indotto un aumento significativo dell'attivazione neuronale nell'OFC dei maschi rispetto ai controlli. Tuttavia, lo stress ha indotto una significativa diminuzione dell'attivazione neuronale nell'OFC delle femmine rispetto ai controlli. Inoltre, nei maschi, l'attivazione dell'OFC e le prove al criterio erano negativamente correlate; in particolare, una maggiore attivazione dell'OFC è stata associata a un minor numero di prove al criterio. Al contrario, non vi era alcuna correlazione tra l'attivazione dell'OFC e le prestazioni nelle donne, suggerendo che l'OFC fosse disimpegnato durante queste esibizioni.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61228/61228fig1.jpg"> Figura 1: Schema del cambio di paradigma della strategia operante durante i giorni di formazione e di prova. Fare clic qui per <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/61228/61228fig1large.jpg" target="_blank">visualizzare una versione più ampia di questa figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61228/61228fig2.jpg"> Figura 2: Dati comportamentali rappresentativi dal paradigma di cambiamento della strategia operante. (A) Prove al criterio per ogni compito il giorno della prova. Nel compito di inversione laterale, lo stress ha migliorato le prestazioni nei maschi ma ha compromesso le prestazioni nelle femmine. Nel compito di discriminazione leggera, lo stress ha indebolito le prestazioni nelle femmine, mentre non ha influenzato i maschi. (B) Numero di errori per ogni attività il giorno del test. Lo stress ha ridotto il numero di errori commessi nei maschi, ma ha aumentato gli errori nelle femmine sia nei compiti di inversione laterale che di discriminazione leggera. (C) Categorizzazione degli errori perseverante e regressiva. Lo stress ha diminuito gli errori perseveranti commessi nei maschi, ma ha aumentato gli errori perseveranti commessi nelle femmine sia nei compiti di inversione laterale che di discriminazione leggera. (D) Percentuale di prove omesse e tempo di criterio nel compito di inversione laterale. Lo stress ha aumentato la percentuale di omissioni nei ratti femmina. Lo stress ha diminuito il tempo richiesto dai maschi, ma ha aumentato il tempo richiesto dalle femmine per completare il compito. Le statistiche sono state calcolate utilizzando ANOVA bidirezionale seguito dal t-test di Tukey (n = 12 ratti per gruppo; le barre di errore rappresentano SEM; #p ≤ 0,10, *p < 0,05). Questa cifra è stata modificata da una precedente pubblicazione17. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/61228/61228fig2large.jpg" target="_blank">Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61228/61228fig3.jpg"> Figura 3: Attivazione neurale rappresentativa dopo il cambio di paradigma della strategia operante. (A) Attivazione dell'OFC dopo il cambio di strategia. Immagini rappresentative della colorazione immunoistochimica 3,3'-diaminobenzidina (DAB) utilizzando un anticorpo contro c-fos nell'OFC visualizzate utilizzando la microscopia a campo luminoso, quindi quantificate. Lo stress ha aumentato significativamente l'attivazione (dimostrata dal numero di cellule che esprimono c-fos) nell'OFC dei maschi, mentre ha diminuito l'attivazione nelle femmine. La barra della scala nel pannello immagine in basso a destra rappresenta 200 μm. Le statistiche sono state calcolate utilizzando ANOVA bidirezionale seguito dal t-test di Tukey (n = 12 ratti per gruppo, 6-8 sezioni di OFC analizzate per ratto; le barre di errore rappresentano SEM; *p < 0,05). (B) Prove al criterio nel compito di inversione laterale correlato con l'attivazione dell'OFC. I maschi hanno mostrato una correlazione negativa significativa, mentre le femmine no. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/61228/61228fig3large.jpg" target="_blank">Fare clic qui per visualizzare una versione più ampia di questa figura.</a>

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Assessment of Stress Effects on Cognitive Flexibility using an Operant Strategy Shifting Paradigm

Eventi di vita stressanti compromettono la funzione cognitiva, aumentando il rischio di disturbi psichiatrici. Questo protocollo illustra come lo stress influisce sulla flessibilità cognitiva utilizzando un paradigma automatizzato di cambiamento della strategia operante nei ratti Sprague Dawley maschi e femmine. Vengono discusse aree cerebrali specifiche alla base di particolari comportamenti e viene esplorata la rilevanza traslazionale dei risultati.

Valutazione degli effetti dello stress sulla flessibilità cognitiva utilizzando un paradigma di cambiamento della strategia operante

Stress affects cognitive function. Whether stress enhances or impairs cognitive function depends on several factors, including the 1) type, intensity, and ...

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Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Behavior

3.3K Views.  Bryn Mawr College. Eventi di vita stressanti compromettono la funzione cognitiva, aumentando il rischio di disturbi psichiatrici. Questo protocollo illustra come lo stress influisce sulla flessibilità cognitiva utilizzando un paradigma automatizzato di cambiamento della strategia operante nei ratti Sprague Dawley maschi e femmine. Vengono discusse aree cerebrali specifiche alla base di particolari comportamenti e viene esplorata la rilevanza traslazionale dei risultati.

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The Crossmodal Congruency Task as a Means to Obtain an Objective Behavioral Measure in the Rubber Hand Illusion Paradigm

The rubber hand illusion (RHI) is a popular experimental paradigm. Participants view touch on an artificial rubber hand while the participants' own hidden hand is touched. If the viewed and felt touches are given at the same time then this is sufficient to induce the compelling experience that the rubber hand is one's own hand. The RHI can be used to investigate exactly how the brain constructs distinct body representations for one's own body. Such representations are crucial for successful interactions with the external world. To obtain a subjective measure of the RHI, researchers typically ask participants to rate statements such as "I felt as if the rubber hand were my hand". Here we demonstrate how the crossmodal congruency task can be used to obtain an objective behavioral measure within this paradigm.
The variant of the crossmodal congruency task we employ involves the presentation of tactile targets and visual distractors. Targets and distractors are spatially congruent (i.e. same finger) on some trials and incongruent (i.e. different finger) on others. The difference in performance between incongruent and congruent trials - the crossmodal congruency effect (CCE) - indexes multisensory interactions. Importantly, the CCE is modulated both by viewing a hand as well as the synchrony of viewed and felt touch which are both crucial factors for the RHI.
The use of the crossmodal congruency task within the RHI paradigm has several advantages. It is a simple behavioral measure which can be repeated many times and which can be obtained during the illusion while participants view the artificial hand. Furthermore, this measure is not susceptible to observer and experimenter biases. The combination of the RHI paradigm with the crossmodal congruency task allows in particular for the investigation of multisensory processes which are critical for modulations of body representations as in the RHI.

We demonstrate how an objective measure can be employed in the widely employed rubber hand illusion paradigm. This measure is obtained by modifying the well-established crossmodal congruency task. This task allows the investigation of multisensory processes which are critical for modulations of body representations as in the rubber hand illusion.

La Task Congruenza crossmodali come un mezzo per ottenere una misura comportamentale Obiettivo della mano di gomma Illusion Paradigma

The rubber hand illusion (RHI) is a popular experimental paradigm. Participants view touch on an artificial rubber hand while the participants' own hidden ...

Ricerca

Comportamento

Irrelevant Stimuli and Action Control: Analyzing the Influence of Ignored Stimuli via the Distractor-Response Binding Paradigm

Selection tasks in which simple stimuli (e.g. letters) are presented and a target stimulus has to be selected against one or more distractor stimuli are frequently used in the research on human action control. One important question in these settings is how distractor stimuli, competing with the target stimulus for a response, influence actions. The distractor-response binding paradigm can be used to investigate this influence. It is particular useful to separately analyze response retrieval and distractor inhibition effects. Computer-based experiments are used to collect the data (reaction times and error rates). In a number of sequentially presented pairs of stimulus arrays (prime-probe design), participants respond to targets while ignoring distractor stimuli. Importantly, the factors response relation in the arrays of each pair (repetition vs. change) and distractor relation (repetition vs. change) are varied orthogonally. The repetition of the same distractor then has a different effect depending on response relation (repetition vs. change) between arrays. This result pattern can be explained by response retrieval due to distractor repetition. In addition, distractor inhibition effects are indicated by a general advantage due to distractor repetition. The described paradigm has proven useful to determine relevant parameters for response retrieval effects on human action.

The distractor-response binding paradigm is described. It can be used to shed light on the influence irrelevant stimuli, competing with targets for a response, can have on human action. Both response retrieval effects and distractor inhibition effects can be analyzed within the paradigm.

Stimoli irrilevanti e Azione di controllo: Analizzare l&#39;influenza di stimoli Ignorato tramite il distrattore-Response Binding Paradigm

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The Attentional Set Shifting Task: A Measure of Cognitive Flexibility in Mice

Cognitive impairment, particularly involving dysfunction of circuitry within the prefrontal cortex (PFC), represents a core feature of many neuropsychiatric and neurodevelopmental disorders, including depression, post-traumatic stress disorder, schizophrenia and autism spectrum disorder. Deficits in cognitive function also represent the most difficult symptom domain&#160;to successfully treat, as serotonin reuptake inhibitors and tricyclic antidepressants have only modest effects. Functional neuroimaging studies and postmortem analysis of human brain tissue implicate the PFC as being a primary region of dysregulation in patients with these disorders. However, preclinical behavioral assays used to assess these deficits in mouse models which can be readily manipulated genetically and could provide the basis for studies of new treatment avenues have been underutilized. Here we describe the adaptation of a behavioral assay, the attentional set shifting task (AST), to be performed in mice to assess prefrontal cortex mediated cognitive deficits. The neural circuits underlying behavior during the AST are highly conserved across humans, nonhuman primates and rodents, providing excellent face, construct and predictive validity.

The goal of this protocol is to perform a behavioral assay such as the attentional set shifting task (AST) to assess prefrontal cortex-mediated cognitive flexibility in mice.

La Task attenzionale Set Shifting: una certa flessibilità cognitiva nei topi

Cognitive impairment, particularly involving dysfunction of circuitry within the prefrontal cortex (PFC), represents a core feature of many ...

Investigating the Effects of Antipsychotics and Schizotypy on the N400 Using Event-Related Potentials and Semantic Categorization

Within the field of cognitive neuroscience, functional magnetic resonance imaging (fMRI) is a popular method of visualizing brain function. This is in part because of its excellent spatial resolution, which allows researchers to identify brain areas associated with specific cognitive processes. However, in the quest to localize brain functions, it is relevant to note that many cognitive, sensory, and motor processes have temporal distinctions that are imperative to capture, an aspect that is left unfulfilled by fMRI&#8217;s suboptimal temporal resolution. To better understand cognitive processes, it is thus advantageous to utilize event-related potential (ERP) recording as a method of gathering information about the brain. Some of its advantages include its fantastic temporal resolution, which gives researchers the ability to follow the activity of the brain down to the millisecond. It also directly indexes both excitatory and inhibitory post-synaptic potentials by which most brain computations are performed. This sits in contrast to fMRI, which captures an index of metabolic activity. Further, the non-invasive ERP method does not require a contrast condition: raw ERPs can be examined for just one experimental condition, a distinction from fMRI where control conditions must be subtracted from the experimental condition, leading to uncertainty in associating observations with experimental or contrast conditions. While it is limited by its poor spatial and subcortical activity resolution, ERP recordings&#8217; utility, relative cost-effectiveness, and associated advantages offer strong rationale for its use in cognitive neuroscience to track rapid temporal changes in neural activity. In an effort to foster increase in its use as a research imaging method, and to ensure proper and accurate data collection, the present article will outline &#8211; in the framework of a paradigm using semantic categorization to examine the effects of antipsychotics and schizotypy on the N400 &#8211; the procedure and key aspects associated with ERP data acquisition.

Using event-related EEG potentials (ERPs), we investigate the effects of antipsychotic medications on abnormal semantic brain activations in healthy individuals with schizotypal traits. We use ERPs to track distinct changes in brain activity, shedding insight into the cognitive processes associated with semantic categorization.

Lo studio degli effetti degli antipsicotici e schizotipia sulla N400 Utilizzando potenziali evento-correlati e la categorizzazione semantica

Within the field of cognitive neuroscience, functional magnetic resonance imaging (fMRI) is a popular method of visualizing brain function. This is in ...

Operant Procedures for Assessing Behavioral Flexibility in Rats

Executive functions consist of multiple high-level cognitive processes that drive rule generation and behavioral selection. An emergent property of these processes is the ability to adjust behavior in response to changes in one&#8217;s environment (i.e., behavioral flexibility). These processes are essential to normal human behavior, and may be disrupted in diverse neuropsychiatric conditions, including schizophrenia, alcoholism, depression, stroke, and Alzheimer&#8217;s disease. Understanding of the neurobiology of executive functions has been greatly advanced by the availability of animal tasks for assessing discrete components of behavioral flexibility, particularly strategy shifting and reversal learning. While several types of tasks have been developed, most are non-automated, labor intensive, and allow testing of only one animal at a time. The recent development of automated, operant-based tasks for assessing behavioral flexibility streamlines testing, standardizes stimulus presentation and data recording, and dramatically improves throughput. Here, we describe automated strategy shifting and reversal tasks, using operant chambers controlled by custom written software programs. Using these tasks, we have shown that the medial prefrontal cortex governs strategy shifting but not reversal learning in the rat, similar to the dissociation observed in humans. Moreover, animals with a neonatal hippocampal lesion, a neurodevelopmental model of schizophrenia, are selectively impaired on the strategy shifting task but not the reversal task. The strategy shifting task also allows the identification of separate types of performance errors, each of which is attributable to distinct neural substrates. The availability of these automated tasks, and the evidence supporting the dissociable contributions of separate prefrontal areas, makes them particularly well-suited assays for the investigation of basic neurobiological processes as well as drug discovery and screening in disease models.

The ability to assess executive functions such as behavioral flexibility in rats is useful for investigating the neurobiology of cognition in both intact animals and disease models. Here we describe automated tasks for assessing strategy shifting and reversal learning, which are particularly sensitive to disruptions in prefrontal cortical networks.

Procedure operante per la Valutazione di flessibilità comportamentale in Rats

Executive functions consist of multiple high-level cognitive processes that drive rule generation and behavioral selection. An emergent property of these ...

An Operant Intra-/Extra-dimensional Set-shift Task for Mice

Alterations in executive control and cognitive flexibility, such as attentional set-shifting abilities, are core features of several neuropsychiatric diseases. The most widely used neuropsychological tests for the evaluation of attentional set-shifting in human subjects are the Wisconsin Card Sorting Test (WCST) and the CANTAB Intra-/Extra-dimensional set shift task (ID/ED). These tasks have proven clinical relevance and have been modified and successfully adapted for research in animal models. However, currently available tasks for rodents present several limitations, mainly due to their manual-based testing procedures, which are hampering translational advances in psychiatric medicine. To overcome these limitations and to better mimic the original version in primates, we present the development of a novel operant-based two-chamber ID/ED "Operon" task for rodents. We demonstrated the effectiveness of this novel task to measure different facets of cognitive flexibility in mice including attentional set formation and shifting, and reversal learning. Moreover, we show the high flexibility of this task in which three different perceptual dimensions can be manipulated with a high number of stimuli cues for each dimension. This novel ID/ED Operon task can be an effective preclinical tool for drug testing and/or large genetic screening relevant to the study of executive dysfunction and cognitive symptoms found in psychiatric disorders.

Attentional set-shifting cognitive abnormalities are a core feature of many psychiatric diseases. Here, we present the development of a novel automatic system for the effective study of attentional set-shifting abilities, executive functions and other cognitive abilities in mice with high translational validity to human studies.

Un operante intra / extra-dimensionale Set-shift attività per Mice

Alterations in executive control and cognitive flexibility, such as attentional set-shifting abilities, are core features of several neuropsychiatric ...

New Variations for Strategy Set-shifting in the Rat

Behavioral flexibility is crucial for survival in changing environments. Broadly defined, behavioral flexibility requires a shift of behavioral strategy based on a change in governing rules. We describe a strategy set-shifting task that requires an attentional shift from one stimulus dimension to another. The paradigm is often used for testing cognitive flexibility in primates. However, the rodent version has not been as extensively developed. We have recently extended an established set-shifting task in the rat1 by requiring attention to different stimuli according to context. All the experimental conditions required animals to choose either a left or right lever. Initially, all animals had to choose on the basis of the location of the lever. Subsequently, a change in the rule occurred, which required a shift in set from location-based rule to a rule in which the correct lever was indicated by a light cue. We compared performance on three different versions of the task, in which the light stimulus was either novel, previously relevant, or previously irrelevant. We found that specific neurochemical lesions selectively impaired the ability to make particular types of set shift as measured by the performance on the different versions of the task.

Set-shifting, a form of behavioral flexibility, requires an attentional shift from one stimulus dimension to another. We extended an established rodent set-shifting task1 by requiring attention to different stimuli according to context. The task was combined with specific lesions to identify neuron subtypes underlying a successful shift.

Nuove Variazioni per strategia Set-shifting nel ratto

Behavioral flexibility is crucial for survival in changing environments. Broadly defined, behavioral flexibility requires a shift of behavioral strategy ...

Chronic Stress Shifts Effort-Related Choice Behavior in a Y-Maze Barrier Task in Mice

Mood disorders, including major depressive disorder, can be precipitated by chronic stress. The Y-maze barrier task is an effort-related choice test that measures motivation to expend effort and obtain reward. In mice, chronic stress exposure significantly impacts motivation to work for a higher value reward when a lesser value reward is freely available compared to unstressed mice. Here we describe the chronic corticosterone administration paradigm, which produces a shift in effortful responding in the Y-maze barrier task. In the Y-maze task, one arm contains 4 food pellets, while the other arm contains only 2 pellets. After mice learn to select the high reward arm, barriers with progressively increasing height are then introduced into the high reward arm over multiple test sessions. Unfortunately, most chronic stress paradigms (including corticosterone and social defeat) were developed in male mice and are less effective in female mice. Therefore, we also discuss chronic non-discriminatory social defeat stress (CNSDS), a stress paradigm we developed that is effective in both male and female mice. Repeating results with multiple distinct chronic stressors in male and female mice combined with increased usage of translationally relevant behavior tasks will help to advance the understanding of how chronic stress can precipitate mood disorders.

The Y-maze barrier task is a behavior test that examines motivation to expend effort for reward. Here, we discuss testing multiple well-validated chronic stressors including chronic corticosterone and social defeat stress with this behavior, as well as the novel chronic non-discriminatory social defeat stress (CNSDS), which is effective in females.

Lo stress cronico sposta il comportamento di scelta correlato allo sforzo in un'attività di barriera del labirinto Y nei topi

Mood disorders, including major depressive disorder, can be precipitated by chronic stress. The Y-maze barrier task is an effort-related choice test that ...

<meta charset="utf8"></head><body>Impatto dello stress da contenzione sulla fisiologia e la neurobiologia nei modelli di roditori

Restraint to Induce Stress in Mice and Rats

Across all animal species, exposure to stressful conditions induces stress responses. One method to study the effects of stress using rodent models is the restraint stress procedure. Restraint stress has been used for decades to investigate changes in physiology, genetics, neurobiology, immunology, and other systems impacted by stress. Due to the ease of performing the procedure, low cost, and numerous modifications to scale for the intensity and duration of stress exposure, a vast literature of studies has used restraint stress in mice and rats. As one example, this study presents previously published data showing the impact of restraint stress in transgenic mice on plasma corticosterone levels and optogenetically-induced norepinephrine release. Acute restraint stress increased plasma corticosterone levels, yet this effect was blunted in mice following repeat restraint stress. However, stimulated norepinephrine release in the bed nucleus of the stria terminalis was increased only in the repeat restraint stress group. These data highlight important considerations of restraint parameters on dependent measures. Additional descriptions of restraint stress in rats are also included for comparison. Finally, the influence of the parameters of the restraint (e.g., acute vs. chronic) and characteristics of the animal subjects (strain, sex, age) are discussed.

<meta charset="utf8"></head><body>Contenzione per indurre stress in topi e ratti

This article covers the procedures to induce stress responses using physical restraint stress in mice and rats. Additional considerations that should be observed when selecting and using restraint stress in rodent models are discussed.

Contenzione per indurre stress in topi e ratti

Across all animal species, exposure to stressful conditions induces stress responses. One method to study the effects of stress using rodent models is the ...

Valutazione degli effetti dello stress sulla flessibilità cognitiva utilizzando un paradigma di cambiamento della strategia operante

Riepilogo

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Nuove Variazioni per strategia Set-shifting nel ratto

Lo stress cronico sposta il comportamento di scelta correlato allo sforzo in un'attività di barriera del labirinto Y nei topi

Contenzione per indurre stress in topi e ratti

Contenzione per indurre stress in topi e ratti