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Titel:Sequential behaviour in the Rat: Design and applications of a Serial Reaction Time Task
Autor:Domenger, Dorothée
Weitere Beteiligte: Schwarting, Rainer K.W. (Prof. Dr.)
Veröffentlicht:2007
URI:https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2008/0061
DOI: https://doi.org/10.17192/z2008.0061
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2008-00610
DDC: Psychologie
Titel(trans.):Sequentielles Verhalten in der Ratte: Entwicklung und Anwendungen einer seriellen Reaktionszeitaufgabe
Publikationsdatum:2008-01-25
Lizenz:https://rightsstatements.org/vocab/InC-NC/1.0/

Dokument

Schlagwörter:
Sequentielles Lernen, Serielle Reaktionszeitaufgabe, Prozedurales lernen, Srtt, Serial Reaction Time Task, Ratten, Ratten, Dopamin, Procedural learning, Dopamin, Sequential learning, Rats, Sequential behaviour, Sequentielles Lernen

Summary:
The study of sequential behaviour which relies among others on dopamine mechanisms and basal ganglia networks, is particularly relevant in Parkinsonian patients. Sequential behaviour can be ex- tensively studied through the use of a standard test known as the Serial Reaction Time Task (SRTT) in humans and non-human pri- mates. Although a rodent model of such a test would be very useful to investigate the underlying brain mechanisms of this type of learn- ing, there is no standardised rodent test. The aim of the three studies presented in this work was to characterise sequential behaviour in the intact rat as an analogy to the human standard test. The aim of the first study was to implement a rat model of the hu- man standard SRTT. The designed task required the rats to poke fast with their nose (motor answer) into lit holes (visual stimulus, one of four locations) and to perform a series of such nosepokes in order to get a food-reward, according to a fixed ratio schedule of reinforce- ment (FR). The location of the light was displayed in either random or sequential order and sequential learning was inferred from the dif- ference in performance between the two conditions within-session. We found that the rats performed better in the sequential condition, in terms of speed, accuracy and number of rewards earned. Details of the test were improved in the course of the studies to ensure that the better performance in sequential condition could only be attributed to the learning of the serial order information and no other general skill. Rats were finally tested on a repeated sequence of twelve ordered locations under a FR13. The length of the FR13 series was intention- ally longer than the length of the repeated sequence to dissociate the sequence locations from the FR schedule positions. The sequence structure was cautiously generated according to statistical rules (e.g. locations frequency, transitions frequency). These features provided a level of sequence difficulty comparable to the human one. This test was used in the second study to investigate the role of dopamine in this task in general and in the sequential performance of well-trained rats in particular. As this SRTT was planned to be applied in dopamine-depleted rats, the effects of the blockade of the dopaminergic transmission were first studied. A D1 and a D2 se- lective antagonists were used and injected systemically. We found that both antagonists produced dramatic disruption of responding, decreased response rate and increased the number of omissions. Only the D1 antagonist increased accuracy to a small extent. These effects were independent of the condition and dose-dependent. The D1 antagonist specifically impaired initial reaction times (within the first halves) of the series, whereas the D2 antagonist affected the whole pattern. Under D1 antagonist treatment, reaction times did not improve in sequential condition compared to random condition, which would reflect a specific effect of the D1 receptor in sequential performance. The third study aimed at investigating to which extent well-trained rats in the SRTT developed a habit. Rats were trained in sequential con- dition and were then confronted during a test with randomly inserted unique sequence violations. A detailed analysis of the performance yielded that rats showed indices of habit but also that attention was still playing a role. At the position of the violation, either the rats dis- played lengthened reaction times for correct pokes or poked fast into the hole where the light should have appeared according to the se- quential order (“expected” light location). This fast answer was how- ever now incorrect because of the sequence violation. Repetition of this test in a bigger group of rats proved the reliability of these results. In this repeated experiment, the apparatus and details of the task (but not of the sequence) were modified to suit application in dopamine- depleted animals for which motor requirements for example, have to be minimized. The rat SRTT with food-reinforcement described here shows high face-validity with the standard human SRTT. It has been effective for the biopsychological characterisation in intact rats of sequential performance, which in many aspects resembled the human one. The designed SRTT with food-reinforcement will probably be of value as a rodent model for the study of sequential behaviour in dopamine- depleted animals as a model for Parkinson disease.

Zusammenfassung:
Experimentelle Modelle des sequenziellen Verhaltens basieren un- ter anderem auf dopaminerge Mechanismen und Basalganglien- Netzwerke, die auch bei Parkinson Patienten besonders relevant sind. Sequenzielles Verhalten konnte im Menschen und nicht- menschlichen Primaten anhand eines standardisierten Tests, be- kannt als “Serial Reaction Time Task” (SRTT; Serielle Reaktionszeit- aufgabe), weitgehend studiert werden. Um die grundlegenden Ge- hirnmechanismen dieser Art des Lernens zu untersuchen, wäre ein Modell eines solchen standardisierten Tests für Nagetiere sehr hilf- reich. Das Ziel der drei in dieser Arbeit vorgestellten Studien war, das sequenzielle Verhalten mit einer dem menschlichen Test vergleichba- ren Prozedur in der unbehandelten Ratte zu charakterisieren. Das Ziel der ersten Studie war die Implementierung eines Ratten- modells des standardisierten SRTT. In dem hier entwickelten Test müssen die Ratten zeitnah mit der Nase in das beleuchtete Loch (visueller Stimulus, eines von vier Löchern) stoßen (poke, motori- sche Antwort), um eine Futterbelohnung nach einer festen Anzahl an korrekten pokes zu bekommen (fixed ratio (FR) reinforcement sched- ule, Verstärkerplan mit fester Rate). Der Lichtstimulus wurde entspre- chend einer sequenziellen oder zufälligen Reihenfolge präsentiert. Aus der Leistungsdifferenz unter beiden Bedingungen konnte auf se- quenzielles Lernen geschlossen werden. Die Ratten zeigten signifi- kant bessere Ergebnisse in der sequenziellen Bedingung bezüglich der Geschwindigkeit, der Genauigkeit und der Anzahl der Belohnun- gen. Der Test wurde im Verlauf der drei Studien verbessert, um si- cherzustellen, dass die verbesserte sequenzielle Leistung auf das Lernen der reinen sequenziellen Reihenfolge Information zurückge- führt werden konnte. Die Ratten wurden schließlich mit einer wieder- holten zwölfreihigen Lichtortsequenz zusammen mit einem FR13 ge- testet. Die Länge der FR13 Serien war absichtlich länger als die wie- derholte Sequenz, um die Lichtort in der Sequenz von den Positionen in der Serie zu trennen. Die Sequenzstruktur wurde unter sorgfältiger Beachtung statistischer Regeln (z.B. Lichtort Häufigkeiten, Lichtort- übergänge Häufigkeiten) erstellt. Diese Maßnahmen führten zu einer n der zweiten Studie wurde dieser Test benutzt, um sowohl die ge- nerelle Rolle von Dopamin bezüglich dieser Aufgabe, als auch die spezifische Rolle bezüglich der sequenziellen Leistung gut trainierter Ratten zu untersuchen. Da der Test mit Dopamindefizienter Ratten durchgeführt werden sollte, wurden zunächst die Effekte der Blocka- de der dopaminergen Transmission studiert. D1 bzw. D2 selektive Dopaminrezeptor-Antagonisten wurden benutzt und systemisch inji- ziert. Beide Antagonisten erzeugten drastische Unterbrechungen des konditionierten Verhaltens, verminderten die Antwortrate und erhöh- ten die Anzahl der Auslassungen. Nur der D1 Antagonist erhöhte in geringem Maße die Genauigkeit. Diese Effekte waren unhabhängig von den Bedingungen und Dosis-abhängig. Der D1 Antagonist erhöh- te besonders die Anfangs-Reaktionszeiten, wohingegen der D2 Ant- agonist die kompletten Reaktionszeit-Muster stark störte. Unter Ein- fluss des D1 Antagonisten wurden die Reaktionszeiten in der sequen- ziellen Bedingung im Vergleich mit der zufälligen Bedingung nicht verbessert. Dies würde einen möglichen spezifischen Effekt des D1 Rezeptors auf die sequenzielle Leistung nachweisen. Die Ergebnisse unter Einsatz des D2 Antagonisten erschienen eher nicht beweiskräf- tig. Die dritte Studie sollte zeigen, in wie weit in gut trainierten Ratten se- quenzielles Verhalten zu einer Gewohnheit geworden ist. Dazu wurde den Ratten in der Trainingsphase ein stabiles sequenzielles Verhal- ten antrainiert, um sie in der Testphase mit einzelnen zufällig hin- zugefügten Sequenz-Verletzungen zu konfrontieren. Die detaillierte Analyse der Leistung lieferte Hinweise, dass die Ratten mit einer gewissen Gewohnheit arbeiteten, aber dass auch die Aufmerksam- keit eine Rolle spielte. Als die Störungen auftraten, benötigten die Ratten mehr Zeit für eine richtige Antwort oder sie wählten in kürze- rer Zeit das Loch, in dem das Licht entsprechend der sequenziellen Reihenfolge erscheinen sollte (“erwarteter” Lichtort). Diese schnelle- re Antwort wurde jedoch auf Grund der Sequenzverletzung ungültig. Die Wiederholung dieses Tests in einer größeren Gruppe von Ratten bestätigte die Reliabilität dieser Ergebnisse. In diesem wiederholten Experiment wurden die Konditionierungsboxen und die Details der Aufgabe (nicht aber der Sequenz) modifiziert, um die motorischen Anforderungen zu minimieren. Dadurch wurde eine Anwendung in Dopamindefizienten Ratten ermöglicht. Das hier beschriebene Ratten-SRTT mit Futter-Verstärkung zeigte ei- ne hohe Augenschein-Validität mit dem im Menschen standadisier- ten SRTT. Es ermöglicht eine effiziente biopsychologische Charak- terisierung der sequenziellen Leistung in unbehandelten Ratten. Die beobachtete sequenzielle Leistung der Ratten ähnelte der des Men- schen in mehreren Aspekten. Die mit Futterverstärkung modifizierte SRTT dürfte sehr hilfreich sein, um das sequenzielle Verhalten in Do- pamindefizienten Ratten als Modell für Morbus Parkinson zu studie- ren.


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