The Peak Interval Procedure in Rodents: A Tool for Studying the Neurobiological Basis of Interval Timing and Its Alterations in Models of Human Disease

Animals keep track of time intervals in the seconds to minutes range with, on average, high accuracy but substantial trial-to-trial variability. The ability to detect the statistical signatures of such timing behavior is an indispensable feature of a good and theoretically-tractable testing procedure. A widely used interval timing procedure is the peak interval (PI) procedure, where animals learn to anticipate rewards that become available after a fixed delay. After learning, they cluster their responses around that reward-availability time. The in-depth analysis of such timed anticipatory responses leads to the understanding of an internal timing mechanism, that is, the processing dynamics and systematic biases of the brain’s clock. This protocol explains in detail how the PI procedure can be implemented in rodents, from training through testing to analysis. We showcase both trial-by-trial and trial-averaged analytical methods as a window into these internal processes. This protocol has the advantages of capturing timing behavior in its full-complexity in a fashion that allows for a theoretical treatment of the data., [摘要] 动物跟踪秒至分钟范围内的时间间隔，平均而言具有很高的准确性，但审判与审判之间存在很大差异。检测此类计时行为的统计特征的能力是良好且在理论上易于处理的测试过程的必不可少的特征。广泛使用的间隔计时程序是峰值间隔（PI）程序，在此程序中，动物学会预测固定的延迟后可获得的奖励。学习后，他们会在奖励可用时间将他们的响应集中在周围。对此类定时预期响应的深入分析导致人们了解了内部定时机制，即大脑时钟的处理动力学和系统性偏差。Ť 他的协议详细解释了从培训到测试再到分析，如何在啮齿动物中实施PI程序。我们展示了逐次试验和平均试验分析方法，作为这些内部过程的窗口。该协议的优势在于，它可以以一种完全复杂的方式捕获时序行为，从而可以对数据进行理论上的处理。[背景] Ø rganisms 感知时间，就好像它是一个感觉。它遵循与其他感觉相同的心理生理规则。然而，尚没有将身体时间转换为神经代码的感觉系统。我nterval时机似乎是行为有点像一个认知能力秒表，但神经生物学机制在很大程度上是未知（见巴尔西和寺门，2016）。动物的时间间隔如何成为当今世界许多研究小组研究的几个至关重要的当代研究问题之一。我们研究时间知觉的主要工具一直以来是数十年，并且一直是定时动物行为的核心统计特征-整个动物界共有的统计特征（Malapani 和Fairhust ，2002；Buhusi 和Meck ，2005）。 在这些统计特征中，标量变异性很高，表明随着时间间隔的增加，动物在其表示形式上的变异性也随之增加。这是韦伯定律适用于时间（Gibbon ，1977），因为动物的定时响应的标准偏差与它们的平均值成线性比例（Buhusi 和Meck ，2005；Buhusi 等，2009）。历史上，这些各种心理和统计规律形成的内部时钟的搜索和描述的基础（例如，Matell 和梅克，2004; Oprisan 和布胡希，2014; Balci的和寺门，2016）。 因此，在人和其他动物中检测这些统计特征的能力是良好的时序测试程序必不可少的功能。可以说，使用最广泛的间隔计时程序之一是“峰值间隔”程序，该程序起源于动物研究（Catania，1970； Roberts，1981），后来又进行了人体测试（Rakitin 等，1998）。在峰值间隔（PI）程序中，在某些事件（通常是刺激）发生一定的固定延迟后，可获得奖励（通常是食物颗粒）。为了获得奖励，动物必须做出实验者定义的响应。在某些试验中，无论动物何时做出反应，奖励都不会兑现。这样，除探针试验外，该程序植根于Skinner的经典固定间隔（FI）加固时间表（Ferster 和Skinner，1957年）。 如果在许多FI试验中对动物的缓解率进行平均，则在试验过程中，响应曲线会平滑地增加（如浅S）。在高峰试验中，在预期的补强未能发生之后，响应速度也会平稳下降，就像两个S背对背排列成钟形曲线一样。 尽管标准的固定时间间隔任务在研究计时机制方面仍然扮演着至关重要的角色，但它的主要缺点是只能传达一半的故事。朝目标时间增长的单个S曲线传达了动物对奖励的增长期望。但是当动物期望获得奖励时，它无法准确传达。实际上，奖励交付是程序审查员。它污染了仅由经过的时间指导的预期响应。高峰间隔试验表明，动物的期望功能在目标时间之前增长，在目标时间之后收缩。 这些高峰间隔（探针）试验与FI试验随机混合，持续时间比FI试验（最低3 * FI）要长得多，并且永远无法获得回报。在试验中，钟形响应曲线的峰值反映了动物的最高期望，即准确性的指标。响应曲线的宽度衡量了响应的可变性，这部分反映了动物对间隔的内部表示，经过的时间以及可能还有许多其他因素。时序机制有问题，但完整的联想记忆（即CS-US联想）的受试者在整个试验中将显示出平坦但较高的响应率（例如，参见图3的Meck ，2006）。 钟形曲线响应梯度是通过对单个实验的动物响应进行平均得出的，但并不完全代表单个实验的响应模式，这一差异在理论上可能是有意义的。在单独的PI试验中，预期反应似乎反映了两种不同的内部状态。当试验开始时，受试者很少以低频率回应，称为休息时间。然后，通常在获得预期奖励的大约三分之二的时间里，他们突然开始以很高的速度做出反应（一系列的反应），大概是在期待即将到来的奖励。在高峰时间间隔试验中，如果没有获得奖励，则受试者会在获得奖励时间后突然过渡到休息时间。运行开始的时间称为开始时间，运行结束的时间称为停止时间。这两个事件以动物的内部时钟为指导，在动物转变为不同的内部状态时以最细粒度的形式捕获。 这两次的平均值（中间时间）代表了一次试验的时间准确性。开始时间和停止时间之间的差是传播，它是单次试验中时间精度的代理。每次试验的开始和停止时间各不相同，并且这两个值正相关（Gibbon和Church，1990年）。对单个试验响应和试验内事件之间的相关性（即开始时间，停止时间，中间时间，传播时间）的分析对于理解时间信息处理及其将其转换为定时行为至关重要（Gibbon and Church，1990）。 根据可以从PI数据估算出的有意义的心理参数，研究PI程序将有助于理解大脑的时钟。例如，在标量时序理论中（Gibbon 等，1984），动物具有时钟，记忆和阈值，该阈值确定从时钟经过的时间何时足够接近间隔的存储记忆。这三个函数各自的工作方式以及它们之间的精确关系被写为数学方程式，可以通过实验进行严格测试和修改。最终结果可能是一个非常适合数据的模型，并解释了为什么输入中的更改会影响行为。例如，在不改变停止时间的情况下突然调整开始时间的药物建议更改阈值，因为时钟速度或内存中存储内容的变化会以可预测的方式影响开始时间和停止时间。此外，基于开始时间，停止时间，中间时间和扩展之间的相关性模式，可以推断出内部时钟工作中不同噪声源的相对贡献。例如，如果计时行为的可变性主要源于时钟速度和/或存储器表示形式的试验到审判的可变性，则开始时间和停止时间将呈正相关，而如果计时行为的可变性起源，则这两个量度将呈负相关。主要来自响应阈值的试验间差异。这样的模型，再加上疾病模型的表型，可以使我们了解神经和认知缺陷，这些缺陷表征了与时间感知中断有关的不同状况。 下面，我们总结了如何使用PI程序来研究间隔时间的神经生物学基础以及动机和认知的心理影响。以下总结的研究绝非详尽无遗。他们的目的是向读者展示PI程序在不同情况下的实用性。 病变研究病变研究主要集中在纹状体，前额叶皮层，海马和中脑多巴胺神经元上。从这些研究中，Meck （2006）表明，损害背侧纹状体和黑质致密部可导致扁平的，而非钟形的响应分布，在SNc 后由左旋多巴挽救，但对背侧纹状体病变无帮助。损伤伏隔核并没有显着改变平均反应梯度。然而，有趣的是，伏隔核损伤的受试者对奖励率（1 / FI）不敏感。这表现为峰值响应率的变化，通常与奖励率成正比。 海马病变较早移动峰值（见Meck 等，1984 和2013 ； Balci 等，2009b），有时归因于时间记忆的形成，检索或介导。其他研究表明，尽管背侧海马病变导致较早的高峰时间（Yin和Meck ，2014； Tam 等人，2015），腹侧海马病变引起的高峰时间较晚（Yin和Meck ，2014）。这些峰值偏移仅在平均水平上可见（在分步运行-中断模式中没有峰）。在个别试验中，高峰时间的变化可能显示为开始时间，停止时间或两者的变化。在这种情况下，背侧病变引起的较早移位主要是由于开始时间较早。而更晚的转变似乎主要是由于更晚的停止时间（Yin and Meck ，2014）。 最后，几项研究调查了损伤额叶皮层对PI性能的影响。Olton（1989）和Olton 等。（1988）观察到了后来的高峰。最近，Elcoro 等。（2014年）表明内侧前额叶皮层的6-Hydroxydopamine病变导致较平坦的反应分布，提示精度较低。 药理学一些研究已经表明，多巴胺激动剂，例如甲基苯丙胺和可卡因的急性给药导致剂量依赖性早期峰（Maricq 等人，1981; 梅克，1983;押尼珥等人，2001; Çevik ，2003; Matell 等人。，2006），例如氟哌啶醇多巴胺拮抗剂的急性给药导致在以后的峰（梅克，1983和1996;德鲁等人，2003）。由于这些变化与峰值间隔成正比，因此有时将它们解释为调节内部秒表的速度，分别使其加速和减速（Meck ，1983和1996）。在使用相同药物进行长期治疗后，这些变化恢复正常（看起来更像基线表现）。与归一化的性能相比，停止治疗会使高峰时间向相反的方向移动（例如，终止多巴胺激动剂的慢性治疗后向右移动；Meck ，1983和1996）。 大量研究表明，在单次试用级别上，这些峰值偏移实际上是开始时间的偏移。停止时间不受多巴胺的影响（例如，Taylor 等人，2007；综述见Balci，2014），这可能表明多巴胺改变了决策阈值（可能是通过改变受试者的动机状态）而不是时钟速度。另一组研究表明，多巴胺受体激动剂的作用仅在训练的早期（少于20至30个疗程）观察到，但相同的剂量导致大量训练后（超过70-180的疗程）反应梯度趋于平坦-Balci 等。，2008;郑等人。，2007）。 更少的研究调查了去甲肾上腺素能，血清素能和乙酰胆碱能药物的作用。在其中一项研究中，去甲肾上腺素再摄取抑制剂托莫西汀可导致更精确的（较窄的）反应梯度（Balci 等，2008）。5-HT1A受体激动剂8-OH-DPAT产生了较早的峰，即使相同的拮抗剂本身不会影响峰响应，该峰也会被​​相同受体的拮抗剂（WAY-100635）取消（Asgari 等， 2006）。发现胆碱能拮抗剂S copolamine使反应梯度趋于平坦（Abner 等人，2001； Balci 等人，2008），其被胆碱能激动剂physostigmine拯救（Abner 等人，2001）。当单独使用毒扁豆碱时，它减少了试验在停止时间而不是在开始时间的变异性（Abner 等，2001； Balci 等，2008）。GABAa 受体激动剂氯二氮卓也破坏了对反应的暂时控制（Balci 等，2008）。这组结果表明，药物可以各种方式深刻地影响计时机制，也许有望帮助揭示时间知觉和计时行为的神经生物学基础。 其他操作和模型反应梯度也根据纯粹的心理因素而变化。例如，罗伯茨（Roberts，1981）指出，在测试前就给动物喂食（预喂食）会导致后来的峰值，但是这种影响在进一步的训练后消失了。在整个训练过程中，保持峰值时的响应率（峰值幅度）随预喂而降低。在单项试验分析中，动机性操作通常会影响开始时间而不调节停止时间（即使使用预喂食；参见Plowright 等人的图2b ，2000年）。类似地，开始时间较早移位时脑刺激作为奖励（路德维希等人，2007），当使用不同量的奖励（Galtress 等人，2012A和2012B），和饱食后（巴尔西等人，2010b ）。 峰值间隔程序也已用于研究衰老，年龄如何影响时间知觉和行为（Lejeune 等，1998； Church 等，2014 ；Gür 等，2019a 和2020 ），并用作筛查工具。模拟人类中枢神经系统疾病的转基因动物。这些研究为科学家们提供了信息，不仅限制了我们对计时机械的搜索，还为该疾病提供了新的信息（例如Balci 等，2009a和2010； Cordes和Gallistel ，2008； Garces 等，2018； Ward 等。 。，2009和2011; GUR 。等人，2019 b 和2019 ç ）。 峰间隔过程也有许多限制。例如，随着训练的进行，峰值响应趋于习惯，这改变了不同的操作如何影响计时行为（Cheng 等，2007），典型的训练方案（如此处所示）具有许多不同的步骤，需要训练动物在许多会议上。因此，重要的是每天都要研究单个动物的数据，以在建立稳态状态后立即检测其稳态性能。另一种可能的解决方案是将延迟习惯形成由列车荷兰国际集团在双峰动物间隔过程中，其中，一个响应的选项（例如，左杠杆）与一个间隔和另一响应选项相关联（例如，右杆）与另一个间隔相关联（ Balci 等人，2010a）。主动反应选项可以随机出现在不同的试验或不同的区域中。这也使研究人员可以评估样品中的标量特性是否受到侵犯，或者是实验操作的结果。在测试期间动物需要缺水或缺水，这加剧了长时间训练的问题，这需要特别注意监测动物的体重和健康，并考虑到发育因素。这些动物开始受到测试。根据测试的总持续时间，可以偶尔给动物喂食一到两天的adlib。此外，当响应率非常低时，可能难以估计时序性能参数，尤其是单次分析时。当实验操作导致响应速度显着降低或动物没有足够的动力做出响应时，这构成了分析约束。通常，响应少于预定数量的试验会从数据分析中排除。