Automatizado, cuantitativa Cognitiva / Screening de comportamiento de los ratones: Para Genética, Farmacología, Animal Cognition and Instruction Pregrado
Summary
Sistema totalmente automatizado para medir propiedades fisiológicamente significativas de los mecanismos que median la localización espacial, la localización temporal, la duración, la frecuencia y la estimación de la probabilidad, la evaluación de riesgos, la impulsividad y la exactitud y precisión de la memoria, con el fin de evaluar los efectos de las manipulaciones genéticas y farmacológicas sobre mecanismos fundamentales de la cognición en ratones.
Abstract
Se describe un alto rendimiento, de alto volumen, totalmente automatizado, vivir 24/7 sistema de pruebas de comportamiento para evaluar los efectos de las manipulaciones genéticas y farmacológicas sobre los mecanismos básicos de la cognición y el aprendizaje en ratones. Una bañera estándar carcasa de polipropileno ratón está conectado a través de un tubo de acrílico con una caja de prueba de ratón estándar comercial. La caja de la prueba tiene 3 tolvas, 2 de los cuales están conectados a sedimentar alimentadores. Todos son internos que se puede iluminar con un LED y supervisado por las entradas de cabeza por infrarrojos (IR) vigas. Los ratones viven en el ambiente, lo que elimina la manipulación durante la investigación. Obtienen su alimento durante dos o más períodos de alimentación diaria realizando en operante protocolos (clásicas) (instrumental) y pavloviana, para lo cual hemos creado un software de control de protocolo y el análisis de datos y la representación gráfica de software en tiempo cuasi-real. Las rutinas de análisis de datos y gráficos están escritos en un lenguaje basado en MATLAB creado para simplificar en gran medida el análisis de gran tiempo de sapisonada registros de eventos conductuales y fisiológicos y preservar un rastro de datos completa de los datos en bruto a través de todos los análisis intermedios, a los gráficos y las estadísticas publicadas en una misma estructura de datos. El código de análisis de datos recolecta los datos varias veces al día y somete a los análisis estadísticos y gráficos, que se almacenan automáticamente en la "nube" y en los equipos de laboratorio. Por lo tanto, el progreso de los ratones individuales se visualizó y se cuantificó diaria. El código de análisis de datos habla con el código de control de protocolo, lo que permite el avance automático de un protocolo a otro de los sujetos individuales. Los protocolos de comportamiento implementados son coincidentes, autoshaping, tolva de conmutación temporizada, la evaluación de riesgos en la cronometrada de tolva de conmutación, medición de la impulsividad, y la anticipación circadiano de la disponibilidad de alimentos. De código abierto de control de protocolo y el código de análisis de datos hace que la adición de nuevos protocolos de simple. Ocho entornos de prueba encajan en una 48 en x 24 en x 78 en el gabinete, dos como taxiinets (16 ambientes) pueden ser controlados por un ordenador.
Introduction
Para traer las poderosas técnicas de la genética, la genética molecular, la biología molecular y la neurofarmacología para influir en la aclaración de los mecanismos celulares y moleculares que median mecanismos básicos de la cognición, necesitamos de alto volumen, procedimientos de selección psicofísicos alto rendimiento de procesamiento que cuantifican fisiológicamente significativa propiedades de mecanismos cognitivos. A fisiológica propiedad cuantitativa psychophysically medible, significativo de un mecanismo es una propiedad que puede ser medida por medio del comportamiento y también por medio electrofisiológicas o bioquímicas. Ejemplos de ello son el espectro de absorción de la rodopsina, el período de funcionamiento libre del reloj circadiano, y el período refractario de los axones de recompensa en el cerebro anterior medial 1,2 paquete. Mediciones psicofísicas que se pueden comparar con las mediciones celulares y moleculares sentar una base para la vinculación de los mecanismos celulares y moleculares de los mecanismos psicológicos por medio de correspondencia cuantitativa. Por ejemple, el hecho de que el espectro de absorción en situ de la rodopsina en los segmentos externos de varillas superpone sobre la función de sensibilidad espectral escotópica humana es una fuerte evidencia de que el fotón disparado por isomerización de la rodopsina es el primer paso en la visión escotópica. Los aspectos cuantitativos de los patrones de comportamiento complejos también son fundamentales para la utilización de métodos de QTL en la genética del comportamiento 3,4.
El desempeño de los ratones (y ratas) en protocolos de aprendizaje instrumentales y pavlovianas bien establecidos depende de los mecanismos del cerebro que miden cantidades abstractas como el tiempo, número, duración, tasa, probabilidad, riesgo, y la ubicación espacial. Por ejemplo, la velocidad de adquisición de respuestas condicionadas pavlovianas depende de la relación entre el intervalo promedio entre los eventos de refuerzo (típicamente, las entregas de alimentos) y la latencia media al refuerzo después de la aparición de la señal para el refuerzo inminente 5-7. Por un segundo EJEMPLOSLe, la relación de la duración media de las visitas a dos tolvas de alimentación en un protocolo de juego es aproximadamente igual a la relación de las tasas de refuerzo en las dos tolvas de 8-10.
Los métodos de prueba de comportamiento actualmente en uso de ancho por neurólogos interesados en los mecanismos subyacentes son, en su mayor parte, de bajo volumen, a través de poner bajo, y mucha mano de obra 26. Por otra parte, no miden las cantidades que se pueden comparar con las cantidades medidas por métodos electrofisiológicos y bioquímicos, como, por ejemplo, los períodos y fases medidas de comportamiento de los osciladores circadianos se pueden comparar a las medidas electrofisiológicas y bioquímicas de período circadiano y fase. Los métodos actuales de prueba de comportamiento se centran en las categorías de aprendizaje, tales como el aprendizaje espacial, el aprendizaje temporal, o el aprendizaje del miedo, en lugar de en los mecanismos subyacentes. La prueba de laberinto de agua ampliamente utilizado de aprendizaje espacial 11-15 es un ejemplo de estos shortcomings. Aprendizaje espacial es una categoría. El aprendizaje en esa categoría depende de muchos mecanismos, uno de los cuales es el mecanismo de navegación a estima 16,17. Reconocimiento continuo depende a su vez en el odómetro, el mecanismo que mide la distancia recorrida 18. Del mismo modo, el aprendizaje temporal es una categoría. Un reloj circadiano es uno de los mecanismos en los que el aprendizaje en esa categoría depende, porque un oscilador con un período de aproximadamente 24 horas se requiere para los animales para aprender la hora del día a la que se producen los eventos 17,19. El reloj que permite la anticipación de alimentos aún no se ha descubierto 19.
Un reloj es un mecanismo de tiempo de medición. Osciladores endógeno con una amplia gama de períodos permiten que el cerebro para localizar eventos en el tiempo mediante el registro de las fases de esos relojes 16,17. La capacidad de registrar ubicaciones en el tiempo permite la medición de la duración, es decir, distancias entre lugares en tiempo. Aprendizaje asociativo depende de tque las mediciones de cerebro de duraciones 5,6,20,21. Los contadores son los mecanismos de números de medición. Número de medición permite la estimación de probabilidad, ya que la probabilidad es la proporción entre la numerosidad de un subconjunto y la numerosidad de la superserie. Número de medición y la duración de medición permiten la estimación de tasa, porque una tasa es el número de eventos dividido por la duración del intervalo en el que se midió ese número. Las mediciones de la duración, número, tasa, y la probabilidad permiten ajustes de comportamiento a los riesgos cambiantes. 22,23 Nuestro método se centra en la medición de la exactitud y precisión de estos mecanismos fundamentales. La precisión es el grado en que la medida del cerebro corresponde a una medida objetiva. La precisión es la variación o la incertidumbre en la medida del cerebro de un valor objetivo fijado, por ejemplo, una duración fija. Ley de Weber es el resultado más antiguo y más segura establecida en la psicofísica. Se afirma que la precisión de lala medida del cerebro de una cantidad es una fracción fija de esa cantidad. La Fracción Weber, que es el coeficiente de la estadística de la variación en la distribución (σ / μ), mide la precisión. La relación de la media psicofísica (por ejemplo, la duración media juzgados) con la media objetivo (duración media objetivo) es la medida de la precisión.
El método presentado aquí maximiza el volumen (número de animales que están siendo revisadas en cualquier momento en una determinada cantidad de espacio en el laboratorio) y el rendimiento (cantidad de información obtenida dividida por la duración media de la proyección de un solo animal) y reducir al mínimo la cantidad de humana mano de obra requerida para hacer las mediciones y la maximización de la inmediatez con la que los resultados de la selección se conoce.
La arquitectura de software de análisis de datos que aquí se presenta pone automáticamente los datos en bruto y todos los resultados de resumen y estadísticas derivadas de los datos en un solo destructura ata, con encabezados de campos que hacen inteligibles los vastos mares de números contenidas en este. El software de análisis sólo funciona con datos de esa estructura, y siempre almacena los resultados de sus operaciones en los campos dentro de la misma estructura. Esto asegura una pista intacto de los datos en bruto a los resúmenes y gráficos publicados.
El software escribe automáticamente en la estructura de los programas de control del experimento que rigen la prueba totalmente automatizada, e indica automáticamente que los datos en bruto proceden de qué programa. De este modo, conserva un registro de datos impecable, sin lugar a dudas en cuanto a que las condiciones experimentales se encontraban en vigor para cada animal en cada punto de la prueba y no hay duda acerca de cómo se obtuvieron las estadísticas de resumen de los datos brutos. Este método de conservación de datos facilita en gran medida el desarrollo de bases de datos de detección de comportamiento estandarizadas, por lo que es posible que otros laboratorios para analizar más estos conjuntos de datos ricos.
<p clculo = "jove_content"> Este método minimiza el riesgo de pérdida de apoyo para el firmware y el software del que depende. El aparato de ensayo se trivialmente modificado a partir de una fuente comercial establecido largo. Los lenguajes de programación son el lenguaje personalizado proporcionado por el fabricante del hardware, para el control de protocolo y, para el análisis de datos y gráficos, a, no comercial, la caja de herramientas de código abierto construido especialmente (TSsystem) escritos en una programación científica comercial muy amplio apoyo, los datos el análisis y la lengua gráfica. La caja de herramientas contiene comandos de alto nivel para extraer información estructural y estadísticas de resumen de largos registros de eventos con marca de tiempo. Los programas de protocolo-implementación y los programas de análisis de datos son de código abierto y completamente documentados.El sistema de selección se esquematiza en la Figura 1. Diez gabinetes, cada uno conteniendo 8 entornos de prueba pueden establecerse en un 10 pies x 15 pies sala de laboratorio, lo que permite 80 ratones camisetaso puede ejecutar a la vez. Cables que pasan a través de un puerto en una pared medianera deben conectar los entornos de las tarjetas eléctricos / electrónicos de interfaz y PC en otra habitación. Los ordenadores funcionan los programas de control de protocolo. Se requiere una computadora por cada 2 gabinetes (16 entornos de prueba). Los ordenadores deben estar conectados a través de una red de área local a un servidor que ejecuta los datos-análisis y la representación gráfica de software.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nuestro método produce una amplia gama de los resultados fisiológicos significativos, cuantitativos sobre el funcionamiento de varios mecanismos diferentes de la cognición, el aprendizaje y la memoria, para muchos ratones a la vez, en una cantidad mínima de tiempo, con un mínimo de mano de obra humana, y sin manipulación de los sujetos de experimentación durante días, semanas o meses de pruebas. Estos atributos se adaptan para los programas de cribado genéticos y farmacológicos. Utiliza hardware mínimamente m…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
La creación de este sistema fue apoyado por 5RO1MH77027.
Materials
| SmartCtrl Connection Panel | Med Associates | SG-716B (115) | control panel for inputs/outputs | 8 |
| SmartCtrl Interface Module | Med Associates | DIG-716B (114) | smart card for each chamber | 8 |
| Universal Cable | Med Associates | SG-210CB (115) | cable from smart card to control panel | 1 |
| Tabletop Interface Cabinet | Med Associates | SG-6080C (109) | cabinet to hold smart cards | 1 |
| Rack Mount Power Supply | Med Associates | SG-500 (112) | 28 volt power | 1 |
| Wide Mouse Test Chamber | Med Associates | ENV-307W (31) | test chamber | 8 |
| Filler Panel Package | Med Associates | ENV-307W-FP (32) | various-size panels for test chamber | 8 |
| Wide Mouse Modular Grid Floor | Med Associates | ENV-307W-GF (31) | test chamber floor grid | 8 |
| Head Entry Detector | Med Associates | ENV-303HDW (62) | head entry/pellet entry into hopper | 40 |
| Pellet Dispenser | Med Associates | ENV-203-20 (73) | feeder | 16 |
| Pellet Receptacle | Med Associates | ENV-303W (61) | hopper | 24 |
| Pellet Receptacle Light | Med Associates | ENV-303RL (62) | hopper light | 24 |
| House Light | Med Associates | ENV-315W (43) | house light | 8 |
| IR Controller | Med Associates | ENV-253B (77) | entry detector for tube between nest and test | 16 |
| Fan | Med Associates | ENV-025F28 (42) | exhaust fan for each chamber | 8 |
| Polypropylene Nest Tub | nest box | 8 | ||
| Acrylic Connection Tube | connection between nest and test areas | 8 | ||
| Steel Cabinet | cabinet to hold test chambers (78"H, 48"W, 24"D) | 1 | ||
| Windows computer | running MedPC experiment-control software | 1 | ||
| Server | running Matlab, linked to exper-control computer by LAN | 1 | ||
| Software | ||||
| MedPC software | Med Associates | proprietary process-control programming language | 1 | |
| Matlab w Statistics Toolbox | Matlab | proprietary data analysis and graphing programing system | 1 | |
| TSsystem | in Supplementary Material w updates from senior author | Open-source Matlab Toolbox | 1 | |
| Note: This is the euipment needed for one cabinet, containing 8 test environments. Hardware must be replicated for each such cabinet. However one computer can control 2 cabinets (16 test environments) |
Riferimenti
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