Automatizada, Quantitative Cognitiva / Screening Comportamental de Ratos: Para Genética, Farmacologia, Cognição Animal e Instrução Graduação
Summary
Sistema totalmente automatizado para a medição de propriedades fisiologicamente significativas dos mecanismos de mediação de localização espacial, localização temporal duração, taxa e estimativa de probabilidade, avaliação de risco, impulsividade e da exatidão e precisão da memória, a fim de avaliar os efeitos das manipulações genéticas e farmacológicas sobre mecanismos fundamentais da cognição em camundongos.
Abstract
Descreve-se um alto rendimento, de alto volume, totalmente automatizado, live-in 24/7 sistema de testes comportamentais para avaliar os efeitos das manipulações genéticas e farmacológicas sobre os mecanismos básicos da cognição e aprendizagem em ratos. Um rato de polipropileno banheira habitação padrão está ligado através de um tubo de acrílico para uma caixa de teste de mouse padrão comercial. A caixa de teste tem três funis, 2 dos quais estão ligados a pelota alimentadores. Todos são iluminado interiormente com um diodo emissor de luz e monitorizado para a entrada da cabeça por infravermelhos (IR) vigas. Ratos viver no ambiente, o que elimina a manipulação durante a triagem. Eles obtêm seus alimentos durante dois ou mais períodos de alimentação diárias realizando em operante (instrumental) e pavloviana protocolos (clássicos), para o qual temos escrito software de controle de protocolo e em tempo quase real, análise de dados e gráficos software. A análise dos dados e gráficos rotinas são escritos em uma linguagem baseada em MATLAB criado para simplificar a análise do grande tempo-ssocada registros de eventos fisiológicos e comportamentais e preservar uma trilha de dados completa de dados brutos por meio de todas as análises intermédias para os gráficos e estatísticas publicadas dentro de uma única estrutura de dados. O código-análise de dados colhe os dados várias vezes ao dia e submete a análises estatísticas e gráficos, que são automaticamente armazenados na "nuvem" e em computadores de laboratório. Assim, o progresso de ratinhos individuais é visualizado e quantificado por dia. O código-análise de dados de fala com o código de controle de protocolo, permitindo o avanço automático de protocolo para protocolo de sujeitos individuais. Os protocolos comportamentais implementadas estão combinando, autoshaping, programado hopper-switching, avaliação de risco em cronometrado hopper-switching, medição de impulsividade, ea antecipação circadiano da disponibilidade de alimentos. Open-source protocolo de controle e análise de dados de código faz a adição de novos protocolos simples. Oito ambientes de teste caber em um 48 em x 24 em x 78 em gabinete, dois como táxiinets (16 ambientes) pode ser controlado por um computador.
Introduction
Para trazer as poderosas técnicas da genética, genética molecular, biologia molecular e neurofarmacologia para carregar em elucidar os mecanismos celulares e moleculares que medeiam mecanismos básicos da cognição, precisamos de alto volume, métodos de rastreio psicofísicos alta colocá-through que quantificam fisiologicamente significativa propriedades dos mecanismos cognitivos. Uma propriedade psicofisicamente mensurável, fisiológico significativo quantitativo de um mecanismo é uma propriedade que pode ser medido por meio de comportamento e também por meios bioquímicos ou electrofisiológicos. Exemplos disso são o espectro de absorção da rodopsina, o período livre de funcionamento do relógio circadiano, eo período refratário de axônios de recompensa no cérebro anterior medial 1,2 pacote. Medições psicofísicas que podem ser comparados com as medidas celulares e moleculares estabelecer uma base para a ligação de mecanismos celulares e moleculares de mecanismos psicológicos por meio de correspondência quantitativa. Para example, o facto de que o espectro de absorção in situ da rodopsina dos segmentos exteriores das hastes sobrepõe sobre a função de sensibilidade espectral escotópica humana é uma forte evidência de que a isomerização de rodopsina desencadeada fotões é o primeiro passo para a visão escotópica. Os aspectos quantitativos dos padrões de comportamento complexos também são fundamentais para o uso de métodos de QTLs em genética comportamental 3,4.
O desempenho de ratos (e ratos) em protocolos de aprendizagem instrumental e pavlovianas bem estabelecidos depende de mecanismos cerebrais que medem quantidades abstratas como o tempo, número, duração, taxa, probabilidade, risco e localização espacial. Por exemplo, a velocidade de aquisição de respostas condicionadas Pavlovianos depende da relação entre o intervalo médio entre os eventos de reforço (tipicamente, entrega de comida) e a latência média ao reforço após o início do sinal de reforço iminente 5-7. Por um segundo example, o rácio entre a duração média das visitas aos dois funis de alimentação de acordo com um protocolo correspondente aproximadamente igual a relação entre as taxas de reforço nesses dois funis 8-10.
Os métodos de análise comportamental atualmente em uso de largura por neurocientistas interessados em mecanismos subjacentes são, em sua maior parte, de baixo volume, de baixo ciclo produtivo e trabalho intensivo 26. Além disso, eles não medir quantidades que podem ser comparadas com as quantidades medidas através de métodos electrofisiológicos e bioquímicos, tal como, por exemplo, os períodos de medição comportamentalmente e fases de osciladores circadianos pode ser comparado com medidas electrofisiológicos e bioquímicos de período circadiano e fase. Métodos de análise de comportamento atuais concentrar em categorias de aprendizagem, tais como a aprendizagem espacial, temporal, aprendizagem ou medo de aprendizagem, em vez de sobre os mecanismos subjacentes. O teste do labirinto aquático utilizado de aprendizagem espacial 11-15 é um exemplo dessas shortcomings. Aprendizagem espacial é uma categoria. Aprender nessa categoria depende de muitos mecanismos, um dos quais é o mecanismo da conta inoperante 16,17. Estima-se, por sua vez depende do hodômetro, o mecanismo que mede a distância percorrida 18. Da mesma forma, a aprendizagem temporal é uma categoria. Um relógio circadiano está entre os mecanismos em que a aprendizagem em que categoria depende, por um oscilador com um período de cerca de 24 horas é necessário para os animais aprendem a hora do dia em que os eventos ocorrem 17,19. O relógio que permite a antecipação de alimentos tem ainda a ser descoberto 19.
Um relógio é um mecanismo de medição de tempo. Osciladores endógenos com uma vasta gama de períodos de permitir que o cérebro para localizar eventos em tempo através da gravação das fases destes relógios 16,17. A capacidade de gravar localizações no tempo permite a medição da duração, isto é, as distâncias entre os locais em tempo. Aprendizagem associativa depende de tele medições do cérebro de durações 5,6,20,21. Contadores são mecanismos de números de medição. Número de medição permite estimar a probabilidade, porque a probabilidade é a proporção entre a numerosidade de um subconjunto ea numerosidade do superconjunto. Medição número e duração de medição permitir estimar a velocidade de, por causa de uma taxa é o número de eventos, dividida pela duração do intervalo durante o qual o número foi medido. Medidas de duração, número, taxa e probabilidade permitir ajustes comportamentais para mudança riscos. 22,23 Nosso método concentra-se em medir a precisão e exatidão desses mecanismos fundamentais. A precisão é o grau em que a medida do cérebro corresponde a uma medida objetiva. A precisão é a variação ou incerteza na medida do cérebro de um valor objectivo fixado, por exemplo, uma duração fixa. A lei de Weber é o resultado mais antigo e mais firmemente estabelecida em psicofísica. Ele afirma que a precisão domedida do cérebro de uma quantidade é uma fração fixa de que quantidade. A fração de Weber, que é o coeficiente de estatístico da variação em uma distribuição (σ / μ), mede precisão. A relação entre a média psicofísica (por exemplo, a duração média julgado) para a média objetivo (média duração objetiva) é a medida de precisão.
O método aqui apresentado maximiza o volume (número de animais selecionados a qualquer momento em uma determinada quantidade de espaço de laboratório) e throughput (quantidade de informações obtidas dividido pela duração média do exame de um único animal), minimizando a quantidade de recursos humanos trabalho necessário para fazer as medições e maximizando a rapidez com que os resultados da despistagem tornou conhecido.
A arquitetura de software de análise de dados aqui apresentado coloca automaticamente os dados brutos e todos o resumo dos resultados e estatísticas derivadas dos dados juntos em um único destrutura ata, com títulos de campo que processam inteligíveis os vastos mares de números nele contidas. O software de análise só funciona em dados em que a estrutura, e sempre armazena os resultados de suas operações em campos dentro dessa mesma estrutura. Isto garante uma trilha intacta a partir de dados brutos para resumos e gráficos publicados.
O software grava automaticamente para a estrutura dos programas de controlo da experiência que reguladas a testes totalmente automatizado, e indica que os dados brutos automaticamente veio a partir do qual programa. Assim, ele preserva uma trilha de dados impecável, sem nenhuma dúvida a respeito de que condições experimentais estavam em vigor para cada animal em cada ponto no teste e não há dúvida sobre a forma como as estatísticas de resumo foram obtidas a partir dos dados brutos. Este método de preservação de dados facilita muito o desenvolvimento de bases de dados de rastreamento de comportamento padronizados, tornando possível que outros laboratórios para análise destes conjuntos de dados ricos.
<p class = "jove_content"> Este método minimiza o risco de perda de apoio para o firmware e software do qual ele depende. O aparelho de ensaio é trivialmente modificado a partir de uma fonte comercial de longa data. As linguagens de programação são a linguagem personalizado fornecido pelo fabricante do hardware, para o controle de protocolo e, para a análise de dados e gráficos, uma, não comercial, caixa de ferramentas de código aberto construído para o efeito (TSsystem) escrito em uma programação científica comercial amplamente apoiado, os dados análise e linguagem gráfica. A caixa de ferramentas contém comandos de alto nível para a extração de informações estruturais e estatísticas de resumo de registros de eventos com carimbo de tempo longo. Os programas de implementação de protocolo e os programas de análise de dados são de código aberto e totalmente documentado.O sistema de rastreio é esquematizada na Figura 1. Dez armários, cada um contendo oito ambientes de teste podem ser criados em um 10 pés x 15 pés sala de laboratório, permitindo que 80 ratos to ser executado ao mesmo tempo. Cabos que passam através de uma porta em uma parede partido deve conectar os ambientes para os cartões eléctricos / electrónicos de interface e PCs em outra sala. Os PCs executar os programas de controle de protocolo. Um computador é necessário para cada 2 armários (16 ambientes de teste). Os PCs devem ser ligados através de uma rede local para um servidor que execute o-análise de dados e gráficos software.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nosso método produz uma ampla gama de resultados fisiológicos significativos, quantitativos sobre o funcionamento dos diferentes mecanismos de cognição, aprendizagem e memória, para muitos ratos de uma vez, em um montante mínimo de tempo, com um mínimo de trabalho humano, e sem manuseio dos sujeitos experimentais, durante dias, semanas ou meses de teste. Estes atributos adequá-lo para programas de triagem genéticas e farmacológicas. Ele usa minimamente modificado hardware off-the-shelf (caixas de teste e banhe…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
A criação deste sistema foi suportada 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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