Автоматизированная, Количественный Когнитивная / Поведенческие Скрининг мышей: Для генетики, фармакологии, животных познания и Бакалавриат Инструкции
Summary
Полностью автоматизированная система для измерения физиологически значимые свойства механизмов, опосредующих пространственную локализацию, временная локализация, продолжительность, скорость и оценка вероятности, оценки риска, импульсивность, и точность и точность памяти, для того, чтобы оценить воздействие генетических и фармакологических манипуляций на основополагающие механизмы познания у мышей.
Abstract
Мы описываем высокой пропускной, большого объема, полностью автоматизированный, живая-в 24/7 поведенческой системы тестирования для оценки последствий генетических и фармакологических манипуляций на основных механизмов познания и обучения у мышей. Стандартный полипропилен мышь корпус ванна соединена через акриловой трубки к стандартной испытательной коробке коммерческой мыши. Тест коробка имеет 3 бункера, 2 из которых соединены для осаждения кормушки. Все внутренне с подсветкой со светодиодом и мониторинг для записей головы с помощью инфракрасной (ИК) лучей. Мыши живут в окружающей среде, что исключает обращения во время скрининга. Они получают свою пищу в течение двух или более ежедневных периодов кормления, выполняя в оперантного (инструментального) и павловской (классика) протоколы, для которых мы написали протокол-программное управление и анализ данных и графическое программное обеспечение квази-реальном времени. Данные анализа и графические процедуры написаны на языке в MATLAB на основе созданной существенно упростить анализ большое время-сутрамбовывают поведенческие и физиологические записи о событиях и сохранить полный след данных из исходных данных через все промежуточные анализы на опубликованные графиков и статистических данных в рамках единой структуры данных. Код анализа данных собирает свои данные несколько раз в день и подчиняет его статистических и графических анализов, которые автоматически сохраняются в «облаке» и на в-лаборатории компьютеров. Таким образом, прогресс отдельных мышей визуализируется и количественно ежедневно. Код анализа данных разговаривает с протоколом контроля кода, что позволяет автоматизированное продвижение от протокола к протоколу отдельных предметов. Поведенческие протоколы реализованы не уступают, autoshaping, приуроченная хоппер-коммутации, оценка риска во временном бункера-коммутации, измерения импульсивность и циркадных ожидании доступности пищи. С открытым исходным кодом протокола управления и код анализа данных делает добавление новых протоколов просто. Восемь тестовых сред поместиться в 48 в х 24 в х 78 в шкафу; два таких такси(16 inets среды) может управляться одним компьютером.
Introduction
Для приведения мощные методы генетики, молекулярной генетики, молекулярной биологии, и нейрофармакологии нести на выяснении клеточные и молекулярные механизмы, которые опосредуют основные механизмы познания, мы должны в больших объемах, высокого пропускную психофизические методы скрининга, которые количественно физиологически значимым свойства когнитивных механизмов. Психофизически измеримыми, физиологический смысл количественное свойство механизма является свойством, которое может быть измерено поведенческих средств, а также по электрофизиологических или биохимических средств. Примерами могут служить спектр поглощения родопсина, обгонной период циркадных часов, и огнеупорная период вознаграждения аксонов в медиальной переднего мозга расслоения 1,2. Психофизические измерения, которые можно сравнить с клеточных и молекулярных измерений заложить основу для увязки клеточные и молекулярные механизмы психологических механизмов, посредством количественного соответствия. Для examplе, тот факт, что в поглощения Ситу спектра родопсина во внешних сегментов палочек накладывает на скотопического спектральной функции чувствительности человеческого убедительные доказательства того, что фотон-срабатывает изомеризации родопсина является первым шагом в ночное зрение. Количественные аспекты сложных моделей поведения также центральное место в использовании методов QTL в генетике поведения 3,4.
Производительность мышей (и крыс) на устоявшихся инструментальных и павловских протоколов обучения зависит от мозговых механизмов, которые измеряют абстрактные величины, как время, номер, срок действия, скорость, вероятность, риск, и пространственное расположение. Например, скорость приобретения павловских условных рефлексов зависит от соотношения между средним интервалом между армирующих событий (обычно, поставок продовольствия) и среднее время ожидания для армирования после начала сигнала для грядущей армирования 5-7. Для второго exampле, отношение средней продолжительности визитов в двух загрузочных бункеров в протоколе согласования приблизительно равен отношению скоростей арматуры на этих двух бункеров 8-10.
Поведенческие методы тестирования в настоящее время широко используется по неврологов, заинтересованных в основных механизмов являются, по большей части, низкий объем, низкий пропускную способность, и трудоемкими 26. Кроме того, они не измеряют объемы, которые можно сравнить с величинами, измеренными электрофизиологических и биохимических методов, как, например, поведенчески измеренные периоды и фазы циркадных генераторов можно сравнить с электрофизиологических и биохимических показателей циркадного периода и фазы. Современные методы тестирования поведения сосредоточиться на категорий обучения, например, пространственного обучения, временного обучения, или страха обучения, а не на основных механизмов. Широко используемый Водный лабиринт тест пространственного обучения 11-15 является примером этих шortcomings. Пространственное обучение является категория. Обучение в этой категории зависит от многих механизмов, одним из которых является механизм точного расчета 16,17. Навигационное счисление зависит в свою очередь на одометре, механизма, который измеряет расстояние пробег 18. Точно так же, временная обучение является категория. Циркадные часы является одним из механизмов, по которым обучение в этой категории зависит, потому что осциллятор с примерно 24 ч период требуется для животных, чтобы узнать время суток, при котором события происходят 17,19. Часы, что позволяет пищи ожидание до сих пор не обнаружены 19.
Часы для измерения времени механизм. Эндогенные генераторы с широким диапазоном периодов позволяют мозгу, чтобы найти событий во времени путем записи фаз этих часов 16,17. Возможность записи местоположения во времени позволяет измерять длительности, то есть расстояния между точками во времени. Ассоциативного обучения зависит от тон измерения мозга из продолжительности 5,6,20,21. Счетчики-числовые измерения механизмы. Количество измерения позволяет оценка вероятности, потому что вероятность того, соотношение между многочисленности подмножества и многочисленности от надмножество. Измерения Количество и продолжительность измерения позволяют оценку скорости, потому что представляет собой число событий, деленное на продолжительность интервала, по которому это число измеряли. Измерения продолжительности, номер, скорость, и вероятность включения поведенческих коррективы в изменяющихся рисков. 22,23 Наш метод фокусируется на измерении точность и воспроизводимость этих основополагающих механизмов. Точность является степень, в которой мера мозга соответствует объективной мерой. Точность является изменение или неопределенность в меру мозга фиксированной объективной ценности, например, с фиксированной длительностью. Закон Вебера является старейшим и наиболее надежно установлены результат в психофизики. Она утверждает, что точностьмера мозгом количестве является фиксированная доля этого количества. Вебер Фракция, которая является коэффициент статистик в вариации в распределении (σ / μ), измеряет точность. Отношение психофизического среднего (например, имею в виду судить продолжительность) к объективному среднего (среднее объективную длительность) является мерой точности.
Метод, представленный здесь максимизирует объем (количество животных проходит проверку в любой момент времени в данном количестве лаборатории пространства) и пропускную способность (количество информации, полученной на средний срок скрининга одного животного), минимизируя количество человека труда требуется сделать измерения и максимизации непосредственность, с которой результаты скрининга стало известно.
Анализа данных программная архитектура, представленная здесь автоматически переводит исходные данные и все сводные результаты и статистику, полученные из данных вместе в одном гСтруктура ата, с полевыми рубрик, которые делают понятными обширные моря чисел, содержащиеся в ней. Аналитическое программное обеспечение работает только на данных в этой структуре, и всегда сохраняет результаты своей деятельности в областях в рамках этой же структуры. Это гарантирует, неповрежденный след от исходных данных к опубликованным резюме и графиков.
Программа автоматически записывает в структуру эксперимента-управляющих программ, которые управляли полностью автоматизированное тестирование, и он автоматически указывает, какие исходные данные из какой программы. Таким образом, он сохраняет безупречную след данных, без сомнения, какой экспериментальные условия были в силе для каждого животного в каждой точке испытания и нет никаких сомнений, как сводные статистические данные были получены из исходных данных. Этот метод сохранения данных значительно облегчает разработку стандартизованных поведенческих баз данных скрининга, что делает возможным для других лабораторий для проведения дальнейшего анализа эти богатые наборы данных.
<p clзадницу = "jove_content"> Этот метод минимизирует риск потери поддержки для аппаратного и программного обеспечения от которого он зависит. Испытательная аппаратура тривиально редактировался давние коммерческого источника. Языки программирования являются обычай язык обеспечивается производителем оборудования, для управления протокола, и, для анализа данных и построения графиков, специально построенном, некоммерческая, с открытым исходным кодом инструментов (TSsystem) написана очень широкую поддержку коммерческой научного программирования, данных анализ и язык графиков. Панель инструментов содержит высокоуровневые команды для извлечения структурной информации и сводные статистические данные от длительных записей событий с метками времени. Программы для протокола реализации и программы данных анализируя с открытым исходным кодом и тщательно документированы.Система скрининга схематизирован на рисунке 1. Десять шкафы, каждая из которых содержит 8 тестовых сред может быть создана в 10 футов х 15 футов лабораторном помещении на, что позволяет 80 мышей то запускаться в одно время. Кабели, проходящие через порт в партийной стены должны соединить среды для электронных / электрических карт интерфейса и ПК в другой комнате. Персонажи запускать программы протокола управления. Один компьютер требуется на каждые 2 шкафов (16 тестовых средах). Персонажи должны быть подключены через локальной вычислительной сети к серверу под управлением данных анализа и графическое программное обеспечение.
Protocol
Representative Results
Discussion
Наш метод дает широкий спектр физиологических значимых, количественные результаты о функционировании различных механизмов познания, обучения и памяти, для многих мышей сразу, в минимальное количество времени, с минимумом человеческого труда, и без обращения экспериментальных предме…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Создание этой системы была поддержана 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
- Gallistel, C. R., Shizgal, P., Yeomans, J. S. A portrait of the substrate for self-stimulation. Psychol. Rev. 88, 228-273 (1981).
- Takahashi, J. S. Molecular neurobiology and genetics of circadian rhythms in mammals. Ann. Rev. Neurosci. 18, 531-553 (1995).
- Mackay, T. F. C., Stone, E. A., Ayroles, J. F. The genetics of quantitative traits: challenges and prospects. 10, 565-577 (2009).
- Weber, J. N., Peterson, B. K., Hoekstra, H. E. Discrete genetic modules are responsible for complex burrow evolution in Peromyscus mice. Nature. 493, 402-405 (2013).
- Balsam, P. D., Drew, M. R., Gallistel, C. R. Time and Associative Learning. Compar. Cogn. Behav. Rev. 5, 1-22 (2010).
- Gallistel, C. R., Gibbon, J. Psychol Rev. Psychol Rev. 107, 289-344 (2000).
- Ward, R. D., et al. Conditional Stimulus Informativeness Governs Conditioned Stimulus—Unconditioned Stimulus Associability. J. Exp. Psychol. Animal Behav. Process. 38, 217-232 (2012).
- Gallistel, C. R., et al. Is matching innate. J. Exp. Anal. Behav. 87, 161-199 (2007).
- Herrnstein, R. J. Derivatives of matching. Psychol. Rev. 86, 486-495 (1979).
- Mark, T. A., Gallistel, C. R. Kinetics of matching. J. Exp. Psychol. Animal Behav. Process. 20, 79-95 (1994).
- Brandeis, R., Brandys, Y., Yehuda, S. The use of the Morris water maze in the study of memory and learning. Int. J. Neurosci. 48, 29-69 (1989).
- Foucaud, J., Burns, J. G., Mery, F. Use of spatial information and search strategies in a water maze analog in Drosophila melanogaster. PLoS ONE. 5, (2010).
- Logue, S. F., Paylor, R., Wehner, J. M. Hippocampal lesions cause learning deficits in inbred mice in the Morris water maze and conditioned-fear task. Behav. Neurosci. 111, 104-113 (1997).
- Upchurch, M., Wehner, J. M. Differences between inbred strains of mice in Morris water maze performance. Behav. Genet. 18, 55-68 (1988).
- Zilles, K., Wu, J., Crusio, W. E., Schwegler, H. Water maze and radial maze learning and the density of binding sites of glutamate, GABA, and serotonin receptors in the hippocampus of inbred mouse strains. Hippocampus. 10, 213-225 (2000).
- Chen, G., King, J. A., Burgess, N., O’Keefe, J. How vision and movement combine in the hippocampal place code. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 110, 378-383 (2013).
- Gallistel, C. R. . The organization of learning. , (1990).
- Wittlinger, M., Wehner, R., Wolf, H. The desert ant odometer: a stride integrator that accounts for stride length and walking speed. J. Exp. Biol. 210, (2007).
- Challet, E., Mendoza, J., Dardente, H., Pevet, P. Neurogenetics of food anticipation. Eur. J. Neurosci. 30, 1676-1687 (2009).
- Arcediano, F., Miller, R. R. Some constraints for models of timing: A temporal coding hypothesis perspective. Learn. Mot. 33, 105-123 (2002).
- Denniston, J. C., Blaisdell, A. P., Miller, R. R. Temporal Coding in Conditioned Inhibition: Analysis of Associative Structure of Inhibition. J. Exp. Psychol. Animal Behav. Process. 30, 190-202 (2004).
- Balci, F., Freestone, D., Gallistel, C. R. Risk assessment in man and mouse. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 106, 2459-2463 (2009).
- Kheifets, A., Gallistel, C. R. Mice take calculated risks. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 109, 8776-8779 (2012).
- Fetterman, J. G., Killeen, P. R. Categorical scaling of time: Implications for clock-counter models. J. Exp. Psychol. Animal Behav. Process. 21, 43-63 (1995).
- Luby, M., et al. Food anticipatory activity behavior of mice across a wide range of circadian and non-circadian intervals. PLoS One. 7, (2012).
- Lee, S. A., Vallortigara, G., Ruga, V., Sovrano, V. A. Independent effects of geometry and landmark in a spontaneous reorientation task: a study of two species of fish. Animal Cogn. 15, 861-870 (2012).
- Rodriguiz, R., Wetsel, W. C., Levin, E. D., Buccafusco, J. J. . Animal Models of Cognitive Impairment Ch. 12. , (2006).
- Gallistel, C. R., et al. Fully Automated Cognitive Assessment of Mice Strains Heterozygous for Cell–Adhesion Genes Reveals Strain–Specific Alterations in Timing Precision. Philosoph. Trans. Royal Soc. B. , (2013).
