Een systeem voor het bijhouden van de dynamiek van sociaal voorkeurs gedrag bij kleine knaagdieren
Summary
Hier beschreven is een nieuw geautomatiseerd experimenteel systeem dat een alternatief biedt voor de test met drie kamers en ook verschillende voorbehoud oplost. Dit systeem levert meerdere gedragsparameters die een grondige analyse van de kleine knaagdier gedrag dynamiek tijdens de sociale voorkeur en sociale nieuwigheid voorkeur tests mogelijk te maken.
Abstract
Het verkennen van de neurobiologische mechanismen van sociaal gedrag vereist gedragstesten die kunnen worden toegepast op diermodellen op een onbevooroordeelde en waarnemer-onafhankelijke manier. Sinds het begin van het Millennium is de test met drie kamer op grote schaal gebruikt als een standaard paradigma om de gezelligheid (sociale voorkeur) en sociale nieuwigheid voorkeur bij kleine knaagdieren te evalueren. Echter, deze test lijdt aan meerdere beperkingen, met inbegrip van de afhankelijkheid van ruimtelijke navigatie en nalatigheid van gedrags dynamiek. Hier gepresenteerd en gevalideerd is een nieuw experimenteel systeem dat een alternatief biedt voor de test met drie kamers, terwijl het ook enkele van zijn voorbehoud oplost. Het systeem vereist een eenvoudig en betaalbaar experimenteel apparaat en een openbaar beschikbaar open-source analysesysteem, dat automatisch meerdere gedragsparameters op individueel en bevolkingsniveau meet en analyseert. Het maakt gedetailleerde analyse van de gedrags dynamiek van kleine knaagdieren tijdens elke sociale discriminatie test. We demonstreren de efficiëntie van het systeem bij het analyseren van de dynamiek van sociaal gedrag tijdens de sociale voorkeur en sociale nieuwheidsvoorkeur tests zoals uitgevoerd door volwassen mannelijke muizen en ratten. Bovendien valideren we het vermogen van het systeem om aangepaste dynamiek van sociaal gedrag in knaagdieren na manipulaties zoals whisker-trimmen te onthullen. Het systeem zorgt dus voor een rigoureus onderzoek naar sociaal gedrag en dynamiek in kleine knaagdieren modellen en ondersteunt nauwkeurigere vergelijkingen tussen stammen, condities en behandelingen.
Introduction
Het onthullen van de biologische mechanismen onderliggende neuroontwikkelingsstoornissen (Ndd’s) is een van de belangrijkste uitdagingen op het gebied van neurowetenschappen1. Het aanpakken van deze uitdaging vereist gedrags paradigma’s en experimentele systemen die het gedrag van knaagdieren op een standaard en onbevooroordeelde manier typeren. Een invloedrijke studie die meer dan een decennium geleden werd gepubliceerd door Moy en collega’s2 presenteerde de drie kamer test. Sindsdien is deze test op grote schaal gebruikt om sociaal gedrag in knaagdieren modellen van Ndd’s te onderzoeken. Deze test evalueert twee aangeboren tendensen van knaagdieren: 1) om in de nabijheid van een sociale stimulans over een object (gezelligheid, ook wel sociale voorkeur [SP]) te blijven, en 2) om de nabijheid van een nieuwe sociale stimulans over een vertrouwde een te verkiezen (sociale nieuwigheid voorkeur [SNP])3,4. Verschillende daaropvolgende studies suggereerden methoden voor geautomatiseerde analyse van de test met drie kamer met behulp van computergestuurde methoden5,6.
Deze test heeft nog steeds last van verschillende kanttekeningen. Ten eerste onderzoekt het hoofdzakelijk de voorkeur van sociale plaatsen in plaats van de motivatie van het onderwerp om rechtstreeks te communiceren met een sociale stimulans, hoewel sommige groepen ook reuk Investigation (snuiven) tijd meten, ofwel handmatig7 of met behulp van commerciële computergestuurde systemen8,9,10. Ten tweede wordt de test met drie kamer meestal gebruikt om de totale tijd te meten die door het onderwerp in elke kamer wordt doorgebracht, en het negeert de gedrags dynamiek. Ten slotte, het steunt op slechts één aspect van het sociale gedrag, dat is de tijd doorgebracht door het onderwerp in elke kamer (of snuiven tijd, indien gemeten).
Hier presenteren we een nieuw en betaalbaar experimenteel systeem dat een alternatief is voor het drie kamer apparaat. Het maakt ook de prestaties van dezelfde gedrags tests terwijl het oplossen van de bovengenoemde voorbehoud. Het gepresenteerde gedrags systeem automatisch en direct meet het onderzoeksgedrag van een knaagdier naar twee stimuli. Daarnaast analyseert het de gedrags dynamiek op een waarnemer-onafhankelijke manier. Bovendien, dit systeem meet meerdere gedragsparameters en analyseert deze op zowel individuele als bevolkingsniveau; Zo ondersteunt het een grondige analyse van sociaal gedrag en de dynamiek ervan tijdens elke test. Bovendien neutraliseert willekeurige herpositionering van de kamers in tegengestelde hoeken van de Arena tijdens de verschillende test stadia alle effecten van ruimtelijk geheugen of voorkeur. Dit systeem kan ook worden gebruikt voor andere discriminatie tests, zoals discriminatie op grond van geslacht. Het aangepaste apparaat is gemakkelijk te produceren en het analysesysteem is openbaar toegankelijk als een open-source code, waardoor het gebruik ervan in elk laboratorium mogelijk is. We demonstreren het vermogen van dit systeem om meerdere parameters van sociaal gedrag te meten in knaagdieren met uitgesproken bont kleuren tijdens de sociale voorkeur en sociale nieuwigheid voorkeurs tests. We valideren ook het vermogen van het systeem om gewijzigde dynamiek van sociaal gedrag in knaagdieren na manipulaties te onthullen, zoals het trimmen van Whiskers.
TrackRodent software: drie algoritmen werden geschreven in MATLAB (2014a-2019a) om het experimentele onderwerp en de interacties met de stimuli te volgen. Alle algoritmen zijn gedeponeerd in GitHub, te vinden op . Het belangrijkste doel van alle vier algoritmen is om de contouren van het lichaam van het onderwerp te volgen om direct contact met de stimuli gebieden te detecteren.
Body-based algoritme: dit algoritme heeft drie versies die de contouren van een niet-bekabelde donkere muis op een witte achtergrond volgen (BlackMouseBodyBased), een witte muis op een donkere achtergrond (WhiteMouseBodyBased), of een witte rat op een donkere achtergrond (WhiteRatBodyBased ). De grafische gebruikersinterface (GUI) van de software vereist dat de experimenteerder een experiment kiest met muizen of ratten en vervolgens de juiste code selecteert. Voor elke versie van het algoritme zijn er twee optionele codes: een die het Volg proces op het scherm presenteert terwijl het de analyse uitvoert, en een die dat niet doet (vandaar, het loopt sneller en wordt “snel” genoemd). De namen van de relevante codes voor het algoritme BlackMouseBodyBased zijn bijvoorbeeld: “BlackMouseBodyBased23_7_14” en “BlackMouseBodyBased23_7_14_Fast”. Alle algoritmen die eindigen op ‘ Fast ‘ laten de tracking online niet zien en gebruikers moeten de gegevens rechtstreeks opslaan in het resultatenbestand (. mat-bestand). Voor alle algoritmen op basis van het lichaam is het instellen van een enkele drempel (‘ lage drempel ‘ in de GUI van de software) vereist om de hoofdtekst van het onderwerp te detecteren.
Head-directionality gebaseerd algoritme: het tweede algoritme, dat alleen beschikbaar is voor zwarte muizen, is gebaseerd op het Body-based algoritme, naast het bepalen van de hoofd richtinggevoeligheid. Dit algoritme detecteert de interacties van het hoofd van het onderwerp met de “stimuli” gebieden, dus het vermijden van valse positieven die kunnen voortvloeien uit willekeurige contacten van het onderwerp ‘ met deze gebieden. Voor dit algoritme worden twee detectiedrempels van muis lichaam contouren gedefinieerd: hoge drempelwaarde, waaronder de helderdere staart van zwarte muizen, en lage drempel, waaronder het lichaam zonder staart. Daarna, het algoritme past een ellipsoïde aan de gedetecteerde grenzen met behulp van de lagere drempel en definieert de locatie van de muis kop en staart (zonder onderscheid tussen de twee). De uiteindelijke discriminatie tussen de staart en het hoofd is gebaseerd op de grenzen die worden bepaald door de hogere drempel.
Bedraad dierlijk algoritme: het derde algoritme heeft tot doel artefacten te minimaliseren die voortvloeien uit kabels (d.w.z. elektrische draad of optische vezels) die zijn aangesloten op het dier, waardoor het gedrag van het dier kan worden geanalyseerd terwijl het is aangesloten op een kabel. Dit algoritme heeft alleen codes voor zwarte muizen en witte ratten. De code voor ratten vereist dat de experimenteerder zowel lage als hoge drempels definieert, terwijl de muis code slechts een lage drempel vereist.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het hier beschreven experimentele systeem, dat is ontworpen als alternatief voor het 3-kamer apparaat2,5, maakt het mogelijk dezelfde tests uit te voeren terwijl enkele van de beperkingen worden opgelost. Het gebruik van driehoekige kamers, die zich in twee tegenovergestelde hoeken van de rechthoekige Arena bevinden, beperkt het onderwerp-stimulus-interactie gebied tot een goed gedefinieerd vlak, waardoor een precieze geautomatiseerde analyse van het onderzoeksge…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gesteund door het Human Frontier Science Program (HFSP Grant RGP0019/2015), de Israel Science Foundation (ISF subsidies #1350/12, 1361/17), door de Milgrom Foundation en door het ministerie van Wetenschappen, technologie en ruimte van Israël (Grant #3-12068).
Materials
| Flea3 1.3 MP Mono USB3 Vision | FLIR (formerly PointGrey) | FL3-U3-13Y3M-C | Monochromatic Camera |
| FlyCap 2.0 | FLIR (formerly PointGrey) | FlyCapture 2.13.3.61X64 | Video recording software |
| Home 5 minute Epoxy glue | Devocon | 20845 | For gluing the metal mesh to the Plexiglas stimuli chambers |
| Matlab 2014-2019 | MathWorks | R2014a – R2019a | Programming environment |
| Plexiglas boards (6 mm thickBlack or white) | Melina (1990) LTD, Israel | NaN | For arena and stimuli chambers construction |
| Red led strips (60 leds per meter) connected to a 12V power supply | 2012topdeal eBay supplier | NaN | For illumination of the acoustic chamber |
Riferimenti
- Insel, T. R. The challenge of translation in social neuroscience: a review of oxytocin, vasopressin, and affiliative behavior. Neuron. 65 (6), 768-779 (2010).
- Moy, S. S., et al. Sociability and preference for social novelty in five inbred strains: an approach to assess autistic-like behavior in mice. Genes, Brain and Behavior. 3 (5), 287-302 (2004).
- Carr, W. J., Yee, L., Gable, D., Marasco, E. Olfactory recognition of conspecifics by domestic Norway rats. Journal of Comparative and Physiological Psychoogyl. 90 (9), 821-828 (1976).
- Ferguson, J. N., Aldag, J. M., Insel, T. R., Young, L. J. Oxytocin in the medial amygdala is essential for social recognition in the mouse. Journal of Neuroscience. 21 (20), 8278-8285 (2001).
- Nadler, J. J., et al. Automated apparatus for quantitation of social approach behaviors in mice. Genes, Brain and Behavior. 3 (5), 303-314 (2004).
- Page, D. T., Kuti, O. J., Sur, M. Computerized assessment of social approach behavior in mouse. Frontiers in Behavioral Neuroscience. 3, 48 (2009).
- Sankoorikal, G. M., Kaercher, K. A., Boon, C. J., Lee, J. K., Brodkin, E. S. A mouse model system for genetic analysis of sociability: C57BL/6J versus BALB/cJ inbred mouse strains. Biological Psychiatry. 59 (5), 415-423 (2006).
- Martin, L., Sample, H., Gregg, M., Wood, C. Validation of operant social motivation paradigms using BTBR T+tf/J and C57BL/6J inbred mouse strains. Brain and Behavior. 4 (5), 754-764 (2014).
- Noldus, L. P. J. J., Spink, A. J., Tegelenbosch, R. A. J. EthoVision: A versatile video tracking system for automation of behavioral experiments. Behavior Research Methods Instruments & Computers. 33 (3), 398-414 (2001).
- Sams-Dodd, F. Automation of the social interaction test by a video-tracking system: behavioural effects of repeated phencyclidine treatment. Journal of Neuroscience Methods. 59 (2), 157-167 (1995).
- Netser, S., Haskal, S., Magalnik, H., Wagner, S. A novel system for tracking social preference dynamics in mice reveals sex- and strain-specific characteristics. Molecular Autism. 8, 53 (2017).
