Система отслеживания динамики поведения социальных предпочтений у малых грызунов
Summary
Описана здесь новая автоматизированная экспериментальная система, которая предлагает альтернативу трехкамерному тесту, а также решает несколько оговорок. Эта система поставляет несколько поведенческих параметров, которые позволяют тщательный анализ малых грызунов поведенческой динамики во время социальных предпочтений и социальной новизны предпочтения испытаний.
Abstract
Изучение нейробиологических механизмов социального поведения требует поведенческих тестов, которые могут быть применены к моделям животных беспристрастным и независимым наблюдателем образом. С начала тысячелетия трехкамерный тест широко используется в качестве стандартной парадигмы для оценки коммуникабельности (социальных предпочтений) и предпочтений в области социальной новизны у мелких грызунов. Однако этот тест страдает от многочисленных ограничений, включая его зависимость от пространственной навигации и небрежность поведенческой динамики. Представлена и проверена здесь новая экспериментальная система, которая предлагает альтернативу трехкамерного испытания, а также решение некоторых из его предостережений. Система требует простого и доступного экспериментального аппарата и общедоступной системы анализа с открытым исходным кодом, которая автоматически измеряет и анализирует несколько поведенческих параметров на индивидуальном уровне и уровне населения. Это позволяет детально проанализировать поведенческую динамику мелких грызунов во время любого теста социальной дискриминации. Мы демонстрируем эффективность системы в анализе динамики социального поведения во время социальных предпочтений и социальных тестов предпочтений новизны в исполнении взрослых мышей и крыс мужского пола. Кроме того, мы проверяем способность системы выявлять измененную динамику социального поведения у грызунов после манипуляций, таких как обрезка усов. Таким образом, система позволяет тщательно исследуют социальное поведение и динамику в небольших моделях грызунов и поддерживает более точное сравнение штаммов, условий и методов лечения.
Introduction
Выявление биологических механизмов, лежащих в основе нейроразвития расстройств (NDDs) является одной из основных проблем в области неврологии1. Для решения этой задачи требуются поведенческие парадигмы и экспериментальные системы, которые охарактеризовывают поведение грызунов стандартным и беспристрастным образом. Влиятельное исследование, опубликованное более десяти лет назад Мой и его коллеги2 представил трехкамерный тест. С тех пор этот тест широко используется для исследования социального поведения в моделях грызунов НДД. Этот тест оценивает две врожденные тенденции грызунов: 1) оставаться в непосредственной близости от социального стимула над объектом (коммуникабельность, также называется социальными предпочтениями ,SP), и 2), чтобы предпочесть близость нового социального стимула над знакомым (социальная новинка предпочтения »SNP)3,4. Несколько последующих исследований предложили методы автоматизированного анализа трехкамерного теста с использованием компьютеризированных методов5,6.
Этот тест по-прежнему страдает от нескольких оговорок. Во-первых, он главным образом рассматривает социальные предпочтения место, а не мотивация субъекта непосредственно взаимодействовать с социальным стимулом, хотя некоторые группы также измеряют обонятельное исследование (нюхать) время, либо вручную7 или с использованием коммерческих компьютеризированных систем8,9,10. Во-вторых, трехкамерный тест в основном используется для измерения общего времени, затраченного субъектом в каждой камере, и он пренебрегает поведенческой динамикой. Наконец, он опирается только на один аспект социального поведения, которое время, проведенное субъектом в каждой камере (или нюхать время, если измеряется).
Здесь мы представляем новую и доступную экспериментальную систему, которая является альтернативой трехкамерным аппаратам. Это также позволяет производительность же поведенческие тесты при решении вышеупомянутых оговорок. Представленная поведенческая система автоматически и непосредственно измеряет следственное поведение грызуна по отношению к двум раздражителям. Кроме того, он анализирует поведенческую динамику в независимом от наблюдателя манере. Кроме того, эта система измеряет несколько поведенческих параметров и анализирует их как на индивидуальном уровне, так и на уровне населения; Таким образом, он поддерживает строгий анализ социального поведения и его динамики во время каждого теста. Кроме того, случайное перепозиционирование камер в противоположных углах арены во время различных этапов тестирования нейтрализует любые эффекты пространственной памяти или предпочтений. Эта система может также использоваться для других тестов на дискриминацию, таких, как дискриминация по признаку пола. Пользовательский аппарат прост в производстве, а система анализа является общедоступной в качестве кода с открытым исходным кодом, что позволяет использовать ее в любой лаборатории. Мы демонстрируем способность этой системы измерять несколько параметров социального поведения у грызунов штаммов с различными цветами меха во время социальных предпочтений и социальной новизны предпочтения испытаний. Мы также проверяем способность системы выявлять измененную динамику социального поведения у грызунов после манипуляций, таких как обрезка усов.
TrackRodent программное обеспечение: три алгоритма были написаны в MATLAB (2014a-2019a) для отслеживания экспериментальной темы и его взаимодействия со стимулами. Все алгоритмы были депонированы в GitHub, найдены на lt;https://github.com/shainetser/TrackRodent.gt;.gt. Основной целью всех четырех алгоритмов является отслеживание контуров тела субъекта для обнаружения любого прямого контакта с областями стимулов.
Алгоритм на основе тела: этот алгоритм имеет три версии, которые отслеживают контуры непроводной темной мыши на белом фоне (BlackMouseBodyBased), белой мыши на темном фоне (WhiteMouseBodyBased), или белой крысы на темном фоне (WhiteRatBodyBased ). Графический пользовательский интерфейс (GUI) программного обеспечения требует, чтобы экспериментатор выбирает эксперимент с использованием мышей или крыс, а затем выбирает правильный код. Для каждой версии алгоритма есть два дополнительных кода: один, который представляет процесс отслеживания на экране во время выполнения анализа, и тот, который не выполняет (отсюда, он работает быстрее и называется “быстрый”). Например, имена соответствующих кодов для алгоритма BlackMouseBodyBased: “BlackMouseBodyBased23_7_14” и “BlackMouseBodyBased23_7_14_Fast”. Все алгоритмы, заканчивающиеся “быстрым”, не отображают отслеживание в Режиме онлайн, и пользователи должны непосредственно сохранять данные в файле результатов (файл.mat). Все алгоритмы на основе тела требуют установления единого порога (“низкий порог” в ГРАФИЧЕСКОм интерфейсе программного обеспечения) для обнаружения тела субъекта.
Алгоритм, основанный на направлении головы: второй алгоритм, который доступен только для черных мышей, основан на алгоритме на основе тела, в дополнение к определению направления головы. Этот алгоритм обнаруживает взаимодействие головы субъекта с “стимулами” областях, тем самым избегая ложных срабатываний, которые могут возникнуть из случайных контактов субъекта “с этими областями. Для этого алгоритма определены два порога обнаружения контуров тела мыши: высокий порог, который включает в себя более яркий хвост черных мышей, и низкий порог, который включает в себя тело без хвоста. После этого алгоритм приспосабливает эллипсоид к обнаруженным границам с помощью нижнего порога и определяет расположение головы и хвоста мыши (без различия между ними). Окончательная дискриминация между хвостом и головой основана на границах, определенных более высоким порогом.
Проводной алгоритм животных: третий алгоритм направлен на минимизацию артефактов, полученных в результате кабелей (т.е. электрической проволоки или оптического волокна), подключенных к животному, что позволяет анализировать поведение животного при подключении к кабелю. Этот алгоритм имеет коды только для черных мышей и белых крыс. Код для крыс требует, чтобы экспериментатор определял как низкие, так и высокие пороги, в то время как код мыши требует только низкого порога.
Protocol
Representative Results
Discussion
Описанная здесь экспериментальная система, которая была разработана как альтернатива трехкамерного аппарата2,5,позволяет выполнять те же тесты при решении некоторых из его ограничений. Использование треугольных камер, расположенных в двух противополо?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Программой науки о границах человека (грант HFSP RGP0019/2015), Израильским научным фондом (ISF гранты #1350/12, 1361/17), Фондом Мильгрома и Министерством науки, технологии и космоса Израиля (Грант #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).
