Automatiserad, Kvantitativ Kognitiv / Behavioral Screening av möss: För genetik, farmakologi, Animal Cognition och Grundutbildning Instruktion
Summary
Helt automatiserat system för att mäta fysiologiskt betydelsefulla egenskaper hos de mekanismer som medierar rumslig lokalisering, tids lokalisering, varaktighet, hastighet och sannolikhetsuppskattning, riskbedömning, impulsivitet, och den noggrannhet och precision av minne, för att kunna bedöma effekterna av genetiska och farmakologiska manipulationer på grundläggande mekanismen av kognition hos möss.
Abstract
Vi beskriver en hög genomströmning, hög volym, helt automatiserad, live-in 24/7 beteende testsystem för utvärdering av effekterna av genetiska och farmakologiska manipulationer på grundläggande mekanismerna för kognition och lärande i möss. En standard polypropen mus hölje tub är ansluten via en akrylröret till en standard kommersiell mus testlåda. Test box har 3 trattar, varav 2 är anslutna till pellets matare. Alla är internt illuminable med en lysdiod och övervakas för huvudposter med infraröd (IR) balkar. Möss lever i miljön, vilket eliminerar hantering vid screening. De får sin mat under två eller flera dagliga utfodringsperioder genom att utföra i operant (instrumental) och Pavlovsk (klassisk) protokoll, som vi har skrivit protokoll-styrprogram och kvasi-realtid dataanalys och diagram programpaket. De dataanalys och graf rutiner är skrivna på ett MATLAB-baserade språk som skapats för att förenkla avsevärt analysen av stora tid-stamped beteendemässiga och fysiologiska händelseposter och för att bevara en fullständig uppgifter spår från rådata genom alla mellanliggande analyser till den publicerade grafer och statistik inom en enda datastruktur. Den dataanalys kod skördar data flera gånger om dagen och underställer detta statistiska och grafiska analyser, som automatiskt lagras i "molnet" och på in-lab datorer. Således är utvecklingen av individuella möss visualiseras och kvantifieras dagligen. Den dataanalys kod pratar med protokollet-kontrollkod, tillåter den automatiserade förskott från protokoll till protokoll för enskilda individer. Beteende protokoll förda matchar, autoshaping, tidsinställda hopper-växling, riskbedömning i tids hopper-växling, impulsivitet mätning och dygnsrytm väntan på livsmedel tillgänglighet. Open-source-protokoll-kontroll och dataanalys koden gör att nya protokoll enkelt. Åtta testmiljöer passa i en 48 cm x 24 cm x 78 i skåp, två sådan hyttinets (16 miljöer) kan styras av en dator.
Introduction
För att få de kraftfulla tekniker för genetik, molekylärgenetik, molekylärbiologi och neurofarmakologi att bära på att belysa de cellulära och molekylära mekanismer som förmedlar grundläggande mekanismerna för kognition, vi behöver stora volymer med hög genom-sätta psykoscreeningmetoder som kvantifierar fysiologiskt meningsfull egenskaper kognitiva mekanismer. En psychophysically mätbara, fysiologiska meningsfull kvantitativ egenskap av en mekanism är en egenskap som kan mätas med beteende sätt och även av elektrofysiologiska eller biokemiska medel. Exempel är absorptionsspektrumet av rhodopsin, den frilöpande period av den cirkadiska klockan, och den refraktära perioden av belönings axoner i den medial forebrain bundle 1,2. Psykofysiska mätningar som kan jämföras med cellulära och molekylära mätningar lägga en grund för att länka cellulära och molekylära mekanismer för att psykologiska mekanismer genom kvantitativ korrespondens. För example, det faktum att i absorption situ-spektrum av rhodopsin i de yttre segmenten av stavarna överlagrar på den mänskliga scotopic spektral känslighetsfunktionen är starka bevis för att fotontriggad isomerisering av rhodopsin är det första steget i mörkerseende. De kvantitativa aspekterna av komplexa beteendemönster är också centrala för användningen av QTL metoder i beteendegenetik 3,4.
Prestandan hos möss (och råttor) på väletablerade instrumentella och Pavlovian inlärningsprotokoll beror på hjärnmekanismer som mäter abstrakta storheter som tid, antal, längd, hastighet, sannolikhet, risk, och rumslig plats. Till exempel hastigheten på förvärvet av Pavlovian betingade svaren beror på förhållandet mellan det genomsnittliga intervallet mellan armerings händelser (typiskt matleveranser) och den genomsnittliga latensen till armering efter debuten av signalen för hotande förstärkning 5-7. För en andra exemle, förhållandet mellan den genomsnittliga längden på besöken till två utfodrings trattar i ett överensstämmande protokoll är ungefär lika med förhållandet mellan andelen förstärkning vid dessa två trattar 8-10.
De beteendemässiga testmetoder för närvarande allmänt använd av neuro intresserade av underliggande mekanismer är, för det mesta, låg volym, låg genomströmning, och arbetskrävande 26. Dessutom har de inte mäter mängder som kan jämföras med de kvantiteter som mäts av elektrofysiologiska och biokemiska metoder, som till exempel kan de beteendemässigt uppmätta perioder och faser av dygnsrytm oscillatorer jämföras med elektrofysiologiska och biokemiska åtgärder av dygnsrytm period och fas. Aktuella beteende testmetoder fokus på kategorier av lärande, t.ex. spatial inlärning, temporal inlärning, eller rädsla att lära, snarare än på bakomliggande mekanismer. Den allmänt använda vattenlabyrinttest av spatial inlärning 11-15 är ett exempel på dessa shortcomings. Spatial lärande är en kategori. Att lära sig i den kategorin beror på många mekanismer, varav en är den mekanism av död räkning 16,17. Död räkning beror i sin tur på vägmätaren, den mekanism som mäter tillryggalagd sträcka 18. På samma sätt är tids lärande en kategori. En dygnsrytm klocka är en av de mekanismer som lärande i den kategorin är beroende, eftersom en oscillator med en ca 24 tim period krävs för djuren att lära sig den tid på dagen då händelser inträffar 17,19. Klockan som gör mat förväntan har ännu inte upptäckt 19.
En klocka är en tidsmätningsmekanismen. Endogena oscillatorer med ett brett spektrum av perioder tillåter hjärnan att lokalisera händelser i tiden genom registrering av faserna i dessa klockor 16,17. Förmågan att spela in platser i tid gör det möjligt att mäta varaktigheter, det vill säga avståndet mellan lägena i tiden. Associativ inlärning är beroende av tHan hjärnans mätningar av löptider 5,6,20,21. Räknare är nummer-mätning mekanismer. Antal mätning möjliggör sannolikhetsuppskattning, eftersom en sannolikhet är proportionen mellan numerosity av en delmängd och numerosity av superset. Nummer mätning och varaktighet mäta aktivera takt uppskattning, eftersom en kurs är antalet händelser dividerat med längden av det intervall under vilket den siffran uppmättes. Mätningar av längd, antal, hastighet, och sannolikheten möjliggör beteende justeringar förändrade risker. 22,23 Vår metod fokuserar på mätning av noggrannhet och precision av dessa grundläggande mekanismer. Noggrannhet är i vilken utsträckning hjärnans åtgärden motsvarar ett objektivt mått. Precision är variationen eller osäkerhet i hjärnans mått på ett fast mål värde, till exempel, en fast tidsperiod. Webers lag är den äldsta och mest säkert etablerade resultat i psykofysik. Den hävdar att precisionen hoshjärnans mått på en mängd är en fast del av denna kvantitet. Weber fraktion, som är statistiker s variationskoefficienten i en fördelning (σ / μ), mäter precision. Förhållandet mellan den psyko medelvärdet (t.ex. betyda bedömas varaktighet) till det mål medelvärdet (medel objektiv varaktighet) är ett mått på noggrannhet.
Den metod som presenteras här maximerar volymen (antal djur som kontrolleras vid en viss tidpunkt i en given mängd labbutrymme) och kapacitet (mängd information som erhålls divideras med den genomsnittliga löptiden för screening av ett enskilt djur) samtidigt minimera mängden mänskliga arbete som krävs för att göra mätningar och maximera omedelbarhet med vilken resultaten av screeningen blir kända.
Arkitekturen dataanalys programvara presenteras här sätter rådata och alla Sammanfattande resultat och statistik från data i en enda d automatisktata struktur, med fältrubriker som gör begripliga det stora hav av siffror anges där. Den analytiska programvara fungerar bara på data i denna struktur, och alltid lagrar resultatet av sin verksamhet inom områden inom samma struktur. Detta garanterar en intakt leden från rådata till publicerade sammanfattningar och diagram.
Programmet skriver automatiskt in i konstruktionen av experimentet-kontrollprogram som styrde den helt automatiserade tester, och det visar automatiskt vilka rådata kommer från vilket program. Således bevarar det en oklanderlig uppgifter spår, med något tvivel om vilka experimentella förhållanden gällde för varje djur vid varje punkt i testning och ingen tvekan om hur den övergripande statistik härrör från rådata. Denna metod för säkrande av uppgifter underlättar i hög grad utvecklingen av standardiserade beteende screening databaser, vilket gör det möjligt för andra laboratorier att ytterligare analysera dessa rika datamängder.
<p class = "jove_content"> Denna metod minimerar risken för förlust av stöd för firmware och programvara som det beror på. Den testapparaten är trivialt modifierad från en sedan länge etablerad kommersiell källa. De programspråk är anpassad språk från hårdvarutillverkaren, för protokoll kontroll, och, för dataanalys och grafer, en specialbyggd, icke kommersiellt, öppen källkod verktygslådan (TSsystem) skriven på ett mycket brett stöd kommersiell vetenskaplig programmering, uppgifter analys och grafer språk. Verktygslådan innehåller hög nivå kommandon för att utvinna strukturinformation och sammanfattande statistik från långa tidsstämplade händelseposter. Protokollet-genomföra program och dataanalys program är öppen källkod och väldokumenterade.Screeningssystemet schematiseras i figur 1. Tio skåp, får var och en innehåller 8 testmiljöer sättas upp i en 10 fot x 15 fot laboratorierummet, vilket gör att 80 möss to köras vid en tidpunkt. Kablar som passerar genom en port i ett parti vägg bör ansluta miljöer för att de elektroniska / elektriska gränssnittskort och datorer i ett annat rum. Datorerna kör protokoll-kontrollprogram. En dator krävs för varje 2 skåp (16 testmiljöer). De datorer måste anslutas via ett lokalt nätverk till en server som kör dataanalys och diagram programpaket.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vår metod ger ett brett utbud av fysiologiska meningsfulla, kvantitativa resultat på funktionen av flera olika mekanismer för kognition, inlärning och minne, för många möss på en gång, på ett minimum av tid, med ett minimum av mänsklig arbetskraft, och utan hantering av de försökspersoner under dagar, veckor eller månader av testning. Dessa attribut passar den för genetiska och farmakologiska screeningprogram. Den använder minimalt modifierad off-the-shelf hårdvara (provrutor och kapsla baljor). Den pro…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Skapandet av detta system stöddes av 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) |
Referências
- 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).
