Geautomatiseerde, Kwantitatieve Cognitieve / Behavioral Screening van Muizen: Voor Genetica, Farmacologie, Animal Cognition and Undergraduate Instructie
Summary
Volledig geautomatiseerd systeem voor het meten fysiologisch zinvolle eigenschappen van de mechanismen bemiddelende ruimtelijk lokaliseren, temporele lokalisatie, duur, snelheid en waarschijnlijkheid schatting risicobeoordeling, impulsiviteit, en de nauwkeurigheid en precisie van het geheugen, om de effecten van genetische en farmacologische manipulaties op beoordelen fundamentele mechanismen van cognitie bij muizen.
Abstract
We beschrijven een high-throughput, high-volume, volledig geautomatiseerde, inwonende 24/7 gedrags testen systeem voor de beoordeling van de effecten van genetische en farmacologische manipulaties op fundamentele mechanismen van cognitie en leren in muizen. Een standaard polypropyleen muis behuizing bad is aangesloten via een acrylbuis een standaard commerciële muis test box. De test doos heeft 3 hoppers, waarvan er 2 zijn aangesloten op feeders pellet. Allen zijn intern verlichtbaar met een LED en gecontroleerd op hoofd inzendingen via infrarood (IR) stralen. Muizen wonen in de omgeving, die behandeling elimineert tijdens de screening. Zij krijgen hun voedsel tijdens twee of meer dagdelen voeding door het uitvoeren van in operant (instrumental) en Pavlov (klassieke) protocollen, waarvoor wij hebben geschreven protocol-besturingssoftware en quasi-real-time data-analyse en grafische software. De data-analyse en grafische routines zijn geschreven in een MATLAB-gebaseerde taal gecreëerd aanzienlijk te vereenvoudigen de analyse van grote tijd-saangestampt gedrags-en fysiologische event verslagen en een volledige gegevens spoor te bewaren van ruwe data door alle tussenliggende analyses aan de gepubliceerde grafieken en statistieken binnen een datastructuur. De data-analyse code oogst meerdere malen per dag en onderwerpen aan statistische en grafische analyses, die automatisch worden opgeslagen in de "cloud" en de in-laboratoriumcomputers gegevens. Aldus wordt de voortgang van de afzonderlijke muizen gevisualiseerd en dagelijks gekwantificeerd. De data-analyse code praat met de protocol-controle code, waardoor het automatische voorschot van protocol tot protocol van afzonderlijke onderwerpen. De gedragsprotocollen geïmplementeerd zijn bijpassende, autoshaping, getimede hopper-switching, risicobeoordeling in getimede hopper-switching, impulsiviteit meet, en de circadiane afwachting van de beschikbaarheid van voedsel. Open-source-protocol-controle en data-analyse code maakt de toevoeging van nieuwe protocollen simpel. Acht testomgevingen passen in een 48 cm x 24 cm x 78 in de kast; twee van dergelijke cabineinets (16 omgevingen) kunnen worden bestuurd door een computer.
Introduction
Om de krachtige technieken van de genetica, moleculaire genetica, moleculaire biologie, en neurofarmacologie uit te oefenen op het ophelderen van de cellulaire en moleculaire mechanismen die fundamentele mechanismen van cognitie bemiddelen, high-volume, high-through zetten psychofysische screeningsmethoden die fysiologisch zinvol te kwantificeren moeten we eigenschappen van cognitieve mechanismen. Een psychofysisch meetbare, fysiologische zinvolle kwantitatieve eigenschap van een mechanisme is een eigenschap die kan worden gemeten door gedrags-middelen en ook door elektrofysiologische of biochemische middelen. Voorbeelden zijn het absorptiespectrum van rhodopsin, vrijlopende periode van de circadiane klok, en de refractaire periode van beloning axonen in de mediale voorhersenen bundel 1,2. Psychofysische metingen die kunnen worden vergeleken met de cellulaire en moleculaire metingen leggen een basis voor het koppelen van cellulaire en moleculaire mechanismen aan psychologische mechanismen via kwantitatief correspondentie. Voor example, dat de in situ absorptiespectrum van de rhodopsine in de buitenste segmenten staven superponeert op de menselijke scotopic spectrale gevoeligheid functie is sterk bewijs dat de foton geactiveerd isomerisatie van rhodopsine is de eerste stap in Scotopic. De kwantitatieve aspecten van complexe gedragspatronen ook centraal in het gebruik van QTL methoden gedragsgenetica 3,4.
De prestaties van muizen (en ratten) op gevestigde instrumentale en Pavlov leren protocollen is afhankelijk van de hersenen mechanismen die abstracte grootheden, zoals het meten van tijd, aantal, duur, snelheid, waarschijnlijkheid, risico-, en ruimtelijke locatie. Bijvoorbeeld, de snelheid van de verwerving van Pavlov geconditioneerde responsen afhankelijk van de verhouding tussen de gemiddelde interval tussen de versterkende gebeurtenissen (typisch voedsel leveringen) en de gemiddelde latentie wapening na het begin van het signaal voor naderende versterking 5-7. Voor een tweede voorble, de verhouding van de gemiddelde duur van de bezoeken twee vultrechters in bijpassende protocol ongeveer gelijk aan de verhouding van de tarieven van wapening die twee hoppers 8-10.
De gedrags-testmethoden momenteel veel gebruikt door neurologen geïnteresseerd in de onderliggende mechanismen zijn, voor het grootste deel, een laag volume, lage doorzet, en arbeidsintensief 26. Bovendien zijn ze niet grootheden worden vergeleken met de hoeveelheden berekend door elektrofysiologische en biochemische assays meten, zoals bijvoorbeeld de gedragsmatig gemeten perioden en fasen van circadiane oscillatoren kan worden vergeleken met elektrofysiologische en biochemische maatregelen van circadiane periode en fase. Huidige gedrags testmethoden richten op categorieën van leren, zoals ruimtelijke leren, tijdelijke leren, of angst leren, in plaats van op de onderliggende mechanismen. De veel gebruikte water maze test van de ruimtelijke leren 11-15 is een voorbeeld van deze shortcomings. Ruimtelijke leren is een categorie. Leren in die categorie afhankelijk van veel mechanismen, waarvan het mechanisme van gegist bestek 16,17. Gegist bestek hangt weer op de teller, het mechanisme dat de afgelegde afstand 18 meet. Evenzo, temporele leren is een categorie. Een circadiane klok is een van de mechanismen waarop leren in die categorie afhangt, omdat een oscillator met een ongeveer 24 uur wordt verlangd dat dieren het tijdstip waarop gebeurtenissen 17,19 leren. De klok die eten kunnen anticiperen moet nog worden ontdekt 19.
Een klok is een tijdmeting mechanisme. Endogene oscillatoren met een breed scala aan periodes kan de hersenen om gebeurtenissen in de tijd te lokaliseren door het opnemen van de fasen van die klokken 16,17. De mogelijkheid om locaties te nemen in de tijd maakt het meten van lengtes, dat wil zeggen de afstanden tussen locaties in de tijd. Associatief leren hangt af van thij metingen van duur 5,6,20,21 hersenen. Tellers zijn nummer meten mechanismen. Aantal metingen maakt waarschijnlijkheid schatten, omdat een kans is de verhouding tussen de numerosity van een deelverzameling en numerosity van de superset. Aantal meet-en duur meten stellen tarief schatting, omdat een percentage is het aantal gebeurtenissen gedeeld door de duur van het interval waarover dat aantal werd gemeten. Metingen van duur, aantal, percentage, en de waarschijnlijkheid staat gedragsmatige aanpassingen aan veranderende risico's. 22,23 Onze methode richt zich op het meten van de nauwkeurigheid en precisie van deze fundamentele mechanismen. Nauwkeurigheid is de mate waarin het meten van de hersenen overeen met een objectieve maat. Precisie is de variatie of onzekerheid mate van vaste objectieve waarde van de hersenen, bijvoorbeeld, een vaste duur. Weber's Law is de oudste en meest veilig gevestigde resultaat in psychofysica. Zij stelt dat de precisie van demaatregel van een hoeveelheid hersenen is een vaste fractie van die hoeveelheid. De Weber Fraction, dat is variatiecoëfficiënt de statisticus in een distributiecentrum (σ / μ), meet precisie. De verhouding van de psychofysische gemiddelde (bijv. gemiddelde duur geacht) de doelstelling gemiddelde (gemiddelde doelstelling duur) is de mate van nauwkeurigheid.
De hier gepresenteerde methode maximaliseert volume (aantal dieren worden gescreend op een bepaald moment in een bepaalde hoeveelheid laboratoriumruimte) en debiet (hoeveelheid informatie die gedeeld door de gemiddelde duur van de screening van een dier) met een minimale hoeveelheid menselijke arbeid nodig is om de metingen en het maximaliseren van de directheid waarmee de resultaten van het onderzoek bekend worden.
De data-analyse software architectuur hier gepresenteerde zet automatisch de ruwe data en alle beknopte resultaten en statistieken afgeleid uit de gegevens samen in een enkele data structuur, met veldkoppen dat begrijpelijk de grote zeeën van getallen maken daarin. De analytische software werkt alleen op gegevens in die structuur, en slaat altijd de resultaten van haar verrichtingen op gebieden binnen die dezelfde structuur. Dit verzekert een intacte parcours van ruwe gegevens tot gepubliceerde overzichten en grafieken.
Schrijft de software automatisch in de structuur van de experiment-controleprogramma's die het volledig geautomatiseerd testen beheerst, en het automatisch aangegeven welke ruwe gegevens afkomstig van welk programma. Zo, het bewaart een onberispelijke data parcours, zonder twijfel bestaat welke experimentele omstandigheden van kracht waren voor elk dier op elk punt in het testen en geen twijfel over hoe de samenvattende statistieken zijn afgeleid van de ruwe data. Deze methode gegevensbevriezing vergemakkelijkt aanzienlijk de ontwikkeling van gestandaardiseerde gedrags screening gegevensbanken, waardoor het voor andere laboratoria om deze rijke datasets verder te analyseren.
<p class = "jove_content"> Deze methode minimaliseert het risico van verlies van de steun voor de firmware en software waarvan het afhankelijk is. De testapparatuur wordt triviaal gewijzigd van een reeds lang gevestigde commerciële bron. De programmeertalen zijn de aangepaste taal die door de hardwarefabrikant, voor protocol controle, en voor data-analyse en grafieken, een speciaal gebouwde, niet-commercieel, open-source toolbox (TSsystem) geschreven in een zeer breed gedragen commerciële wetenschappelijke programmering, data analyses en grafieken taal. De toolbox bevat high-level commando's voor het extraheren van structurele informatie en samenvattende statistieken van lange-tijdstempel gebeurtenisrecords. De-protocol uitvoeren van programma's en de data-analyse programma's zijn open source en grondig gedocumenteerd.Het bewakingssysteem is schematisch in figuur 1. Tien kasten, kan elk met 8 testomgevingen worden opgezet in een 10 ft x 15 ft laboratoriumruimte, waardoor 80 t muizeno worden uitgevoerd in een keer. Kabels die door een poort in een partij muur moet de omgevingen aan te sluiten op de elektronische / elektrische interface-kaarten en pc in een andere kamer. De PC's draaien de protocol-controleprogramma's. Een computer is vereist voor elke 2 kasten (16 testomgevingen). De PC's worden verbonden via een Local Area Network met een server waarop de data-analyse en grafische software.
Protocol
Representative Results
Discussion
Onze methode levert een groot aantal fysiologische betekenis, kwantitatieve resultaten van de werking van verscheidene verschillende mechanismen van cognitie, leren en geheugen, vele muizen tegelijkertijd in een minimum van tijd, met een minimum aan menselijke arbeid en zonder behandeling van de proefpersonen gedurende dagen, weken of maanden testen. Deze kenmerken passen het voor genetische en farmacologische screeningprogramma's. Het maakt gebruik van minimaal gewijzigd off-the-shelf hardware (test dozen en nest t…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De oprichting van dit systeem werd ondersteund door 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) |
References
- 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).
