Automatisert, Kvantitativ kognitiv / atferds Screening av Mus: For genetikk, farmakologi, Animal Cognition and Undergraduate Instruction
Summary
Helautomatisk system for måling fysiologisk meningsfulle egenskapene til de mekanismene som medierer romlig lokalisering, tidsmessig lokalisering, varighet, rente og sannsynlighet estimering, risikovurderinger, impulsivitet, og nøyaktighet og presisjon av minne, for å vurdere virkningene av genetiske og farmakologiske manipulasjoner på grunn mekanismer for kognisjon i mus.
Abstract
Vi beskriver en høy gjennomstrømning, høyt volum, helautomatisk, live-i 24/7 atferds testing system for å vurdere effekten av genetiske og farmakologiske manipulasjoner på grunnleggende mekanismer for kognisjon og læring i mus. En standard polypropylen mus boliger karet er koblet gjennom en akryl rør til en standard kommersiell musetesten boksen. Testen Boksen har tre sorteringsverk, 2 som er koblet til pellet matere. Alle er internt illuminable med en LED og overvåkes for hode oppføringer av infrarøde (IR) bjelker. Mus lever i miljøet, noe som eliminerer håndtering under screening. De får sin mat i løpet av to eller flere daglige fôring perioder ved å utføre i operant (instrumental) og Pavlovian (klassisk) protokoller, for der har vi skrevet protokoll-kontroll programvare og kvasi-real-time data analyse og grafer programvare. Dataene analyse og grafer rutiner er skrevet i en MATLAB-basert språk opprettet for å forenkle sterkt analyse av store tid-sdyttes atferdsmessige og fysiologiske hendelses poster og å bevare en full data sti fra rådata gjennom alle mellomliggende analyser til de publiserte grafer og statistikk innen en enkelt datastruktur. Den dataanalysekode høster dataene flere ganger om dagen og utsetter den statistiske og grafiske analyser, som er automatisk lagret i "skyen", og på in-lab datamaskiner. Således er utviklingen av individuelle mus visualisert og kvantifisert daglig. Den dataanalysekode snakker til protokoll-kontrollkoden, tillater den automatiserte forhånd fra protokoll til protokoll av enkelte fag. Den atferds protokoller implementert er samsvarende, autoshaping, tidsbestemte hopper-svitsjing, risikovurdering i tidsbestemt hopper-svitsjing, impulsivitet måling, og den biologiske påvente av mattilgang. Open-source-protokoll-kontroll og dataanalyse kode gjør tillegg av nye protokoller enkel. Åtte testmiljøer passe i en 48 cm x 24 cm x 78 i skapet, to slike cabinets (16 miljøer) kan styres ved hjelp av en datamaskin.
Introduction
Å bringe den kraftige teknikker for genetikk, molekylærgenetikk, molekylærbiologi, og neuropharmacology å bære på å belyse de cellulære og molekylære mekanismer som formidler grunnleggende mekanismer for kognisjon, trenger vi høy-volum, høy gjennomstrømning psykologisk screening metoder som kvantifiserer fysiologisk menings egenskaper av kognitive mekanismer. En psychophysically målbar, fysiologisk meningsfull kvantitativ egenskap ved en mekanisme som er en egenskap som kan måles med atferdsmessige midler, og også ved elektrofysiologiske og biokjemiske midler. Eksempler er absorbsjons-spekteret av rhodopsin, fritt-løpende periode av den biologiske klokken, og den refraktoriske periode av belønning axoner i mediale forhjernen bunt 1,2. Psykofysiske målinger som kan sammenlignes med cellulære og molekylære målinger legge et grunnlag for å knytte cellulære og molekylære mekanismer til psykologiske mekanismer gjennom kvantitativ korrespondanse. For example, at den in situ absorpsjonsspektrum av rhodopsin i de ytre deler av stengene overlagret på det menneskelige scotopic spektral følsomhet funksjonen er et sterkt bevis for at foton-utløst isomerisering av rhodopsin er det første trinnet i scotopic syn. De kvantitative sidene ved komplekse atferdsmønstre er også sentral i bruken av QTL-metoder i atferdsgenetikk 3,4.
Utførelsen av mus (og rotter) på veletablerte instrumentale og Pavlovian lærings protokoller avhenger av hjernemekanismer som måler abstrakte størrelser som tid, antall, varighet, rente, sannsynlighet, risiko, og romlig plassering. For eksempel kan hastigheten til anskaffelse av Pavlovian betingede responser er avhengig av forholdet mellom den gjennomsnittlige tid mellom de forsterkende hendelser (typisk, mat leveranser) og den gjennomsnittlige ventetid for armerings etter utbruddet av signalet for forestående forsterkning 5-7. For en andre example, forholdet mellom gjennomsnittlig lengde på besøk til to matebeholdere i en samsvarende protokoll tilnærmet lik forholdet mellom satsene for forsterkning ved de to hoppers 8-10.
De atferdsmessige testmetoder for tiden er i bred bruk av nevrologer som er interessert i de underliggende mekanismene er, for det meste, lavt volum, lav gjennomstrømning, og arbeidskrevende 26. Dessuten har de ikke måler mengder som kan sammenlignes med mengdene målt ved elektrofysiologiske og biokjemiske fremgangsmåter, som for eksempel kan behaviorally målte perioder og faser av cirkadianske oscillatorer være i forhold til elektrofysiologiske og biokjemiske målinger av circadian periode og fase. Nåværende atferdstestmetoder fokusere på kategorier av læring, for eksempel romlig læring, temporal læring, eller frykt læring, snarere enn på de underliggende mekanismene. Den brukte vann labyrint test av romfølelse 11-15 er et eksempel på disse shortcomings. Romlig læring er en kategori. Læring i denne kategorien er avhengig av mange mekanismer, hvorav den ene er mekanismen av bestikkregning 16,17. Utregnings er igjen avhengig av kilometertelleren, den mekanismen som måler avstand løp 18. Tilsvarende er tidsmessig læring en kategori. En biologiske klokke er blant de mekanismer som læring i den kategorien avhenger, for en oscillator med en omtrent 24-timers periode er nødvendig for dyrene å vite tidspunktet på dagen til hvilken hendelser inntreffer 17,19. Klokken som gjør at maten forventning har ennå ikke oppdaget 19.
En klokke er en tidsmålemekanisme. Endogene oscillatorer med et bredt spekter av perioder tillate hjernen for å lokalisere hendelser i tid ved å registrere fasene til disse klokker 16,17. Muligheten for å registrere steder i tid muliggjør måling av lengder, det vil si avstanden mellom lokasjoner i tid. Assosiativ læring er avhengig av than hjernens målinger av varig 5,6,20,21. Tellere er nummer-målemekanismer. Antall måle muliggjør sannsynlighetsestimering, fordi en sannsynlighet er forholdet mellom numerosity av et delsett og numerosity av super. Antall måle og varighet måle aktiver hastighet estimering, for en sats er antall hendelser dividert med varigheten av intervallet over hvilke det tallet ble målt. Målinger av varighet, antall, grad, og sannsynligheten aktiver atferds justeringer til endringer i risikobildet. 22,23 Vår metode fokuserer på å måle nøyaktighet og presisjon av disse grunnmekanismer. Nøyaktighet er i hvilken grad hjernens tiltaket tilsvarer et objektivt mål. Nøyaktighet er variasjonen eller usikkerhet i hjernens mål på en fast objektiv verdi, for eksempel en fast varighet. Weber lov er den eldste og mest sikkert etablerte resultat i psykofysikk. Det hevder at presisjonen ihjernens mål på en mengde er en fast del av dette beløpet. Weber Fraction, som er statistiker variasjonskoeffisient i en fordeling (σ / μ), måler presisjon. Forholdet mellom den midlere psyko (f.eks betyr bedømt varighet) til målet middelverdien (midlere objektiv varighet) er et mål på nøyaktigheten.
Metoden som er presentert her maksimerer volum (antall dyr som blir vist på et gitt tidspunkt i en gitt mengde av lab plass), og gjennomløp (mengden av informasjon som er innhentet dividert med den gjennomsnittlige varighet for screening av et enkelt dyr), samtidig som mengden av human arbeidstimer som kreves for å gjøre målingene og maksimere umiddelbare som resultatene av screeningen blitt kjent.
Dataene-analyse programvarearkitektur presenteres her setter rådata og alle de summariske resultater og statistikk utledet fra data sammen i en enkelt d automatiskata struktur, med feltoverskriftene som gjør forståelige de enorme havområdene nummerpar inneholdt. Det analytiske programvare fungerer bare på data i strukturen, og alltid lagrer resultatene av sin virksomhet i felt innenfor den samme strukturen. Dette sikrer en intakt sti fra rådata til publiserte sammendrag og grafer.
Programvaren automatisk skriver inn i strukturen de eksperiment-kontroll programmer som styrte det fullt automatisert testing, og det indikerer automatisk hvilke rådata kom fra hvilket program. Dermed bevarer det en upåklagelig data sti, med ingen tvil om hvilken eksperimentelle forholdene var i kraft for hvert dyr på hvert punkt i testingen, og ingen tvil om hvordan de summariske statistikken ble avledet fra rådata. Denne metode for data bevaring i stor grad forenkler utviklingen av standardiserte atferds screening databaser, slik at det er mulig for andre laboratorier for ytterligere å analysere disse rike datasett.
<p class = "jove_content"> Denne metoden reduserer risikoen for å miste støtte for fastvaren og programvaren som den er avhengig. Testingen apparat er trivielt endret fra en veletablert kommersiell kilde. Programmeringsspråk er tilpasset språket levert av maskinvareprodusenten, for protokollen kontroll, og for data analyse og grafer, en spesialbygd, ikke-kommersiell, open-source verktøykasse (TSsystem) skrevet i en svært bred støtte kommersielle vitenskapelig programmering, data analyse og grafer språk. Verktøykassen inneholder avanserte kommandoer for utpakking strukturell informasjon og sammendrag statistikk fra lange tids stemplet hendelses poster. De protokoll gjennomføre programmer og data-analyse programmer er åpen kildekode og grundig dokumentert.Screeningsystemet er skjematisert i figur 1. Ti skap, kan hver inneholder 8 testmiljøer settes opp i en 10 fot x 15 fot laboratorium rom, slik at 80 mus to kjøres på en gang. Kabler som passerer gjennom en port i et parti veggen skal koble miljøene til de elektroniske / elektriske grensesnittkort og PC-er i et annet rom. PCene kjøre protokoll-kontrollprogrammer. En datamaskin er nødvendig for hver to skap (16 testmiljøer). PC-ene må kobles til via et lokalt nettverk til en server som kjører data-analyse og grafer programvare.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vår metode gir et bredt spekter av fysiologisk meningsfylte kvantitative resultater, på funksjonen av en rekke forskjellige mekanismer for kognisjon, læring og hukommelse, for mange mus på en gang, i et minimum av tid, med et minimum av menneskelig arbeidskraft, og med ingen håndtering av de eksperimentelle fag i dager, uker eller måneder med testing. Disse egenskapene passer det for genetiske og farmakologiske screeningprogrammer. Den bruker minimalt endret off-the-sokkel maskinvare (test bokser og reir kar). Den…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Opprettelsen av dette systemet ble støttet 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) |
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).
