Automatisé, quantitative cognitive / comportementale dépistage de souris: pour la génétique, la pharmacologie, la Cognition Animale et de formation de premier cycle
Summary
Système entièrement automatisé pour mesurer les propriétés physiologiquement significatives des mécanismes de médiation localisation spatiale, la localisation temporelle, la durée, le taux et estimation de la probabilité, l'évaluation des risques, l'impulsivité et l'exactitude et la précision de la mémoire, afin d'évaluer les effets des manipulations génétiques et pharmacologiques sur mécanismes fondamentaux de la cognition chez les souris.
Abstract
Nous décrivons un débit élevé, à haut volume, entièrement automatisé, en direct en 24/7 système de tests comportementaux pour évaluer les effets des manipulations génétiques et pharmacologiques sur les mécanismes de base de la cognition et de l'apprentissage chez les souris. Un boîtier baignoire polypropylène standard de la souris est connectée à travers un tube d'acrylique à une zone de test de la souris du commerce standard. La boîte de test dispose de 3 trémies, dont 2 sont reliés pour former un culot mangeoires. Elles sont toutes à l'intérieur pouvant être illuminée avec une diode électroluminescente et une surveillance des entrées de la tête par infrarouge (IR) des poutres. Souris vivent dans l'environnement, ce qui élimine la manipulation lors du dépistage. Ils obtiennent leur nourriture pendant deux ou plusieurs périodes d'alimentation quotidienne en effectuant en opérant protocoles (classique) (instrumental) et pavlovien, pour lequel nous avons écrit un logiciel de contrôle de protocole et en temps quasi-réel d'analyse de données et de graphiques logiciel. L'analyse de données et de graphiques routines sont écrites dans un langage basé sur MATLAB créé pour simplifier grandement l'analyse d'un grand temps detassée enregistrements d'événements physiologiques et comportementaux et à conserver un tracé complet de données à partir de données brutes par toutes les analyses intermédiaires aux graphiques et statistiques publiés dans une structure de données unique. Le code d'analyse de données récolte les données plusieurs fois par jour et le soumet à des analyses statistiques et graphiques, qui sont automatiquement stockés dans le «nuage» et sur les ordinateurs en laboratoire. Ainsi, l'état d'avancement des souris individuelles est visualisée et quantifiée par jour. Le code d'analyse de données parle au code de contrôle de protocole, permettant l'avance automatique de protocole à protocole de sujets individuels. Les protocoles de comportement mis en œuvre répondent, autoshaping, chronométré trémie de commutation, l'évaluation des risques dans chronométré trémie de commutation, de mesure de l'impulsivité et l'anticipation circadien de la disponibilité de la nourriture. Open-source de contrôle de protocole et le code d'analyse de données rend l'ajout de nouveaux protocoles simples. Huit environnements de test correspondent à un 48 x 24 x 78 dans l'armoire, deux tels cabineinets (16 environnements) peuvent être commandées par un seul ordinateur.
Introduction
Pour mettre les puissantes techniques de la génétique, de la génétique moléculaire, la biologie moléculaire et la neuropharmacologie à porter sur la compréhension des mécanismes cellulaires et moléculaires qui interviennent dans les mécanismes de base de la cognition, nous avons besoin de gros volumes, les méthodes de dépistage psychophysique haut par-mis qui quantifient physiologiquement significative propriétés des mécanismes cognitifs. Une propriété psycho-physique mesurable, physiologique significative quantitative d'un mécanisme est un bien qui peut être mesurée par des moyens comportementaux et également par le biais électrophysiologiques ou biochimiques. Des exemples sont le spectre d'absorption de la rhodopsine, la période de libre-marche de l'horloge circadienne, et la période réfractaire des axones de récompense dans le cerveau antérieur médial faisceau 1,2. Mesures psychophysiques qui peuvent être comparés à des mesures cellulaires et moléculaires constituent une base pour lier les mécanismes cellulaires et moléculaires des mécanismes psychologiques par correspondance quantitative. Pour example, du fait que le spectre de la rhodopsine dans les segments externes des tiges d'absorption in situ superpose à la fonction de sensibilité spectrale humain scotopique est fortement probable que le photon déclenché isomérisation de la rhodopsine est la première étape dans la vision scotopique. Les aspects quantitatifs de comportements complexes sont également au centre de l'utilisation de méthodes de QTL dans la génétique du comportement 3,4.
Les performances des souris et des rats () sur les protocoles d'apprentissage instrumental et pavlovien bien établies dépend de mécanismes cérébraux qui mesurent des quantités abstraites comme le temps, le nombre, la durée, le taux, la probabilité, le risque et la localisation spatiale. Par exemple, la vitesse d'acquisition de réponses conditionnées pavlovien dépend du rapport entre l'intervalle moyen entre les événements de renfort (typiquement, les livraisons de produits alimentaires) et la latence moyenne de renfort après le début du signal pour le renforcement imminent 5-7. Pour une deuxième example, le rapport de la durée moyenne des visites à deux trémies d'alimentation dans un protocole d'adaptation est égale à environ le rapport des taux de renfort lors de ces deux trémies 8-10.
Les méthodes d'analyse de comportement a largement utilisé par les neuroscientifiques intéressés dans les mécanismes sous-jacents sont, pour la plupart, de faible volume, faible par-mis, et de main-d'œuvre 26. En outre, ils ne mesurent pas les quantités qui peuvent être comparées avec des quantités mesurées par des méthodes électrophysiologiques et biochimiques, comme, par exemple, les périodes et les phases mesurées comportemental des oscillateurs circadiens peuvent être comparées à des mesures électrophysiologiques et biochimiques de la période circadienne et la phase. Méthodes d'essai de comportement actuelles se concentrent sur les catégories de l'apprentissage, comme l'apprentissage spatial, temporel apprentissage, ou la peur d'apprendre, plutôt que sur les mécanismes sous-jacents. Le test largement utilisé dans le labyrinthe aquatique de l'apprentissage spatial 11-15 est un exemple de ces shortcomings. L'apprentissage spatial est une catégorie. Apprendre dans cette catégorie dépend de nombreux mécanismes, dont l'un est le mécanisme de l'estime 16,17. Dead reckoning dépend à son tour sur l'odomètre, le mécanisme qui mesure la distance terme 18. De même, l'apprentissage est une catégorie temporelle. Une horloge circadienne est parmi les mécanismes sur lesquels l'apprentissage dans cette catégorie dépend, car un oscillateur avec une période d'environ 24 heures est nécessaire pour les animaux d'apprendre l'heure à laquelle les événements se produisent 17,19. L'horloge qui permet d'anticiper des aliments n'a pas encore été découvert 19.
Une horloge est un mécanisme de mesure du temps. Oscillateurs endogènes avec un large éventail de périodes permettent au cerveau de localiser les événements dans le temps en enregistrant les phases de ces horloges 16,17. La capacité d'enregistrer des endroits dans le temps permet de mesurer des durées, c'est-à-distances entre les lieux en temps. L'apprentissage associatif dépend de til les mesures de cerveau de durées 5,6,20,21. Les compteurs sont des mécanismes de nombre de mesure. Numéro de mesure permet estimation de la probabilité, parce que la probabilité est la proportion entre le numerosity d'un sous-ensemble et le numerosity de la sur-ensemble. mesure du nombre et de la durée de mesure de permettre l'estimation de la vitesse, parce que le taux est le nombre d'événements, divisé par la durée de l'intervalle de temps où ce nombre a été mesurée. Les mesures de durée, le nombre, le taux et la probabilité permettent des ajustements de comportement à l'évolution des risques. 22,23 Notre méthode se concentre sur la mesure de l'exactitude et de la précision de ces mécanismes fondamentaux. La précision est la mesure dans laquelle la mesure du cerveau correspond à une mesure objective. La précision est la variation ou incertitude dans la mesure du cerveau d'une valeur fixe pour objectif, par exemple, une durée fixe. La loi de Weber est le résultat le plus ancien et le plus solidement établi dans la psychophysique. Il affirme que la précision de lala mesure de cerveau d'une quantité est une fraction fixe de cette quantité. La Fraction Weber, qui est le coefficient de variation du statisticien dans une distribution (σ / μ), mesure de précision. Le rapport de la moyenne psychophysique (par exemple, la durée moyenne jugée) à la moyenne objectif (durée moyenne objectif) est la mesure de précision.
La méthode présentée ici maximise le volume (nombre d'animaux dépistés à un moment donné dans une quantité donnée d'espace de laboratoire) et le débit (quantité de renseignements obtenus divisé par la durée moyenne de l'examen d'un seul animal) tout en minimisant la quantité de l'homme travail nécessaire pour effectuer les mesures et de maximiser l'immédiateté avec laquelle les résultats de l'examen est connue.
L'architecture du logiciel d'analyse de données présentée ici met automatiquement les données brutes et les résultats sommaires et des statistiques dérivées à partir des données en un seul dstructure ata, avec des titres sur le terrain qui rendent intelligibles les vastes mers de numéros qui y sont contenues. Le logiciel d'analyse ne fonctionne que sur les données de cette structure, et stocke toujours les résultats de ses activités dans les domaines relevant de la même structure. Ceci assure une piste intacte des données brutes aux résumés et graphiques publiés.
Le logiciel met automatiquement dans la structure des programmes expérience de contrôle qui ont présidé à l'essai entièrement automatisé, et il indique automatiquement qui viennent de quel programme les données brutes. Ainsi, il conserve une piste de données impeccable, sans doute à quelles conditions expérimentales étaient en vigueur pour chaque animal à chaque point dans le test et aucun doute sur la façon dont les statistiques sommaires ont été calculées à partir des données brutes. Cette méthode de conservation des données facilite grandement le développement des bases de données de dépistage de comportements normalisés, ce qui permet à d'autres laboratoires pour analyser davantage ces riches ensembles de données.
<p class = "jove_content"> Cette méthode minimise le risque de perte de soutien pour le firmware et le logiciel dont il dépend. L'appareil de test est trivialement modifiée à partir d'une source commerciale bien établie. Les langages de programmation sont le langage personnalisé fourni par le fabricant de matériel, pour le contrôle de protocole, et, pour l'analyse des données et de graphiques, un, non commerciale, open-source boîte à outils construite à cet effet (TSsystem) écrits dans une programmation scientifique commerciale très largement soutenue, les données analyse et la langue graphique. La boîte à outils contient des commandes de haut niveau pour extraire des informations structurelles et statistiques sommaires de longs enregistrements d'événements horodatés. Les programmes de mise en œuvre de protocoles-et les programmes informatiques analyse sont open source et bien documentés.Le système de projection est schématisée à la figure 1. Dix armoires, contenant chacun 8 environnements de test peuvent être mis en place dans un 10 pi x 15 salle de laboratoire de pi, permettant 80 souris to être exécuté en même temps. Câbles passant à travers un orifice dans une paroi du parti doivent se connecter les environnements les cartes électroniques / électriques et l'interface PC dans une autre pièce. Les ordinateurs exécutent les programmes de contrôle de protocole. Un ordinateur est nécessaire pour tous les 2 armoires (16 environnements de test). Les ordinateurs doivent être connectés via un réseau local à un serveur exécutant le logiciel d'analyse de données et de graphiques.
Protocol
Representative Results
Discussion
Notre méthode donne un large éventail de résultats quantitatifs significatifs physiologiques sur le fonctionnement des différents mécanismes de la cognition, l'apprentissage et la mémoire, pour beaucoup de souris à la fois, dans un minimum de temps, avec un minimum de travail humain, et sans manipulation des sujets expérimentaux pendant les jours, des semaines ou des mois de tests. Ces attributs lui conviennent pour les programmes de dépistage génétique et pharmacologiques. Il utilise du matériel peu mod…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
La création de ce système a été soutenue par 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) |
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