Farelerin Otomatik, Kantitatif / Bilişsel Davranışçı Tarama: Genetik, Farmakoloji, Hayvan Biliş ve Lisans Öğretim İçin
Summary
Genetik ve farmakolojik manipülasyonlar etkilerini değerlendirmek amacıyla, mekansal yerelleştirme, zamansal lokalizasyonu, süresi, hızı ve olasılık tahmini, risk değerlendirmesi, dürtüsellik ve doğruluğunu ve hafıza hassasiyet arabuluculuk mekanizmalarının fizyolojik anlamlı özelliklerini ölçmek için tam otomatik sistem Farelerde biliş temel mekanizmaları.
Abstract
Biz live-biliş temel mekanizmaların genetik ve farmakolojik manipülasyonlar etkilerinin değerlendirilmesi ve farelerde öğrenme için 7/24 davranışsal test sistemi tam otomatik, yüksek verim, yüksek hacimli, tarif. Standart bir polipropilen fare gövdesi küvet edilen bir standart ticari bir fare deney kutusuna bir akrilik boru ile bağlanır. Test kutu besleyiciler pelet bağlı 2 olan 3 haznelerini vardır. Tüm dahili bir LED aydınlatıcı ve kızılötesi (IR) ile kafa kafaya girdiler için izlenir kirişler. Fareler tarama sırasında sevkini ortadan ortamda yaşamak. Onlar protokol kontrol yazılımı ve yarı-gerçek-zamanlı veri analizi ve grafik yazılımı biz yazdım hangi, (klasik) protokolleri (enstrümantal) ve Pavlovyan edimsel performans ile iki veya daha fazla günlük beslenme dönemlerde onların yiyecek almak. Veri analizi ve grafik rutinleri çok büyük zaman-s analizini basitleştirmek için oluşturulan bir MATLAB tabanlı bir dilde yazılmışdavranışsal ve fizyolojik bir olay kayıtlarını sıkıştırılır ve ham verileri tek bir veri yapısı içinde yayınlanan grafikler ve istatistik tüm ara analizler yoluyla tam bir veri izi korumak için. Veri analizi, kod veriler birkaç kez bir gün ve otomatik olarak "bulut" saklanan ve üzerinde-laboratuvarda bilgisayar, istatistik ve grafiksel analizler, özne onu hasadın. Bu nedenle, tek tek farelerin ilerleme görselleştirilir ve her gün ölçülür. Veri analizi, kod protokol bireysel konuların protokolü otomatik avans izin, protokol kontrol koduna konuşuyor. Uygulanan davranışsal protokolleri eşleşen, autoshaping, zamanlanmış huni-anahtarlama, zamanlanmış huni-anahtarlama, dürtüsellik ölçümü ve gıda durumu sirkadiyen beklentisiyle risk değerlendirme. Açık kaynak protokol kontrol ve veri analizi kod yeni protokollerin eklenmesi kolaylaştırır. Sekiz ortamlarda test kabinede x 78 x 24 bir 48 sığacak; böyle iki sürücü kabininiinets (16 ortamlar) bir bilgisayar tarafından kontrol edilebilir.
Introduction
Biliş temel mekanizmalar aracılık hücresel ve moleküler mekanizmaların tanıtılması ayı genetik, moleküler genetik, moleküler biyoloji ve nörofarmakolojinin güçlü teknikler getirmek için, fizyolojik olarak anlamlı ölçmek yüksek hacimli, yüksek verimlilikte bir psikofiziksel tarama yöntemleri gerekir bilişsel mekanizmalarının özellikleri. Bir mekanizmanın bir psychophysically ölçülebilir, fizyolojik olarak anlamlı nicel özellik davranış ile ölçülür ve elektrofizyolojik veya biyokimyasal yollarla edilebilir bir özelliktir. Örnekler rodopsin soğurma spektrumu, sirkadyen saatin serbest çalışma süresi, ve iç yan ön beyin demeti içinde 1,2 ödül akson refrakter süresi vardır. Hücresel ve moleküler ölçümlerine göre olabilir Psikofiziksel ölçümler nicel yazışma yoluyla psikolojik mekanizmaları hücresel ve moleküler mekanizmaları bağlamak için bir temel yatıyordu. Exampl içine, çubukların dış segmentlerinde rodopsin yerinde absorpsiyon spektrumunda insan skotopik spektral duyarlılık fonksiyonu üzerine superimposes olması foton-tetiklenen rodopsin izomerizasyonunu skotopik vizyonunda ilk adım olduğunu güçlü bir delildir. Karmaşık davranış kalıplarının nicel yönleri de davranışsal genetik 3,4 içinde QTL yöntemlerin kullanımına merkezi vardır.
Köklü enstrümantal ve Pavlov öğrenme protokolleri üzerine fareler (ve fareleri) performansı zaman gibi soyut miktarını ölçmek beyin mekanizmaları bağlıdır, sayı, süresi, hızı, olasılık, risk ve mekansal konumu. Örneğin, Pavlovian şartlandırılmış cevapların edinim hızı takviye edici etkinlikleri (tipik olarak, gıda servis) ve yaklaşan takviye 5-7 için sinyalin başlamasından sonra takviye ortalama gecikme arasındaki ortalama aralık arasındaki orana bağlıdır. İkinci Examp içinle, bir eşleştirme protokol iki besleme hunilere ziyaretlerin ortalama süresi oranı yaklaşık bu iki haznede 8-10 donatı oranlarının oranına eşittir.
Altta yatan mekanizmaları ile ilgilenen nörologlar günümüzde yaygın olarak kullanılan davranışsal test yöntemleri koymak yoluyla düşük, çoğunlukla, düşük hacimli için vardır, ve emek yoğun 26. Örneğin, sirkadyen osilatörler davranışsal olarak ölçülen dönemleri ve fazlar sirkadiyen süresi ve faz elektrofizyolojik ve biyokimyasal önlemlere göre olabilir, yanı Ayrıca, elektrofizyolojik ve biyokimyasal yöntemlerle ölçülen miktarları ile karşılaştırılabilir miktarlarda ölçer. Güncel davranışsal test yöntemleri gibi mekansal öğrenme, zamansal öğrenme, ya da öğrenme korku, yerine yatan mekanizmaların yanı öğrenme, kategorilerine odaklanmak. Uzamsal öğrenme 11-15 yaygın olarak kullanılan su labirenti testi bu sh bir örnektirortcomings. Mekansal öğrenme bir kategoridir. Bu kategorideki Öğrenme ölü hesaplaşma 16,17 mekanizmasıdır biri mekanizmasında bağlıdır. Ölü hesaplaşma kilometre sayacı, mesafe koşmak 18 ölçen mekanizma üzerinde sırayla bağlıdır. Benzer şekilde, zamansal öğrenme bir kategoridir. Yaklaşık 24 saatlik bir süre ile bir osilatör olaylar 17,19 cereyan ettiği günün saati öğrenmek için hayvanlar için gerekli olduğundan bir sirkadiyen saat, bu kategorideki öğrenmeye bağlı olduğu mekanizmaları arasında yer alıyor. Gıda beklenti sağlar saat henüz 19 tespit edilmelidir.
Bir saat bir zaman ölçme mekanizmadır. Dönemlerde geniş bir yelpazesi ile endojen osilatörler beyin bu saatler 16,17 fazlarını kayıt zaman içinde olayların bulmak için izin verir. Zamanında yerleri kayıt yeteneği zaman içinde yerleri arasında yani, mesafeler, süreler ölçüm sağlar. Ilişkisel öğrenme t bağlıdırO süreler 5,6,20,21 ve beynin ölçümleri. Sayaçlar numarası ölçme mekanizmaları vardır. Bir olasılık da, bir alt-grubun numerosity ve süperset ve numerosity arasındaki oran, çünkü ölçüm sayısı, olasılık tahmini sağlar. Bir oran bu sayı ölçülmüştür, üzerinde aralığın süresine bölünmesiyle olayların sayısı olduğu için, oran tahminle olanak sağlamaktadır ölçüm sayısı ve ölçme süresi. Süresi ölçümleri, sayı, oran, olasılık ve değişen risklere davranışsal ayarlamaları etkinleştirin. 22,23 Bizim yöntem bu temel mekanizmaların doğruluk ve hassasiyet ölçüm üzerinde duruluyor. Doğruluk beynin ölçü objektif bir ölçü karşılık hangi ölçüde olduğunu. Hassas, örneğin sabit bir hedef değerin beynin ölçüde değişiklik veya belirsizlik, sabit bir süresidir. Weber'in Kanunu psikofizik eski ve en güvenli kurulmuş sonucudur. Bu iddia ettiğini ve hassasbir büyüklüğün beynin ölçü bu miktar sabit bir parçasıdır. Bir dağılımın varyasyon istatistikçinin katsayısı Weber Kesir, (σ / μ), hassasiyet ölçer. Nesnel ortalamaya psikofiziksel ortalama oranı (örn. karar süresi ortalama) (objektif süresi ortalama) doğruluk ölçüsüdür.
Insan miktarını en aza indirirken Burada sunulan yöntem hacmi (laboratuar alanı belirli bir miktarda herhangi bir zamanda, taranmakta olan hayvan sayısı) ve veri akışını (tek bir hayvanın tarama ortalama süresi ile bölünmesiyle elde edilen bilgileri ve miktar) en üst düzeye çıkarır emek ölçümler yapmak için gerekli ve ivediliği maksimize hangi ile bilinir hale taraması sonuçları.
Burada sunulan veriler, analiz yazılım mimarisi otomatik olarak ham veri ve tüm sonuçlar özet ve tek d birlikte verilerden elde edilen istatistikleri koyarsayıların anlaşılır geniş denizleri hale alan başlıkları ile ata yapı, orada bulunan. Analitik yazılım sadece bu yapıda veri üzerinde çalışır ve her zaman aynı yapı içinde alanlarındaki faaliyetlerinin sonuçlarını saklar. Bu ham verilerden yayınlanmış özetleri ve grafikler için sağlam bir iz sigortalanır.
Yazılım otomatik yapısına tam otomatik test yönetilir deney-kontrol programları yazar, ve otomatik olarak ham veri hangi program geldiği gösterir. Böylece, deneysel koşullar test her noktasında, her bir hayvan için yürürlükte olduğu gibi hangi şüphesiz ve özet istatistik ham verilerden elde edilmiştir konusunda hiçbir şüphe ile, kusursuz bir veri izi korur. Veri korunması bu yöntem büyük ölçüde mümkün diğer laboratuarlar daha bu zengin veri setlerini analiz etmek için yapım, standart davranış tarama veri tabanlarının gelişimini kolaylaştırır.
<p class = "jove_content"> Bu yöntem bağlı olduğu firmware ve yazılım için destek kaybı riskini en aza indirir. Test aygıtı trivially köklü bir ticari bir kaynaktan modifiye edilir. Programlama dilleri protokol kontrolü için donanım üreticisi tarafından sağlanan özel dil vardır, ve, veri analizi ve grafik için, bir amaca, ticari olmayan, açık kaynak kodlu araç kutusu (TSsystem) çok yaygın olarak desteklenen ticari, bilimsel programlama, veri yazılı analizi ve grafik dili. Araç uzun zaman damgalı olay kayıtlara yapısal bilgi ve özet istatistikleri ayıklanması için üst düzey komutları içerir. Protokol-uygulama programları ve veri analiz programları açık kaynak ve iyice belgelenmiştir.Eleme sistemi, Şekil 1 'de şematize edilmiştir. On dolapları, her içeren 8 test ortamları 80 fareler t sağlayan bir 10 ft x 15 ft laboratuvar odasında kurulabiliro bir anda çalıştırabilirsiniz. Bir parti duvarında bir liman geçerek Kablolar başka bir odada elektrik / elektronik arabirim kartları ve PC'lere ortamları bağlamak gerekir. PC'ler protokol kontrol programları çalıştırmak. Bir bilgisayar her 2 dolaplar (16 ortamlarda test) için gereklidir. PC'ler veri analizi ve grafik yazılımı çalıştıran bir sunucu için bir Yerel Alan Ağı üzerinden bağlanmalıdır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bizim yöntem, insan emeğinin bir minimum zaman minimum miktarda kerede birçok fareler için biliş, öğrenme ve bellek, birkaç farklı mekanizmalarının işleyişi üzerinde fizyolojik anlamlı, kantitatif sonuçlar geniş bir yelpazede verir ve hiçbir elliyor gün, hafta veya test aylarında deneysel konularda. Bu nitelikler genetik ve farmakolojik tarama programları için uygun. Bu minimal modifiye off-the-raf donanım (test kutuları ve yuva küvetler) kullanır. Bu genetik olarak ve / veya farmakolojik olara…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu sistemin oluşturulması 5RO1MH77027 tarafından desteklenmiştir.
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).
