Automatisé, quantitative cognitive / comportementale dépistage de souris: pour la génétique, la pharmacologie, la Cognition Animale et de formation de premier cycle

Résumé

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.

Résumé

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.

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.

Protocole

Les trois protocoles entièrement automatisés dans le TSsystem (correspondance, appétit conditionnement instrumental et classique) et le protocole de commutation ont été approuvés par la protection des animaux et des installations Comité à l'université Rutgers au Nouveau-Brunswick.

Une. Configuration du système physique

1. Mettre en place les environnements de test dans les armoires (voir la figure 1).
2. Installez le logiciel expérience de contrôle fourni avec les environnements de test sur les ordinateurs protocole de contrôle.
   Note: Ne pas utiliser ces ordinateurs pour d'autres fins!

2. Configuration du système de logiciel

1. Mettre en place le LAN (réseau local), de sorte que le serveur sur lequel le logiciel d'analyse de données est installé peut accéder aux disques durs de l'ordinateur (s) de contrôle des environnements de test (voir la figure 1).
2. Mettre en place un compte de fichier-synchronisation pour le stockage de données dans le «nuage».
3. Put le dossier TSsystem et ses sous-dossiers sur le chemin de recherche de la langue de programmation commerciale dans un dossier de nuage synchronisé.
   Remarque: Le TSsystem est une boîte à outils de logiciels, c'est une bibliothèque de plus de 30 fonctions de haut niveau qui facilitent la création de données d'analyse et des données graphiques code complexe qui traite automatiquement les données chaque fois qu'il est récolté à partir des fichiers de sortie générés par le programme de contrôle de l'expérience. Toutes les commandes fonctionnent sur ​​les données dans les champs de la structure de l'expérience et de mettre les résultats dans d'autres domaines dans la même structure (voir Figure 2). Ces commandes open-source sont rédigées dans l'une programmation scientifique et graphiques langues commerciales les plus largement utilisés. Il a beaucoup d'autres "boîtes à outils", y compris le plus utilement une boîte à outils de statistiques.

3. Démarrage d'une expérience

1. Appelez TSbegin (voir la figure 3).
   Remarque: TSbegin est une intégrationRactive GUI (G raphique U ser je Nterface) dans la boîte à outils TSsystem. Il guide l'utilisateur à travers le processus de création de la structure de données hiérarchique dans lequel les données brutes et les résultats qui en découlent seront placés par les autres fonctions de la boîte à outils TSsystem.
2. Appelez TSaddprotocol (voir Figure 4).
   Remarque: TSaddprotocol est une interface graphique dans la boîte à outils TSsystem. Il guide l'utilisateur à travers le processus de spécifier les paramètres de contrôle d'un protocole expérimental, en précisant le code de décision qui permettra d'automatiser la décision de mettre fin au protocole et passer à la suivante, et précisant les critères de décision doivent être utilisés.
3. Placez la souris dans les 24/7 environnements de test vivants dans, une souris par l'environnement.
   Notes: Prenez soin de noter le numéro d'identification de la souris qui va dans chacun des environnements expérimentaux numérotés (encadré 1, encadré 2, etc.) En outre, notez la lettre qui identifie l'expérience de contrôleordinateur sur le réseau local (LAN) et son adresse IP.
4. Appelez TSstartsession (figure 5).
   Remarque: TSstartsession est une interface graphique dans la boîte à outils TSsystem. Il guide l'utilisateur à travers le processus de démarrage d'une session expérimentale. Sessions expérimentales durent une ou deux semaines, au cours de laquelle plusieurs différents protocoles de tests comportementaux sont exécutés. TSstartsession stocke les informations qui va dans la macro que le logiciel de contrôle de protocole lit quand une session est lancée. Inclus est le chemin d'accès et le nom du fichier de code que le logiciel de contrôle de protocole lit. Logiciel analytique de TSsystem lit ce code dans la structure de données hiérarchique, donc il n'y a jamais douter que le protocole exact en vigueur à tout moment.
5. Aller aux ordinateurs de contrôle et appeler les macros écrites dans le dossier MedPC, afin de commencer la session pour les boîtes contrôlés par l'ordinateur.

4. Analyse des données

1. Si vous avez créé un nouveau protocole, écrire des données d'analyse approprié et le code graphique en utilisant les commandes dans la boîte à outils TSsystem, ce qui simplifie considérablement la création des données des analyses complexes.
   Note: Les données d'analyse et le code graphique pour les trois protocoles, dont les résultats sont décrits ci-dessous sont inclus dans la boîte à outils TSsystem. Parce que, ils sont open source, ils peuvent être modifiées à volonté. Le code de ces analyses est largement commenté, ce qui rend plus facile de créer du code pour analyser les résultats des protocoles définis par l'utilisateur.
2. Pour la durée de l'expérience (24 heures à plusieurs semaines), surveiller email pour les alertes du serveur indiquant dysfonctionnements de l'équipement possible (de pannes de courant,, redémarre contrôle par ordinateur spontanées, des dysfonctionnements granulés d'alimentation, etc), dont les données-analyse TSsystem programme détecte.
3. Étudier les parcelles de performance que le code de données d'analyse écrite dans TSsystem produit chaque fois qu'elle est appelée par eanalyse de minuterie électronique (typiquement de 2 à 4 fois / jour).
   Remarque: La minuterie d'analyse appelle le programme d'analyse de données et de graphiques à des intervalles spécifiés par l'utilisateur. Le programme appelé est écrit avec des fonctions dans TSsystem. Il lit dans la structure de données hiérarchique les données brutes récoltées à partir du fichier dans lequel le logiciel de contrôle de protocole écrit. Ensuite, il analyse les données et les graphiques les résultats des analyses. Le fichier contenant la structure hiérarchique des données sont stockées dans un dossier de synchronisation de fichiers dans le nuage. Ceci permet la sauvegarde automatique hors site. Les fichiers synchronisation automatique stocke des copies du fichier de structure sur les ordinateurs de l'ensemble du personnel et des collaborateurs qui ont obtenu l'accès. Graphiques spécifiés sont automatiquement envoyés par courriel au personnel et aux collaborateurs spécifiées. Un chercheur principal peut suivre les progrès de l'essai de n'importe où dans le monde à tout moment, et, si nécessaire, de réviser le protocole expérimental, en ligne, à distance de la site où les souris sont testées.
4. Utilisez TSbrowser d'étudier les données et les statistiques sommaires de la structure de données hiérarchique qu'ils deviennent disponibles, en temps quasi-réel (voir la figure 2).

Résultats

Le système peut et doit être utilisé pour exécuter des protocoles adaptés aux objectifs de l'enquêteur ou le professeur de la classe. Cependant, nous avons développé une suite de trois protocoles qui devraient s'avérer utiles dans le dépistage à grande échelle des souris génétiquement manipulées et à grande échelle des tests pharmacologiques: le protocole d'adaptation, le protocole autoshaping 2-trémie, et le protocole de commutation. Le protocole d'adaptation mesure la capacité de la ...

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...

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
SmartCtrl Connection Panel	Med Associates	SG-716B (115)	control panel for inputs/outputs
SmartCtrl Interface Module	Med Associates	DIG-716B (114)	smart card for each chamber
Universal Cable	Med Associates	SG-210CB (115)	cable from smart card to control panel
Tabletop Interface Cabinet	Med Associates	SG-6080C (109)	cabinet to hold smart cards
Rack Mount Power Supply	Med Associates	SG-500 (112)	28 volt power
Wide Mouse Test Chamber	Med Associates	ENV-307W (31)	test chamber
Filler Panel Package	Med Associates	ENV-307W-FP (32)	various-size panels for test chamber
Wide Mouse Modular Grid Floor	Med Associates	ENV-307W-GF (31)	test chamber floor grid
Head Entry Detector	Med Associates	ENV-303HDW (62)	head entry/pellet entry into hopper
Pellet Dispenser	Med Associates	ENV-203-20 (73)	feeder
Pellet Receptacle	Med Associates	ENV-303W (61)	hopper
Pellet Receptacle Light	Med Associates	ENV-303RL (62)	hopper light
House Light	Med Associates	ENV-315W (43)	house light
IR Controller	Med Associates	ENV-253B (77)	entry detector for tube between nest and test
Fan	Med Associates	ENV-025F28 (42)	exhaust fan for each chamber
Polypropylene Nest Tub			nest box
Acrylic Connection Tube			connection between nest and test areas
Steel Cabinet			cabinet to hold test chambers (78"H, 48"W, 24"D)
Windows computer			running MedPC experiment-control software
Server			running Matlab, linked to exper-control computer by LAN
Software
MedPC software	Med Associates		proprietary process-control programming language
Matlab w Statistics Toolbox	Matlab		proprietary data analysis and graphing programing system
TSsystem		in Supplementary Material w updates from senior author	Open-source Matlab Toolbox
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)