Automatizzato, Quantitative cognitivo / comportamentale Proiezione di topi: per la genetica, farmacologia, Animal Cognition e istruzione laurea

Riepilogo

Sistema completamente automatico di misura di proprietà fisiologicamente significativi dei meccanismi che mediano la localizzazione spaziale, localizzazione temporale, la durata, il tasso e la stima di probabilità, la valutazione del rischio, impulsività e l'accuratezza e la precisione della memoria, al fine di valutare gli effetti delle manipolazioni genetiche e farmacologiche su meccanismi fondamentali della cognizione nei topi.

Abstract

Descriviamo un throughput elevato, ad alto volume, completamente automatizzato, live-in 24/7 Sistema di test comportamentali per valutare gli effetti delle manipolazioni genetiche e farmacologiche sui meccanismi di base della cognizione e di apprendimento nei topi. Un mouse polipropilene custodia vasca standard è collegata tramite un tubo in acrilico a una casella di prova topo commerciale standard. Il test box ha 3 tramogge, 2 dei quali sono connessi a pellet alimentatori. Tutti sono internamente illuminabile con un LED e monitorato per le voci di testa da raggi infrarossi (IR) travi. I topi vivono nell'ambiente, che elimina la manipolazione durante lo screening. Ottengono il loro cibo per due o più periodi alimentazione quotidiana eseguendo in operante protocolli (classici) (strumentale) e pavloviano, per il quale abbiamo scritto il software del protocollo di controllo e software di analisi dei dati e la grafica quasi-real-time. Le routine di analisi dei dati e grafici sono scritti in un linguaggio basato su MATLAB creato per semplificare notevolmente l'analisi di grandi time-scostipato record comportamentali e fisiologiche degli eventi e di conservare una traccia completa dei dati dai dati grezzi attraverso tutte le analisi intermedie per i grafici e le statistiche pubblicate all'interno di una singola struttura dati. Il codice-analisi dei dati raccoglie i dati più volte al giorno e la sottopone ad analisi statistiche e grafici, che vengono memorizzati automaticamente nella "nuvola" e sul computer in laboratorio. Pertanto, il progresso di topi individuo è visualizzato e quantificato giornalmente. Il codice-analisi dei dati parla con il codice del protocollo di controllo, permettendo l'anticipo automatico dal protocollo protocollo di singoli soggetti. I protocolli comportamentali implementati sono corrispondenti, autoshaping, a tempo tramoggia-switching, la valutazione del rischio in temporizzata tramoggia-switching, misura impulsività, e l'anticipazione circadiano della disponibilità di cibo. Open-source protocollo di controllo e di code-analisi dei dati rende l'aggiunta di nuovi protocolli semplice. Ambienti di test Otto inseriscono in un 48 in x 24 in x 78 in armadietto, due come taxiinets (16 ambienti) possono essere comandate da un computer.

Introduzione

Per portare le potenti tecniche della genetica, genetica molecolare, la biologia molecolare e della neurofarmacologia esercitate su chiarire i meccanismi cellulari e molecolari che mediano i meccanismi di base della cognizione, abbiamo bisogno di alto volume, alto-through messo metodi di screening psicofisici che quantificano fisiologicamente significativa proprietà dei meccanismi cognitivi. Un psicofisica misurabile, fisiologica di proprietà quantitativo significativo di un meccanismo che è una proprietà che può essere misurata per mezzo comportamentali e anche mediante elettrofisiologici e biochimici. Esempi sono lo spettro di assorbimento della rodopsina, il periodo di free-running dell'orologio circadiano, e il periodo refrattario degli assoni ricompensa nel pacchetto mediale prosencefalo ^1,2. Misurazioni psicofisiche che possono essere comparati a misurazioni cellulari e molecolari gettare le basi per collegare i meccanismi cellulari e molecolari di meccanismi psicologici attraverso la corrispondenza quantitativa. Per example, il fatto che la spettro di assorbimento in situ della rodopsina nei segmenti esterni di aste sovrappone la funzione di sensibilità spettrale scotopica umano è una forte evidenza che il fotone-triggered isomerizzazione della rodopsina è il primo passo in visione scotopica. Gli aspetti quantitativi di modelli di comportamento complessi, sono fondamentali anche per l'uso di metodi QTL nella genetica comportamentale ^3,4.

Le prestazioni di topi (e ratti) sui protocolli di apprendimento strumentali e di Pavlov consolidate dipende da meccanismi cerebrali che misurano la quantità astratte come il tempo, il numero, la durata, il tasso, la probabilità, il rischio, e la posizione spaziale. Ad esempio, la velocità di acquisizione di risposte condizionate Pavlovian dipende dal rapporto tra l'intervallo medio tra gli eventi di rinforzo (tipicamente, consegne alimentari) e la latenza media di rinforzo dopo l'inizio del segnale di imminente rinforzo ^5-7. Per un secondo example, il rapporto tra la durata media delle visite a due tramogge di alimentazione in un protocollo corrispondente è pari a circa il rapporto delle aliquote di rinforzo a quei due tramogge ^8-10.

I metodi di prova del comportamento attualmente in uso a livello di neuroscienziati interessati a meccanismi di base sono, per la maggior parte, basso volume, basso attraverso-messo, e alta intensità di manodopera ^26. Inoltre, non misurano quantitativi che possono essere comparati con quantità misurate con metodi elettrofisiologici e biochimici, come, ad esempio, i periodi comportamentale misurati e fasi di oscillatori circadiani possono essere confrontati con misure elettrofisiologiche e biochimiche del periodo circadiano e fase. Metodi di prova del comportamento attuali si concentrano su categorie di apprendimento, quali l'apprendimento spaziale, apprendimento temporale, o la paura di apprendimento, piuttosto che sui meccanismi sottostanti. Il test labirinto acquatico diffuso di apprendimento spaziale ^11-15 è un esempio di questi shortcomings. Apprendimento spaziale è una categoria. Apprendimento in quella categoria dipende da molti meccanismi, uno dei quali è il meccanismo di navigazione stimata ^16,17. Dead reckoning dipende a sua volta il contachilometri, il meccanismo che misura la distanza di esecuzione ^18. Allo stesso modo, l'apprendimento temporale è una categoria. Un orologio circadiano è tra i meccanismi su cui l'apprendimento in quella categoria dipende, perché è necessario un oscillatore con un periodo di circa 24 ore per gli animali per imparare l'ora del giorno in cui gli eventi si verificano ^17,19. L'orologio che permette di alimentare l'anticipazione deve ancora essere scoperto ^19.

Un orologio è un meccanismo di misurazione del tempo. Oscillatori endogeni con una vasta gamma di periodi permettere al cervello di individuare eventi nel tempo registrando le fasi di quegli orologi ^16,17. La possibilità di registrare informazioni in tempo consente la misurazione di durate, cioè, le distanze tra le posizioni in tempo. Apprendimento associativo dipende da tegli misurazioni del cervello di una durata ^5,6,20,21. I contatori sono meccanismi numerici di misurazione. Numero di misura permette la stima di probabilità, perché una probabilità è la proporzione tra la numerosità di un sottoinsieme e la numerosità del superset. Misura numero e durata misurazione abilitare stima tasso perché le velocità è il numero di eventi divisa per la durata dell'intervallo su cui è stata misurata quel numero. Misure di durata, numero, frequenza e probabilità consentono adeguamenti comportamentali ai rischi che cambiano. ^22,23 Il nostro metodo si concentra sulla misurazione l'accuratezza e la precisione di questi meccanismi fondamentali. L'accuratezza è la misura in cui la misura del cervello corrisponde ad una misura obiettiva. La precisione è la variazione o incertezza nella misura del cervello di un valore obiettivo fisso, per esempio, una durata fissa. La legge di Weber è il risultato più antica e consolidata saldamente in psicofisica. Essa afferma che la precisione delmisura del cervello di una grandezza è una frazione fissa di tale quantitativo. La Frazione Weber, che è il coefficiente di statistica di variazione in una distribuzione (σ / μ), misura di precisione. Il rapporto tra la media psicofisica (es. durata media giudicato) con la media oggettiva (durata media oggettiva) è la misura di precisione.

Il metodo qui presentato massimizza il volume (numero di animali sottoposti a screening in qualsiasi momento in una data quantità di spazio in laboratorio) e velocità (quantità di informazioni ottenute diviso per la durata media della proiezione di un singolo animale), riducendo al minimo la quantità di umana manodopera necessaria per effettuare le misurazioni e massimizzando l'immediatezza con cui i risultati dello screening diventato noto.

L'architettura del software di analisi dei dati presentati qui mette automaticamente i dati grezzi e tutti i risultati di sintesi e statistiche derivate dai dati in un unico dStruttura ata, con intestazioni di campo che rendono intelligibili i vasti mari di numeri in esso contenuti. Il software analitico funziona solo sui dati in tale struttura, e memorizza sempre i risultati delle sue operazioni nei campi all'interno di quella stessa struttura. Ciò assicura un percorso intatto dai dati grezzi alle riassunti e grafici pubblicati.

Il software scrive automaticamente nella struttura dei programmi esperimento di controllo che governarono il collaudo completamente automatizzato, e indica automaticamente che i dati grezzi provenienti da quale programma. Così, conserva un percorso di dati impeccabile, senza ombra di dubbio su quale condizioni sperimentali erano in vigore per ciascun animale in ogni punto del test e non c'è dubbio su come le statistiche riassuntive sono stati ricavati dai dati grezzi. Questo metodo di conservazione dati facilita notevolmente lo sviluppo di banche dati di screening comportamentali standardizzati, rendendo possibile per altri laboratori per analizzare ulteriormente questi insiemi di dati formattati.

Questo metodo riduce al minimo il rischio di perdita del supporto per il firmware e il software da cui dipende. L'apparecchiatura di prova è banalmente modificato da una fonte commerciale ormai consolidata. I linguaggi di programmazione sono il linguaggio personalizzato fornito dal produttore di hardware, per il protocollo di controllo, e, per l'analisi dei dati e grafici, una, non commerciale, toolbox open-source appositamente costruito (TSsystem) scritti in una programmazione scientifica commerciale molto ampiamente supportato, i dati l'analisi e la lingua grafica. La casella degli strumenti contiene i comandi ad alto livello per estrarre informazioni strutturali e statistiche riassuntive dal record di evento cronodatati lunghi. I programmi del protocollo di attuazione ei programmi-analisi dei dati sono open source e completamente documentati.

Il sistema di screening è schematizzato in Figura 1. Dieci armadi, ciascuna contenente otto ambienti di test possono essere istituiti in un 10 ft x 15 ft stanza del laboratorio, consentendo a 80 t topio essere eseguito in una sola volta. I cavi che passano attraverso una porta in un muro di partito dovrebbero collegare gli ambienti alle schede elettrici / elettronici di interfaccia e PC in un'altra stanza. I PG eseguire i programmi di protocollo di controllo. È necessario un computer per ogni 2 armadi (ambienti di test 16). I PC devono essere collegati tramite una rete locale a un server che esegue il software di analisi dei dati e grafica.

Protocollo

I tre protocolli completamente automatizzato in TSsystem (corrispondenza, appetitiva condizionamento strumentale e classica), e il protocollo di commutazione sono stati approvati dal Comitato di cura degli animali e Servizi alla Rutgers New Brunswick.

1. Installazione del sistema fisico

1. Impostare gli ambienti di test negli armadi (vedi Figura 1).
2. Installare il software esperimento di controllo fornito con gli ambienti di test sui computer protocollo di controllo.
   Nota: non utilizzare questi computer per altri scopi!

2. Installazione del software di sistema

1. Impostare la rete LAN (local area network) in modo che il server su cui è installato il software di analisi dei dati può accedere ai dischi rigidi del computer (s) che controllano gli ambienti di test (vedi Figura 1).
2. Creare un account di sincronizzazione dei file per la memorizzazione dei dati nella "nuvola".
3. Put la cartella TSsystem e le relative sottocartelle nel percorso di ricerca del linguaggio di programmazione commerciale in una cartella cloud sincronizzata.
   Nota: Il TSsystem è un toolbox software, cioè, una libreria di oltre 30 funzioni di alto livello che facilitano la creazione di complessi-analisi dei dati e data-grafica il codice che elabora automaticamente i dati ogni volta che viene raccolto dai file di output generati da il programma di esperimenti di controllo. Tutti i comandi operano su dati nel campi della struttura dell'esperimento e inserire i risultati in altri campi nella stessa struttura (vedi Figura 2). Questi comandi open-source sono scritti in una delle lingue più diffuse di programmazione scientifica e grafici commerciali. Ha molte altre "toolbox", tra i più utilmente una cassetta degli attrezzi statistiche.

3. Avvio di un esperimento

1. Chiamare TSbegin (vedi figura 3).
   Nota: TSbegin è un interactive GUI (G raphic U ser I Nterface) nella casella degli strumenti TSsystem. Essa conduce l'utente attraverso il processo di creazione della struttura di dati gerarchica in cui i dati grezzi e tutti i risultati che ne derivano saranno collocati dalle altre funzioni del toolbox TSsystem.
2. Chiamare TSaddprotocol (vedi Figura 4).
   Nota: TSaddprotocol è una GUI nella casella degli strumenti TSsystem. Essa conduce l'utente attraverso il processo di specificare parametri di controllo per un protocollo sperimentale, specificando il codice decisione che automatizza la decisione di porre fine al protocollo e passare a quello successivo, e specificando i criteri decisionali per essere utilizzato.
3. Mettere i topi in 24/7 ambienti di test dal vivo-in, un mouse per ambiente.
   Note: Prendersi cura di annotare il numero ID del mouse che va in ciascuno degli ambienti sperimentali numerati (Box 1, Box 2, ecc.) Inoltre, nota la lettera che identifica l'esperimento di controllocomputer sulla rete locale (LAN) e il relativo indirizzo IP.
4. Chiamare TSstartsession (Figura 5).
   Nota: TSstartsession è una GUI nella casella degli strumenti TSsystem. Essa conduce l'utente attraverso il processo di avvio di una sessione sperimentale. Sessioni sperimentali durano una o due settimane, durante le quali vengono eseguiti diversi protocolli di test comportamentali diverse. TSstartsession memorizza le informazioni che va nella macro che il software del protocollo di controllo legge quando viene avviata una sessione. Incluso è il percorso e il nome del file di codice che il software del protocollo di controllo legge. Software analitico di TSsystem legge questo codice nella struttura dati gerarchica, per cui non c'è dubbio, come al protocollo esatto in vigore in qualsiasi momento.
5. Vai ai computer di controllo e chiamare le macro scritte alla cartella MedPC, al fine di iniziare la sessione per le caselle controllate da computer.

4. Analisi dei dati

1. Se è stato creato un nuovo protocollo, scrivere del caso di analisi dei dati e il codice grafica utilizzando i comandi nella finestra degli strumenti TSsystem, che semplificano notevolmente la creazione dei dati di analisi complesse.
   Nota: I dati-analisi e il codice grafico per i tre protocolli i cui risultati sono descritti di seguito sono inclusi nella casella degli strumenti TSsystem. Perché, sono open source, possono essere modificati a piacimento. Il codice per queste analisi è ampiamente commentato, che rende più facile creare il codice per analizzare i risultati dei protocolli specificati dall'utente.
2. Per tutta la durata dell'esperimento (24 ore a molte settimane), monitorare e-mail per gli avvisi dal server che indica malfunzionamenti possibile attrezzature (interruzioni di corrente, spontanee, riavvia controllo del computer, malfunzionamenti di alimentazione a pellet, ecc), che il TSsystem dati, l'analisi programma rileva.
3. Studiare le trame di prestazioni che il codice-analisi dei dati scritti in TSsystem produce ogni volta che viene chiamato da thtimer e analisi (in genere 2-4 volte / die).
   Nota: Il timer analisi richiama il programma di analisi dei dati e di grafica a intervalli specificati dall'utente. Il programma richiamato è scritto con funzioni in TSsystem. Si legge nella struttura dati gerarchica i dati grezzi raccolti dal file a cui il software del protocollo di controllo scrive. Poi, analizza i dati e grafici dei risultati delle analisi. Il file contenente la struttura dati gerarchica è memorizzato in una cartella di file-sincronizzazione nel cloud. Ciò fornisce backup automatico off-site. I file di sincronizzazione memorizza copie automatiche della struttura dei file sui computer di tutto il personale ei collaboratori che hanno concesso l'accesso. Grafici specificati vengono inviati automaticamente al personale e collaboratori specificati. Un investigatore principale in grado di monitorare lo stato di avanzamento dei test da qualsiasi parte del mondo, in qualsiasi momento, e, se necessario, rivedere il protocollo sperimentale, on line, a distanza dal site dove vengono testati i topi.
4. Utilizzare TSbrowser per studiare i dati e le statistiche riassuntive nella struttura dati gerarchica non appena disponibili, in tempo quasi reale (vedi figura 2).

Risultati

Il sistema può e deve essere utilizzato per eseguire i protocolli di misura per gli obiettivi del ricercatore individuale o di insegnante. Tuttavia, abbiamo sviluppato una suite di tre protocolli che dovrebbero rivelarsi utile nello screening su larga scala di topi geneticamente manipolati e su larga scala test farmacologici: il protocollo di corrispondenza, il protocollo autoshaping 2-hopper, e il protocollo di commutazione. Il protocollo corrispondente misura la capacità del topo di stimare il reddito (granuli di ci...

Discussione

Il nostro metodo consente un'ampia gamma di fisiologici significativi, risultati quantitativi sul funzionamento di diversi meccanismi di cognizione, apprendimento e memoria, per molti topi in una volta, in un tempo minimo, con un minimo di lavoro umano, e senza manipolazione dei soggetti sperimentali nei giorni, settimane o mesi di test. Questi attributi adatti per programmi di screening genetici e farmacologici. Esso utilizza minimamente modificato hardware off-the-shelf (scatole di test e vasche nido). Produce pi?...

Materiali

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)