JoVE Logo
АВТОРЫ
СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

Войдите в систему

Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.

В этой статье

  • Резюме
  • Аннотация
  • Введение
  • протокол
  • Результаты
  • Обсуждение
  • Раскрытие информации
  • Благодарности
  • Материалы
  • Ссылки
  • Перепечатки и разрешения

Резюме

Полностью автоматизированная система для измерения физиологически значимые свойства механизмов, опосредующих пространственную локализацию, временная локализация, продолжительность, скорость и оценка вероятности, оценки риска, импульсивность, и точность и точность памяти, для того, чтобы оценить воздействие генетических и фармакологических манипуляций на основополагающие механизмы познания у мышей.

Аннотация

Мы описываем высокой пропускной, большого объема, полностью автоматизированный, живая-в 24/7 поведенческой системы тестирования для оценки последствий генетических и фармакологических манипуляций на основных механизмов познания и обучения у мышей. Стандартный полипропилен мышь корпус ванна соединена через акриловой трубки к стандартной испытательной коробке коммерческой мыши. Тест коробка имеет 3 бункера, 2 из которых соединены для осаждения кормушки. Все внутренне с подсветкой со светодиодом и мониторинг для записей головы с помощью инфракрасной (ИК) лучей. Мыши живут в окружающей среде, что исключает обращения во время скрининга. Они получают свою пищу в течение двух или более ежедневных периодов кормления, выполняя в оперантного (инструментального) и павловской (классика) протоколы, для которых мы написали протокол-программное управление и анализ данных и графическое программное обеспечение квази-реальном времени. Данные анализа и графические процедуры написаны на языке в MATLAB на основе созданной существенно упростить анализ большое время-сутрамбовывают поведенческие и физиологические записи о событиях и сохранить полный след данных из исходных данных через все промежуточные анализы на опубликованные графиков и статистических данных в рамках единой структуры данных. Код анализа данных собирает свои данные несколько раз в день и подчиняет его статистических и графических анализов, которые автоматически сохраняются в «облаке» и на в-лаборатории компьютеров. Таким образом, прогресс отдельных мышей визуализируется и количественно ежедневно. Код анализа данных разговаривает с протоколом контроля кода, что позволяет автоматизированное продвижение от протокола к протоколу отдельных предметов. Поведенческие протоколы реализованы не уступают, autoshaping, приуроченная хоппер-коммутации, оценка риска во временном бункера-коммутации, измерения импульсивность и циркадных ожидании доступности пищи. С открытым исходным кодом протокола управления и код анализа данных делает добавление новых протоколов просто. Восемь тестовых сред поместиться в 48 в х 24 в х 78 в шкафу; два таких такси(16 inets среды) может управляться одним компьютером.

Введение

Для приведения мощные методы генетики, молекулярной генетики, молекулярной биологии, и нейрофармакологии нести на выяснении клеточные и молекулярные механизмы, которые опосредуют основные механизмы познания, мы должны в больших объемах, высокого пропускную психофизические методы скрининга, которые количественно физиологически значимым свойства когнитивных механизмов. Психофизически измеримыми, физиологический смысл количественное свойство механизма является свойством, которое может быть измерено поведенческих средств, а также по электрофизиологических или биохимических средств. Примерами могут служить спектр поглощения родопсина, обгонной период циркадных часов, и огнеупорная период вознаграждения аксонов в медиальной переднего мозга расслоения 1,2. Психофизические измерения, которые можно сравнить с клеточных и молекулярных измерений заложить основу для увязки клеточные и молекулярные механизмы психологических механизмов, посредством количественного соответствия. Для examplе, тот факт, что в поглощения Ситу спектра родопсина во внешних сегментов палочек накладывает на скотопического спектральной функции чувствительности человеческого убедительные доказательства того, что фотон-срабатывает изомеризации родопсина является первым шагом в ночное зрение. Количественные аспекты сложных моделей поведения также центральное место в использовании методов QTL в генетике поведения 3,4.

Производительность мышей (и крыс) на устоявшихся инструментальных и павловских протоколов обучения зависит от мозговых механизмов, которые измеряют абстрактные величины, как время, номер, срок действия, скорость, вероятность, риск, и пространственное расположение. Например, скорость приобретения павловских условных рефлексов зависит от соотношения между средним интервалом между армирующих событий (обычно, поставок продовольствия) и среднее время ожидания для армирования после начала сигнала для грядущей армирования 5-7. Для второго exampле, отношение средней продолжительности визитов в двух загрузочных бункеров в протоколе согласования приблизительно равен отношению скоростей арматуры на этих двух бункеров 8-10.

Поведенческие методы тестирования в настоящее время широко используется по неврологов, заинтересованных в основных механизмов являются, по большей части, низкий объем, низкий пропускную способность, и трудоемкими 26. Кроме того, они не измеряют объемы, которые можно сравнить с величинами, измеренными электрофизиологических и биохимических методов, как, например, поведенчески измеренные периоды и фазы циркадных генераторов можно сравнить с электрофизиологических и биохимических показателей циркадного периода и фазы. Современные методы тестирования поведения сосредоточиться на категорий обучения, например, пространственного обучения, временного обучения, или страха обучения, а не на основных механизмов. Широко используемый Водный лабиринт тест пространственного обучения 11-15 является примером этих шortcomings. Пространственное обучение является категория. Обучение в этой категории зависит от многих механизмов, одним из которых является механизм точного расчета 16,17. Навигационное счисление зависит в свою очередь на одометре, механизма, который измеряет расстояние пробег 18. Точно так же, временная обучение является категория. Циркадные часы является одним из механизмов, по которым обучение в этой категории зависит, потому что осциллятор с примерно 24 ч период требуется для животных, чтобы узнать время суток, при котором события происходят 17,19. Часы, что позволяет пищи ожидание до сих пор не обнаружены 19.

Часы для измерения времени механизм. Эндогенные генераторы с широким диапазоном периодов позволяют мозгу, чтобы найти событий во времени путем записи фаз этих часов 16,17. Возможность записи местоположения во времени позволяет измерять длительности, то есть расстояния между точками во времени. Ассоциативного обучения зависит от тон измерения мозга из продолжительности 5,6,20,21. Счетчики-числовые измерения механизмы. Количество измерения позволяет оценка вероятности, потому что вероятность того, соотношение между многочисленности подмножества и многочисленности от надмножество. Измерения Количество и продолжительность измерения позволяют оценку скорости, потому что представляет собой число событий, деленное на продолжительность интервала, по которому это число измеряли. Измерения продолжительности, номер, скорость, и вероятность включения поведенческих коррективы в изменяющихся рисков. 22,23 Наш метод фокусируется на измерении точность и воспроизводимость этих основополагающих механизмов. Точность является степень, в которой мера мозга соответствует объективной мерой. Точность является изменение или неопределенность в меру мозга фиксированной объективной ценности, например, с фиксированной длительностью. Закон Вебера является старейшим и наиболее надежно установлены результат в психофизики. Она утверждает, что точностьмера мозгом количестве является фиксированная доля этого количества. Вебер Фракция, которая является коэффициент статистик в вариации в распределении (σ / μ), измеряет точность. Отношение психофизического среднего (например, имею в виду судить продолжительность) к объективному среднего (среднее объективную длительность) является мерой точности.

Метод, представленный здесь максимизирует объем (количество животных проходит проверку в любой момент времени в данном количестве лаборатории пространства) и пропускную способность (количество информации, полученной на средний срок скрининга одного животного), минимизируя количество человека труда требуется сделать измерения и максимизации непосредственность, с которой результаты скрининга стало известно.

Анализа данных программная архитектура, представленная здесь автоматически переводит исходные данные и все сводные результаты и статистику, полученные из данных вместе в одном гСтруктура ата, с полевыми рубрик, которые делают понятными обширные моря чисел, содержащиеся в ней. Аналитическое программное обеспечение работает только на данных в этой структуре, и всегда сохраняет результаты своей деятельности в областях в рамках этой же структуры. Это гарантирует, неповрежденный след от исходных данных к опубликованным резюме и графиков.

Программа автоматически записывает в структуру эксперимента-управляющих программ, которые управляли полностью автоматизированное тестирование, и он автоматически указывает, какие исходные данные из какой программы. Таким образом, он сохраняет безупречную след данных, без сомнения, какой экспериментальные условия были в силе для каждого животного в каждой точке испытания и нет никаких сомнений, как сводные статистические данные были получены из исходных данных. Этот метод сохранения данных значительно облегчает разработку стандартизованных поведенческих баз данных скрининга, что делает возможным для других лабораторий для проведения дальнейшего анализа эти богатые наборы данных.

Этот метод минимизирует риск потери поддержки для аппаратного и программного обеспечения от которого он зависит. Испытательная аппаратура тривиально редактировался давние коммерческого источника. Языки программирования являются обычай язык обеспечивается производителем оборудования, для управления протокола, и, для анализа данных и построения графиков, специально построенном, некоммерческая, с открытым исходным кодом инструментов (TSsystem) написана очень широкую поддержку коммерческой научного программирования, данных анализ и язык графиков. Панель инструментов содержит высокоуровневые команды для извлечения структурной информации и сводные статистические данные от длительных записей событий с метками времени. Программы для протокола реализации и программы данных анализируя с открытым исходным кодом и тщательно документированы.

Система скрининга схематизирован на рисунке 1. Десять шкафы, каждая из которых содержит 8 тестовых сред может быть создана в 10 футов х 15 футов лабораторном помещении на, что позволяет 80 мышей то запускаться в одно время. Кабели, проходящие через порт в партийной стены должны соединить среды для электронных / электрических карт интерфейса и ПК в другой комнате. Персонажи запускать программы протокола управления. Один компьютер требуется на каждые 2 шкафов (16 тестовых средах). Персонажи должны быть подключены через локальной вычислительной сети к серверу под управлением данных анализа и графическое программное обеспечение.

протокол

Три полностью автоматизированные протоколы в TSsystem (соответствующий, аппетитивной инструментальную и классическую кондиционирование) и протокол переключатель были одобрены Комитетом по уходу за животными и сооружений на Rutgers Нью-Брансуик на.

1. Настройка физической системы

  1. Настройка тестовые среды в кабинетах (см. рисунок 1).
  2. Установка программного обеспечения эксперимент-управления, снабженный тестовых сред на протокол контроля компьютеров.
    Примечание: Не используйте эти компьютеры для любых других целей!

2. Настройка системы Software

  1. Настройте LAN (локальная сеть), так что сервер, на котором установлено программное обеспечение анализа данных можно получить доступ к жесткие диски компьютера (ов), контролирующих тестовых сред (см. рисунок 1).
  2. Создание учетной записи файла-синхронизации для хранения данных в «облаке».
  3. Пут папку TSsystem и ее подпапки на пути поиска коммерческой языка программирования в папке облачной синхронизации.
    Примечание: TSsystem представляет собой программный инструментарий, то есть библиотека из более чем 30 функций высокого уровня, которые облегчают создание комплексной данных анализа и данных графиков кода, который автоматически обрабатывает данные, когда он собирается с выходных файлов, генерируемых программа эксперимент-контроль. Все команды работают с данными в полях структуры эксперимента и поместить результаты в других областях в той же структуры (см. рисунок 2). Эти команды с открытым исходным кодом написаны в одном из наиболее широко используемых коммерческих научно программирования и графическими языках. Она имеет много других "инструментарии", в том числе с наибольшей пользой в Statistics Toolbox.

3. Запуск эксперимента

  1. Позвоните TSbegin (см. Рисунок 3).
    Примечание: TSbegin является инractive GUI (G raphic U сер я nterface) в панели инструментов TSsystem. Это приводит пользователя через процесс создания иерархической структуры данных, в которую исходные данные и все результаты, полученные из него будут помещены на других функций в панели инструментов TSsystem.
  2. Позвоните TSaddprotocol (см. рисунок 4).
    Примечание: TSaddprotocol представляет собой графический интерфейс в панели инструментов TSsystem. Это ведет пользователя через процесс уточнения параметров управления для экспериментального протокола, указав принятия код, который позволит автоматизировать решение о прекращении протокол и перейти к следующему, и указав критерии принятия решений, которые будут использоваться.
  3. Наведите мышей в 24/7-в тестовой среде, одной мыши на окружающую среду.
    Примечания: Позаботьтесь отметить идентификационный номер мыши, которая входит в каждый из пронумерованных экспериментальных условиях (вставка 1, Box 2, и т.д.). Также обратите внимание на письмо, которое идентифицирует эксперимент-контролькомпьютер в локальной вычислительной сети (LAN) и его IP-адресу.
  4. Позвоните TSstartsession (рис. 5).
    Примечание: TSstartsession представляет собой графический интерфейс в панели инструментов TSsystem. Это ведет пользователя через процесс запуска экспериментальный сеанс. Экспериментальные занятия длятся одну или две недели, в течение которых несколько различных протоколов тестирования поведения запускаемых. TSstartsession хранит информацию, которая идет в макрос, что программное обеспечение протокола управления считывает при запуске сеанса. В комплекте есть путь и имя файла с кодом, что программное обеспечение протокола управления считывает. Аналитическая программа TSsystem гласит этот код в иерархической структуре данных, поэтому нет сомневаться относительно точного протокола в силу в любое время.
  5. К контрольных компьютеров и вызывать макросы, написанные в папку MedPC, чтобы начать работу сессии на ящиках, контролируемых этом компьютере.

4. Анализ данных

  1. Если вы создали новый протокол, написать соответствующее анализом данных и графиков код с помощью команд на панели инструментов TSsystem, которые значительно упрощают создание сложных данных анализов.
    Примечание: Data-анализ и графический код для трех протоколов, результаты которых описаны ниже, включены в панели инструментов TSsystem. Потому что, они имеют открытый исходный код, они могут быть изменены по желанию. Код для этих анализов широко прокомментировал, что делает его легче создавать код для анализа результатов от заданных пользователем протоколов.
  2. За время эксперимента (24 ч до многих недель), контролировать электронную почту для рассылки уведомлений от сервера с указанием можно неисправности оборудования (сбои питания, спонтанные, контрольно-компьютер перезагружается, пытателя неисправности и т.д.), которые TSsystem данных анализирующие Программа обнаруживает.
  3. Исследование сюжеты производительности, что данные-анализа кода, написанного в TSsystem производит каждый раз при вызове по гоэ анализ таймер (обычно 2-4 раза / сут).
    Примечание: Таймер анализ называет данных анализа и построения графиков программу в указанные пользователем интервалы. Называется программа написана с функциями в TSsystem. Она читает в иерархической структуре данных исходные данные собранные из файла в который записывает программное обеспечение протокола управления. Затем он анализирует данные и графики результатов анализов. Файл, содержащий иерархическую структуру данных хранится в папке файл-синхронизации в облаке. Это обеспечивает автоматическое резервное копирование пределы участка. Автоматические файл-синхронизации хранит копии файла структуры на компьютерах всех сотрудников и сотрудников, которым было предоставлено доступа. Указанные графики автоматически по электронной почте, указанных персонала и сотрудников. Главный исследователь может контролировать ход тестирования из любой точки мира в любое время, и, при необходимости, пересмотреть экспериментальный протокол, на линии, удаленной от сидячейе, где проходят испытания мышей.
  4. Используйте TSbrowser изучать данные и сводные статистические данные в иерархической структуре данных по мере их появления, в квази реального времени (см. рисунок 2).

Результаты

Система может и должна быть использована для запуска протоколов приспособленные к целям индивидуальной следователя или классного руководителя. Тем не менее, мы разработали набор 3 протоколов, которые должны оказаться полезными в крупномасштабной скрининга генетической манипуляции ?...

Обсуждение

Наш метод дает широкий спектр физиологических значимых, количественные результаты о функционировании различных механизмов познания, обучения и памяти, для многих мышей сразу, в минимальное количество времени, с минимумом человеческого труда, и без обращения экспериментальных предме...

Раскрытие информации

Авторы не имеют ничего раскрывать.

Благодарности

Создание этой системы была поддержана 5RO1MH77027.

Материалы

NameCompanyCatalog NumberComments
SmartCtrl Connection PanelMed AssociatesSG-716B (115)control panel for inputs/outputs
SmartCtrl Interface ModuleMed AssociatesDIG-716B (114)smart card for each chamber
Universal CableMed AssociatesSG-210CB (115)cable from smart card to control panel
Tabletop Interface CabinetMed AssociatesSG-6080C (109)cabinet to hold smart cards
Rack Mount Power SupplyMed AssociatesSG-500 (112)28 volt power
Wide Mouse Test ChamberMed AssociatesENV-307W (31)test chamber
Filler Panel PackageMed AssociatesENV-307W-FP (32)various-size panels for test chamber
Wide Mouse Modular Grid FloorMed AssociatesENV-307W-GF (31)test chamber floor grid
Head Entry DetectorMed AssociatesENV-303HDW (62)head entry/pellet entry into hopper
Pellet DispenserMed AssociatesENV-203-20 (73)feeder
Pellet ReceptacleMed AssociatesENV-303W (61)hopper
Pellet Receptacle LightMed AssociatesENV-303RL (62)hopper light
House LightMed AssociatesENV-315W (43)house light
IR ControllerMed AssociatesENV-253B (77)entry detector for tube between nest and test
FanMed AssociatesENV-025F28 (42)exhaust fan for each chamber
Polypropylene Nest Tubnest box
Acrylic Connection Tubeconnection between nest and test areas
Steel Cabinetcabinet to hold test chambers (78"H, 48"W, 24"D)
Windows computerrunning MedPC experiment-control software
Serverrunning Matlab, linked to exper-control computer by LAN
Software
MedPC softwareMed Associatesproprietary process-control programming language
Matlab w Statistics ToolboxMatlabproprietary data analysis and graphing programing system
TSsystemin Supplementary Material w updates from senior authorOpen-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)

Ссылки

  1. Gallistel, C. R., Shizgal, P., Yeomans, J. S. A portrait of the substrate for self-stimulation. Psychol. Rev. 88, 228-273 (1981).
  2. Takahashi, J. S. Molecular neurobiology and genetics of circadian rhythms in mammals. Ann. Rev. Neurosci. 18, 531-553 (1995).
  3. Mackay, T. F. C., Stone, E. A., Ayroles, J. F. The genetics of quantitative traits: challenges and prospects. 10, 565-577 (2009).
  4. 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).
  5. Balsam, P. D., Drew, M. R., Gallistel, C. R. Time and Associative Learning. Compar. Cogn. Behav. Rev. 5, 1-22 (2010).
  6. Gallistel, C. R., Gibbon, J. Psychol Rev. Psychol Rev. 107, 289-344 (2000).
  7. Ward, R. D., et al. Conditional Stimulus Informativeness Governs Conditioned Stimulus—Unconditioned Stimulus Associability. J. Exp. Psychol. Animal Behav. Process. 38, 217-232 (2012).
  8. Gallistel, C. R., et al. Is matching innate. J. Exp. Anal. Behav. 87, 161-199 (2007).
  9. Herrnstein, R. J. Derivatives of matching. Psychol. Rev. 86, 486-495 (1979).
  10. Mark, T. A., Gallistel, C. R. Kinetics of matching. J. Exp. Psychol. Animal Behav. Process. 20, 79-95 (1994).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Upchurch, M., Wehner, J. M. Differences between inbred strains of mice in Morris water maze performance. Behav. Genet. 18, 55-68 (1988).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Gallistel, C. R. . The organization of learning. , (1990).
  18. 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).
  19. Challet, E., Mendoza, J., Dardente, H., Pevet, P. Neurogenetics of food anticipation. Eur. J. Neurosci. 30, 1676-1687 (2009).
  20. Arcediano, F., Miller, R. R. Some constraints for models of timing: A temporal coding hypothesis perspective. Learn. Mot. 33, 105-123 (2002).
  21. 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).
  22. Balci, F., Freestone, D., Gallistel, C. R. Risk assessment in man and mouse. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 106, 2459-2463 (2009).
  23. Kheifets, A., Gallistel, C. R. Mice take calculated risks. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 109, 8776-8779 (2012).
  24. 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).
  25. Luby, M., et al. Food anticipatory activity behavior of mice across a wide range of circadian and non-circadian intervals. PLoS One. 7, (2012).
  26. 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).
  27. Rodriguiz, R., Wetsel, W. C., Levin, E. D., Buccafusco, J. J. . Animal Models of Cognitive Impairment Ch. 12. , (2006).
  28. 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).

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи

Запросить разрешение

Смотреть дополнительные статьи

84

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

РЕКОМЕНДОВАТЬ БИБЛИОТЕКЕ

НОВОСТИ JoVE

Исследования

Образование

АВТОРЫ

Библиотекарь

О JoVE

Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены