Tracking Ratten in Operant Conditioning Chambers mit einer vielseitigen hausgemachten Videokamera und DeepLabCut

Im Bereich der Verhaltensneurowissenschaften verwenden Forscher häufig Opernkonditionierungskammern, um eine breite Palette verschiedener kognitiver und psychiatrischer Merkmale bei Nagetieren zu bewerten. Zwar gibt es mehrere verschiedene Hersteller solcher Systeme, sie haben in der Regel bestimmte Attribute und haben ein fast standardisiertes Design^1,2,3. Die Kammern sind in der Regel quadratisch oder rechteckig, mit einer Wand, die für die Platzierung von Tieren im Inneren geöffnet werden kann, und eine oder zwei der verbleibenden Wände mit Komponenten wie Hebel, Nasen-Poke-Öffnungen, Belohnungsschalen, Reaktionsräder und Lichter verschiedener Arten^1,2,3. Die in den Kammern vorhandenen Leuchten und Sensoren werden verwendet, um sowohl das Testprotokoll zu steuern als auch das Verhalten der Tiere zu verfolgen^1,2,3,4,5. Die typischen Operant-Konditionierungssysteme ermöglichen eine sehr detaillierte Analyse, wie die Tiere mit den verschiedenen Operanden und Öffnungen in den Kammern interagieren. Im Allgemeinen können alle Fälle, in denen Sensoren ausgelöst werden, vom System aufgezeichnet werden, und aus diesen Daten können Benutzer detaillierte Protokolldateien erhalten, die beschreiben, was das Tier während bestimmter Schritte des Tests^4,5getan hat. Dies bietet zwar eine umfassende Darstellung der Leistung eines Tieres, kann aber nur zur Beschreibung von Verhaltensweisen verwendet werden, die direkt einen oder mehrere Sensoren auslösen^4,5. Als solche, Aspekte im Zusammenhang damit, wie das Tier sich selbst positioniert und bewegt sich innerhalb der Kammer während der verschiedenen Phasen des Tests sind nicht gut beschrieben^6,7,8,9,10. Dies ist bedauerlich, da solche Informationen wertvoll sein können, um das Verhalten des Tieres vollständig zu verstehen. Zum Beispiel kann es verwendet werden, um zu klären, warum bestimmte Tiere in einem bestimmten Test schlecht abschneiden⁶, um die Strategien zu beschreiben, die Tiere entwickeln könnten, um schwierige Aufgaben zu bewältigen^6,7,8,^9,,10, oder um die wahre Komplexität vermeintlich einfacher Verhaltensweisen zu schätzen^11,12. Um solche artikulierten Informationen zu erhalten, wenden sich Forscher häufig der manuellen Analyse von Videos^{6,7,8,9,10,11}zu.

Bei der Aufnahme von Videos aus Operat-Konditionierungskammern ist die Wahl der Kamera entscheidend. Die Kammern befinden sich häufig in Isolationskabinen, mit Protokollen, die häufig Schritte verwenden, in denen kein sichtbares Licht leuchtet^3,6,7,8,9. Daher ist die Verwendung von Infrarotbeleuchtung (IR) in Kombination mit einer IR-empfindlichen Kamera notwendig, da sie auch bei völliger Dunkelheit Sichtbarkeit ermöglicht. Darüber hinaus ist der Platz für die Platzierung einer Kamera in der Isolationskabine oft sehr begrenzt, was bedeutet, dass man stark von kleinen Kameras profitiert, die Objektive mit einem weiten Sichtfeld (z.B. Fischaugenlinsen) verwenden⁹. Während Hersteller von Operant-Konditionierungssystemen ihren Kunden oft hochwertige Kamera-Setups liefern können, können diese Systeme teuer sein und nicht unbedingt Kammern anderer Hersteller oder Setups für andere Verhaltenstests passen. Ein bemerkenswerter Vorteil gegenüber der Verwendung von Stand-Alone-Videokameras ist jedoch, dass diese Setups oft direkt mit den Operant-Konditionierungssystemen^13,14in Verbindung stehen können. Dadurch können sie so eingerichtet werden, dass sie nur bestimmte Ereignisse aufzeichnen, anstatt vollständige Testsitzungen aufzuzeichnen, was bei der folgenden Analyse sehr helfen kann.

Das aktuelle Protokoll beschreibt, wie man eine kostengünstige und vielseitige Videokamera mit Hobby-Elektronikkomponenten baut. Die Kamera verwendet ein Fisheye-Objektiv, ist empfindlich auf IR-Beleuchtung und hat eine Reihe von IR-Lichtemittierdioden (IR-LEDs) daran befestigt. Darüber hinaus ist es gebaut, um ein flaches und schlankes Profil zu haben. Zusammen bilden diese Aspekte ideal für die Aufnahme von Videos aus den meisten kommerziell erhältlichen Operant-Konditionierungskammern sowie anderen Verhaltenstest-Setups. Das Protokoll beschreibt weiter, wie man mit der Kamera erhaltene Videos verarbeitet und wie man das Softwarepaket DeepLabCut^15,16 verwendet, um Videosequenzen von Interesse zu extrahieren sowie die Bewegungen eines Tieres darin zu verfolgen. Dies umgeht teilweise den Rückzieher einer Stand-Alone-Kamera über die integrierten Lösungen von Operant-Herstellern von Konditionierungssystemen und bietet eine Ergänzung zur manuellen Bewertung von Verhaltensweisen.

Es wurden Anstrengungen unternommen, das Protokoll in einem allgemeinen Format zu schreiben, um hervorzuheben, dass der gesamte Prozess an Videos aus verschiedenen Operant-Konditionierungstests angepasst werden kann. Zur Veranschaulichung bestimmter Schlüsselkonzepte werden als Beispiele Videos von Ratten verwendet, die den 5-Wahl-Serienreaktionszeittest (5CSRTT)¹⁷ durchführen.