Geautomatiseerde, Kwantitatieve Cognitieve / Behavioral Screening van Muizen: Voor Genetica, Farmacologie, Animal Cognition and Undergraduate Instructie

Om de krachtige technieken van de genetica, moleculaire genetica, moleculaire biologie, en neurofarmacologie uit te oefenen op het ophelderen van de cellulaire en moleculaire mechanismen die fundamentele mechanismen van cognitie bemiddelen, high-volume, high-through zetten psychofysische screeningsmethoden die fysiologisch zinvol te kwantificeren moeten we eigenschappen van cognitieve mechanismen. Een psychofysisch meetbare, fysiologische zinvolle kwantitatieve eigenschap van een mechanisme is een eigenschap die kan worden gemeten door gedrags-middelen en ook door elektrofysiologische of biochemische middelen. Voorbeelden zijn het absorptiespectrum van rhodopsin, vrijlopende periode van de circadiane klok, en de refractaire periode van beloning axonen in de mediale voorhersenen bundel ^1,2. Psychofysische metingen die kunnen worden vergeleken met de cellulaire en moleculaire metingen leggen een basis voor het koppelen van cellulaire en moleculaire mechanismen aan psychologische mechanismen via kwantitatief correspondentie. Voor example, dat de in situ absorptiespectrum van de rhodopsine in de buitenste segmenten staven superponeert op de menselijke scotopic spectrale gevoeligheid functie is sterk bewijs dat de foton geactiveerd isomerisatie van rhodopsine is de eerste stap in Scotopic. De kwantitatieve aspecten van complexe gedragspatronen ook centraal in het gebruik van QTL methoden gedragsgenetica ^3,4.

De prestaties van muizen (en ratten) op gevestigde instrumentale en Pavlov leren protocollen is afhankelijk van de hersenen mechanismen die abstracte grootheden, zoals het meten van tijd, aantal, duur, snelheid, waarschijnlijkheid, risico-, en ruimtelijke locatie. Bijvoorbeeld, de snelheid van de verwerving van Pavlov geconditioneerde responsen afhankelijk van de verhouding tussen de gemiddelde interval tussen de versterkende gebeurtenissen (typisch voedsel leveringen) en de gemiddelde latentie wapening na het begin van het signaal voor naderende versterking ^5-7. Voor een tweede voorble, de verhouding van de gemiddelde duur van de bezoeken twee vultrechters in bijpassende protocol ongeveer gelijk aan de verhouding van de tarieven van wapening die twee hoppers ^8-10.

De gedrags-testmethoden momenteel veel gebruikt door neurologen geïnteresseerd in de onderliggende mechanismen zijn, voor het grootste deel, een laag volume, lage doorzet, en arbeidsintensief ^26. Bovendien zijn ze niet grootheden worden vergeleken met de hoeveelheden berekend door elektrofysiologische en biochemische assays meten, zoals bijvoorbeeld de gedragsmatig gemeten perioden en fasen van circadiane oscillatoren kan worden vergeleken met elektrofysiologische en biochemische maatregelen van circadiane periode en fase. Huidige gedrags testmethoden richten op categorieën van leren, zoals ruimtelijke leren, tijdelijke leren, of angst leren, in plaats van op de onderliggende mechanismen. De veel gebruikte water maze test van de ruimtelijke leren ^11-15 is een voorbeeld van deze shortcomings. Ruimtelijke leren is een categorie. Leren in die categorie afhankelijk van veel mechanismen, waarvan het mechanisme van gegist bestek ^16,17. Gegist bestek hangt weer op de teller, het mechanisme dat de afgelegde afstand ¹⁸ meet. Evenzo, temporele leren is een categorie. Een circadiane klok is een van de mechanismen waarop leren in die categorie afhangt, omdat een oscillator met een ongeveer 24 uur wordt verlangd dat dieren het tijdstip waarop gebeurtenissen ^17,19 leren. De klok die eten kunnen anticiperen moet nog worden ontdekt ^19.

Een klok is een tijdmeting mechanisme. Endogene oscillatoren met een breed scala aan periodes kan de hersenen om gebeurtenissen in de tijd te lokaliseren door het opnemen van de fasen van die klokken ^16,17. De mogelijkheid om locaties te nemen in de tijd maakt het meten van lengtes, dat wil zeggen de afstanden tussen locaties in de tijd. Associatief leren hangt af van thij metingen van duur ^5,6,20,21 hersenen. Tellers zijn nummer meten mechanismen. Aantal metingen maakt waarschijnlijkheid schatten, omdat een kans is de verhouding tussen de numerosity van een deelverzameling en numerosity van de superset. Aantal meet-en duur meten stellen tarief schatting, omdat een percentage is het aantal gebeurtenissen gedeeld door de duur van het interval waarover dat aantal werd gemeten. Metingen van duur, aantal, percentage, en de waarschijnlijkheid staat gedragsmatige aanpassingen aan veranderende risico's. ^22,23 Onze methode richt zich op het meten van de nauwkeurigheid en precisie van deze fundamentele mechanismen. Nauwkeurigheid is de mate waarin het meten van de hersenen overeen met een objectieve maat. Precisie is de variatie of onzekerheid mate van vaste objectieve waarde van de hersenen, bijvoorbeeld, een vaste duur. Weber's Law is de oudste en meest veilig gevestigde resultaat in psychofysica. Zij stelt dat de precisie van demaatregel van een hoeveelheid hersenen is een vaste fractie van die hoeveelheid. De Weber Fraction, dat is variatiecoëfficiënt de statisticus in een distributiecentrum (σ / μ), meet precisie. De verhouding van de psychofysische gemiddelde (bijv. gemiddelde duur geacht) de doelstelling gemiddelde (gemiddelde doelstelling duur) is de mate van nauwkeurigheid.

De hier gepresenteerde methode maximaliseert volume (aantal dieren worden gescreend op een bepaald moment in een bepaalde hoeveelheid laboratoriumruimte) en debiet (hoeveelheid informatie die gedeeld door de gemiddelde duur van de screening van een dier) met een minimale hoeveelheid menselijke arbeid nodig is om de metingen en het maximaliseren van de directheid waarmee de resultaten van het onderzoek bekend worden.

De data-analyse software architectuur hier gepresenteerde zet automatisch de ruwe data en alle beknopte resultaten en statistieken afgeleid uit de gegevens samen in een enkele data structuur, met veldkoppen dat begrijpelijk de grote zeeën van getallen maken daarin. De analytische software werkt alleen op gegevens in die structuur, en slaat altijd de resultaten van haar verrichtingen op gebieden binnen die dezelfde structuur. Dit verzekert een intacte parcours van ruwe gegevens tot gepubliceerde overzichten en grafieken.

Schrijft de software automatisch in de structuur van de experiment-controleprogramma's die het volledig geautomatiseerd testen beheerst, en het automatisch aangegeven welke ruwe gegevens afkomstig van welk programma. Zo, het bewaart een onberispelijke data parcours, zonder twijfel bestaat welke experimentele omstandigheden van kracht waren voor elk dier op elk punt in het testen en geen twijfel over hoe de samenvattende statistieken zijn afgeleid van de ruwe data. Deze methode gegevensbevriezing vergemakkelijkt aanzienlijk de ontwikkeling van gestandaardiseerde gedrags screening gegevensbanken, waardoor het voor andere laboratoria om deze rijke datasets verder te analyseren.

<p class = "jove_content"> Deze methode minimaliseert het risico van verlies van de steun voor de firmware en software waarvan het afhankelijk is. De testapparatuur wordt triviaal gewijzigd van een reeds lang gevestigde commerciële bron. De programmeertalen zijn de aangepaste taal die door de hardwarefabrikant, voor protocol controle, en voor data-analyse en grafieken, een speciaal gebouwde, niet-commercieel, open-source toolbox (TSsystem) geschreven in een zeer breed gedragen commerciële wetenschappelijke programmering, data analyses en grafieken taal. De toolbox bevat high-level commando's voor het extraheren van structurele informatie en samenvattende statistieken van lange-tijdstempel gebeurtenisrecords. De-protocol uitvoeren van programma's en de data-analyse programma's zijn open source en grondig gedocumenteerd.

Het bewakingssysteem is schematisch in figuur 1. Tien kasten, kan elk met 8 testomgevingen worden opgezet in een 10 ft x 15 ft laboratoriumruimte, waardoor 80 t muizeno worden uitgevoerd in een keer. Kabels die door een poort in een partij muur moet de omgevingen aan te sluiten op de elektronische / elektrische interface-kaarten en pc in een andere kamer. De PC's draaien de protocol-controleprogramma's. Een computer is vereist voor elke 2 kasten (16 testomgevingen). De PC's worden verbonden via een Local Area Network met een server waarop de data-analyse en grafische software.