Automatisierte, Quantitative Kognition / Verhalten Screening der Mäuse: Für Genetik, Pharmakologie, Animal Cognition und Undergraduate-Unterricht

Um die leistungsfähigen Techniken der Genetik, Molekulargenetik, Molekularbiologie und Neuropharmakologie zu bringen, um auf die Aufklärung der zellulären und molekularen Mechanismen, die grundlegenden Mechanismen der Erkenntnis vermitteln zu tragen, brauchen wir High-Volume-, Hochdurchsatz-Screening-Verfahren, die psychophysischen physiologisch sinnvoll zu quantifizieren Eigenschaften von kognitiven Mechanismen. Ein psychophysisch messbare physiologische sinnvolle quantitative Eigenschaft eines Mechanismus ist eine Eigenschaft, die von Verhaltens Mittel, durch elektrophysiologische oder biochemische Mittel gemessen und auch werden kann. Beispiele sind das Absorptionsspektrum von Rhodopsin, die freilaufende Periode der circadianen Uhr und die Refraktärzeit der Belohnung Axone im medialen Vorderhirnbündel ^1,2. Psychophysikalische Messungen, die zellulären und molekularen Messungen verglichen werden können, eine Grundlage für die Verknüpfung von zellulären und molekularen Mechanismen, die psychologischen Mechanismen, durch quantitative Korrespondenz. Für example, die Tatsache, dass die in situ-Absorptionsspektrum des Rhodopsin in Stäbchenaußensegmenten überlagert auf den menschlichen skotopischen spektrale Empfindlichkeitsfunktion gibt starke Hinweise, dass das Photon ausgelöste Isomerisierung von Rhodopsin ist der erste Schritt bei skotopischer. Die quantitativen Aspekte der komplexen Verhaltensmuster sind auch zentral für die Nutzung von QTL-Methoden in der Verhaltensgenetik ^3,4.

Die Leistung von Mäusen (und Ratten) auf etablierten Instrumental-und Pawlowschen Lernprotokolle hängt von Gehirnmechanismen, die abstrakte Größen wie die Zeit messen, die Anzahl, Dauer, Geschwindigkeit, Wahrscheinlichkeit, Risiko und räumliche Lage. Beispielsweise die Geschwindigkeit der Akquisition von Pavlovian bedingter Reaktionen hängt von dem Verhältnis zwischen dem durchschnittlichen Abstand zwischen den Verstärkungs Ereignisse (typischerweise Lebensmittellieferungen) und der mittleren Latenz zur Bewehrung nach dem Einsetzen des Verstärkungssignals für bevorstehende ^5-7. Für eine zweite Blutzuckerwerle, das Verhältnis der durchschnittlichen Dauer der Besuche, zwei Aufgabetrichter in einem passenden Protokoll etwa gleich dem Verhältnis der Geschwindigkeiten der Verstärkung an diesen beiden Trichtern ^10.08.

Die Verhaltenstestverfahren derzeit im breiten Einsatz von Neurowissenschaftlern interessiert zugrunde liegenden Mechanismen sind zum größten Teil, geringes Volumen, geringe Durchlauf und arbeitsintensiv ^26. Außerdem haben sie keine Mengen, die mit durch elektrophysiologische und biochemische Verfahren Meßgrößen verglichen werden kann, zu messen, wie zum Beispiel können die verhaltens gemessenen Perioden und Phasen der zirkadianen Oszillatoren elektrophysiologische und biochemische Maßnahmen der zirkadianen Periode und Phase verglichen werden. Aktuelle Verhaltenstestverfahren konzentrieren sich auf Kategorien von Lernen, wie räumliches Lernen, Lernen zeitliche oder Angst lernen, anstatt auf zugrunde liegenden Mechanismen. Die weit verbreitete Wasserlabyrinth Test der räumlichen Lernen ^11-15 ist ein Beispiel für diesen shortcomings. Räumliche Lernen ist eine Kategorie. Lernen in dieser Kategorie hängt von vielen Mechanismen, von denen einer der Mechanismus der Koppel ^16,17. Koppelnavigation hängt wiederum auf dem Tacho, den Mechanismus, der Streckenlauf ¹⁸ misst. Ebenso ist eine zeitliche Lern ​​Kategorie. Eine innere Uhr gehört zu den Mechanismen auf dem Lernen in dieser Gruppe abhängig ist, da ein Oszillator mit einer etwa 24-Stunden-Zeitraum ist für die Tiere benötigt, um die Tageszeit, zu der Ereignisse auftreten ^17,19 erfahren. Die Uhr, die Nahrung ermöglicht Vorfreude noch zu ¹⁹ entdeckt werden.

Ein Takt ist eine Zeitmesseinrichtung. Endogene Oszillatoren mit einer Vielzahl von Perioden ermöglichen das Gehirn Ereignisse in der Zeit durch Aufzeichnung der Phasen dieser Uhren ^16,17 lokalisieren. Die Fähigkeit, Positionen in der Zeit aufzuzeichnen ermöglicht die Messung von Zeitdauern, dh Abstände zwischen Positionen in der Zeit. Assoziatives Lernen hängt von ter Messungen der Laufzeiten ^5,6,20,21 Gehirns. Zähler gibt Anzahl Messmechanismen. Anzahl Mess ermöglicht Wahrscheinlichkeitsschätzung, da eine Wahrscheinlichkeit, das Verhältnis zwischen der numerosity einer Teilmenge und dem numerosity des Ober. Anzahl Messdauer und Mess ermöglichen Ratenschätzung, da eine Rate ist die Anzahl der Ereignisse, geteilt durch die Dauer des Intervalls, über die die Zahl gemessen. Messungen der Dauer, Anzahl, Geschwindigkeit und Wahrscheinlichkeit ermöglichen Verhaltensanpassungen an veränderte Risiken. ^22,23 Unsere Methode konzentriert sich auf die Messung der Genauigkeit und Präzision dieser grundlegenden Mechanismen. Genauigkeit ist das Ausmaß, in dem das Gehirn die Maßnahme entspricht einem objektiven Maßstab. Präzision ist die Variation oder Unsicherheit im Gehirn die Maßnahme von einem festen objektiven Wert, beispielsweise eine feste Dauer. Weber-Gesetz ist die älteste und sicher etabliert Ergebnis in der Psychophysik. Sie behauptet, dass die Genauigkeit derGehirn Maß einer Menge ist ein fester Bruchteil dieser Menge. Die Weber-Fraktion, die die Statistiker der Variationskoeffizient in einer Verteilung (σ / μ), misst Präzision. Das Verhältnis der psychophysischen Mittel (z. B. bedeuten, beurteilt Dauer) auf das Ziel Mittelwert (Mittelwert Ziel Dauer) ist das Maß der Genauigkeit.

Das hier vorgestellte Verfahren maximiert Volumen (Anzahl der Tiere, die zu einem beliebigen Zeitpunkt in einer gegebenen Menge von Laborraum abgeschirmt) und Durchsatz (Menge an Informationen erhalten, dividiert durch die mittlere Dauer der Überprüfung von einem einzigen Tier) bei gleichzeitiger Minimierung der Menge an Human Arbeit erforderlich, um die Messungen zu machen und die Maximierung der Unmittelbarkeit, mit der die Ergebnisse des Screening bekannt geworden.

Die Daten-Analyse-Software-Architektur stellt hier vorge automatisch die Rohdaten und all die Zusammenfassung der Ergebnisse und Statistiken aus der Daten zusammen in einer einzigen d abgeleitetata Struktur, mit Feldüberschriften, die verständlich die Weltmeere von Zahlen machen darin enthalten sind. Die analytische Software arbeitet nur Daten in dieser Struktur und speichert jeweils die Ergebnisse ihrer Operationen in Bereichen innerhalb derselben Struktur. Dies gewährleistet eine intakte Weg von Rohdaten zu veröffentlichen Zusammenfassungen und Grafiken.

Die Software schreibt automatisch in die Struktur der Experiment-Kontrollprogramme, die die vollautomatische Prüfung geregelt, und es wird automatisch angezeigt, welche Rohdaten aus, welches Programm kam. So bewahrt sie eine tadellose Datenspur, ohne Zweifel, auf die experimentellen Bedingungen in Kraft waren, für jedes Tier an jedem Punkt in der Prüfung und keinen Zweifel daran, wie die zusammenfassende Statistiken wurden aus den Roh-Daten abgeleitet. Diese Methode der Datensicherung erleichtert die Entwicklung von standardisierten Verhaltens Screening-Datenbanken, die es ermöglicht, anderen Labors weiter zu analysieren, diese reichen von Datensätzen.

<p class = "jove_content"> Dieses Verfahren minimiert das Risiko von Verlust der Unterstützung für die Firmware und Software von denen es abhängt. Das Prüfgerät ist trivialerweise aus einer alteingesessenen Handelsquelle modifiziert. Die Programmiersprachen sind die individuelle Sprache, die von der Hardware-Hersteller, für die Protokollsteuerung vorgesehen, und für die Datenanalyse und Grafik, ein speziell angefertigtes, nicht kommerziellen Open-Source-Werkzeugkasten (TSsystem) in einem sehr weit unterstützt Handels wissenschaftliche Programmierung, Daten geschrieben Analyse-und Grafiksprache. Die Toolbox enthält High-Level-Befehle für das Extrahieren von Strukturinformationen und Auswertungsstatistiken von langwierigen Zeitstempel versehen Ereignisdatensätze. Die Protokoll-Umsetzung der Programme und die Daten-Analyse-Programme sind Open-Source und gründlich dokumentiert.

Das Screening-System ist in Abbildung 1 schematisch dargestellt. Zehn Schränke, können mit jeweils 8 Testumgebungen in einem 10 ft x 15 ft Laborraum eingerichtet werden, so dass 80 Mäuse to gleichzeitig ausgeführt werden. Kabel durch eine Öffnung in einer Wand Partei sollte die Umgebungen der elektronischen / elektrischen Schnittstellenkarten und PCs in einem anderen Raum zu verbinden. Die PCs laufen die Protokoll-Steuerprogramme. Ein Computer ist für alle 2 Schränke (16 Testumgebungen) erforderlich. Die PCs sind über ein Local Area Network auf einem Server mit der Datenanalyse und Grafik-Software verbunden werden.