مراقبة لفترة طويلة وشاملة من الفئران في بيئة المنزل القفص يوفر فهما أعمق للسلوك المنحرف في نماذج الفئران من أمراض الدماغ. وتصف هذه الورقة محطة السلوكية المتكاملة (INBEST) باعتبارها عنصرا أساسيا في التحليل السلوكي المعاصر.
بسبب التقدم السريع في مجال الهندسة الوراثية، أصبحت القوارض الصغيرة الموضوعات المفضلة في العديد من التخصصات للبحوث الطبية الحيوية. في دراسات اضطرابات الجهاز العصبي المركزي المزمنة، هناك زيادة في الطلب على نماذج الفئران مع صلاحية عالية على المستوى السلوكي. ومع ذلك، وآليات المسببة للأمراض متعددة وعجز وظيفي المعقدة غالبا ما تفرض تحديات لقياس بشكل موثوق وتفسير سلوك الفئران المصابين بأمراض مزمنة. لذلك، يطلب من تقييم علم الأمراض الطرفية والتعريف السلوكي في عدة نقاط الوقت باستخدام مجموعة من الاختبارات. الفيديو تتبع، التحليل الطيفي السلوكي، واكتساب بعيد من التدابير الفسيولوجية والتقنيات التي تسمح التحليل السلوكي شاملة ودقيقة، وغير متحيزة في منزل قاعدة تشبه وضع الظهور. ويصف هذا التقرير بروتوكول phenotyping المكرر، والذي يتضمن مراقبة الجهاز حسب الطلب (محطة السلوكية المتكاملة، INBEST) الذي يركز على قياسات لفترات طويلة من باالمخرجات الوظيفية كذا، مثل النشاط العفوي والغذاء / استهلاك المياه والسلوك دوافع في بيئة خالية من التوتر نسبيا. التحسينات التقنية والمفاهيمية في تصميم INBEST قد يزيد من تعزيز استنساخ وتوحيد الدراسات السلوكية.
وقد أدت التطورات السريعة في مجال الهندسة الوراثية على مدى العقود القليلة الماضية إلى انتشار غير مسبوق من النماذج الحيوانية من الأمراض التي تصيب الإنسان. اكتسبت الفئران وضع مواضيع التجريبية الأولية في العلوم الطبية الحيوية لعدة أسباب. من الناحية العملية، لديهم معدل التكاثر عالية، وغير مكلفة نسبيا، وسهلة لإيواء. من وجهة نظر المفاهيمية للعرض، أنها قريبة جينيا إلى البشر، يمكن تعديلها وراثيا مع السهولة النسبية، وقد غاية نموا الغدد الصماء، في مأمن، والجهاز العصبي. وبالإضافة إلى الآفات عند مستويات الوراثية والخلوية، والدراسات المعاصرة للاضطرابات الدماغ تتطلب مظاهرة من عجز وظيفي للتكرار ذلك الوجه تسليط الضوء، بناء، أو صحة التنبؤية للنموذج الفأر الجديد 1.
عدوى حادة في الثدييات homoeothermic غالبا ما يؤدي إلى الاستجابة الحموية، التي جنبا إلى جنب مع سلوك المرض، ويشكل واحدا منآليات البقاء الرئيسية 2. تماما عرض الحيوانات المريضة تعديلات كبيرة في الغذاء / استهلاك المياه والأداء في المهام تعكس التفاعل العاطفي، والسلوك الاستكشافي، والقدرة على التعلم / الذاكرة. هذه التغييرات تمثل إلى حد كبير عن ضعف النشاط الجنسي / الاجتماعي والحفاظ على الطاقة للتفاعلات مناعية دفاعية. ومع ذلك، عندما تتحول الحالات الحادة المزمنة (كما رأينا في العديد من المناعية، والغدد الصماء والأمراض العصبية)، والأداء السلوكي يمكن أن تزيد من تدهور بسبب الضرر الهيكلي من مختلف الأجهزة، بما في ذلك الدماغ 3.
وغالبا ما يصحب أمراض الاعصاب الإنسان والحيوان من خلال كوكبة من العجز العصبية والسلوكية. ولذلك، فإن الغرض الرئيسي في الدراسات السلوكية من الحيوانات المريضة بشكل مزمن هو التمييز الآثار المركزية من العجز الناجم عن الأعراض الطرفية. ومع ذلك، فإن مدة قصيرة نسبيا من المهام السلوكية القياسية يحد من اجمعأيون المعلومات المتعلقة بالتدابير الوظيفية الأساسية، مثل الشم، يستريح، والنوم، والطعام / استهلاك المياه، أو نوبات الصرع. إدراج هذه التدابير يحسن التنميط السلوكي ويسمح تفسير أفضل من الأداء في المهام التي تتطلب النشاط.
التحسينات في phenotyping السلوكية من الفئران المريضة
وقد استلزم أوجه القصور في تقييم الشخصية السلوكي من الفئران المريضة الرصد المستمر من الفئران يضم منفردة من قبل أجهزة معالجة سريعة. على الرغم من أن بطاريات السلوكية المتنوعة ويمكن تصميم 4، 5، المدرجة أدناه هي الإجراءات التي تم استخدامها لإنشاء نموذج حيواني من مرض الذئبة العصبية 6 بنجاح. يتم تطبيق هذه البطارية مرارا وتكرارا في النماذج على حد سواء شبه المزمنة والمزمنة لمرض (الشكل 1)، مثل الضعف الادراكي المعتدل ومرض الزهايمر 7. وبعد سلسلة من الاختبارات العصبية 8-10، ميلانالجهاز مصنوع ustom، المصممة لتلبية المطالب المذكورة أعلاه من خلال الاستفادة من الرصد المستمر لمخرجات سلوكية متعددة في بيئة تشبه المنزل قفص المخصب، يمكن استخدامها. مثل هذا النهج القائم على ethologically لتقييم النشاط الاستكشافي عفوية والسلوك دوافع يوفر فهم أشمل من العجز الأداء في نماذج أخرى، مثل تلك التي تعكس التعلم والذاكرة.
الشكل 1. تمثيل تخطيطي من phenotyping السلوكية الطولي في مختبرنا. تم تصميم البطارية السلوكية في التطور من less- نحو أكثر- المهام المجهدة، التي تتكرر في نقاط زمنية مختلفة لتقييم آثار العوامل المستمرة مثل تطور المرض، العلاج الدوائي ، أو الاستجابات المناعية. يتم تنفيذ INBEST والفردية الاختبارات خلال ص الظلامهاسي، في كثير من الأحيان على مدى 10 ساعة و 2 على التوالي المختصرات:. R – ردود الفعل. BW – الحزمة المشي الاختبار؛ RR – Rotarod. OT – اختبارات الشم. SP – السكروز اختبار الأفضلية. SD – التنحي الاختبار؛ NO – اختبار كائن رواية. OF – اختبار مفتوح الميدان؛ SAB – عفوية التناوب السلوك. FS – اختبار السباحة القسري. MWM – موريس المياه المتاهة. * – جوانب الاختبار (على سبيل المثال، والموقع، والسياق واللون والشكل) التي تحتاج إلى تغيير في التجارب اللاحقة طوال مسار التجربة.
تم الإبلاغ المستمر تسجيلات الفيديو وتحليل السلوك في بيئة تشبه المنزل القفص لأول مرة في عام 2007 (11). وعرض على جهاز الآلي أكثر تعقيدا يدمج الاختبارات السلوكية المستخدمة في الدراسات على الفئران المناعة الذاتية في 'قياس السلوك "لقاء بعد عام واحد 12. محطة السلوكية المتكاملة (INBEST، الشكل 2A) هو نظام وحدات، والتي جomprises من التحفيز ضوء المأوى والتحكم الكمبيوتر، وهما lickometers التي تسيطر عليها ضوئية (واحد للمياه، واحدة للتوصل إلى حل من الفائدة)، وهو موزع الآلي الغذاء، عجلة المحوسبة التوالي، وشبكة تسلق الرقمية. ويتم فحص الإختفاء، الترددات، وفترات من سلوكيات معينة باستخدام برامج مخصصة. الحركي والنشاط الاستكشافي (على سبيل المثال، لكائن رواية أو غير مألوف مناوع) يمكن تقييم مع برنامج تتبع الفيديو (قائمة المواد / المعدات)، في حين أن النوم وأنماط سلوكية أقل تواترا، مثل السلوك والمضبوطات المضر بالنفس، يمكن أن سجل يدويا مع الفيديو البرمجيات تتبع أو حزم الحدث تسجيل مخصصة. وتستخدم ثمانية كاملة الاجهزة INBEST / الفيديو، مما يسمح بمراقبة المتزامنة من 4 الحيوانات السيطرة التجريبية و 4 (الشكل 2B).
<img alt="الشكل 2" src="/files/ftp_upload/51524/51524fig2.jpg" />
الشكل 2. محطة السلوكية المتكاملة. (A) تمثيل تخطيطي من الأجهزة، والبرمجيات المستخدمة في تصميم مربع INBEST (L = 39 × W = 53 × الارتفاع = 50 سم). توفر (B) ثمانية صناديق INBEST كاملة فرصة للالمتزامنة المراقبة المنزلية قفص من أربعة فئران التجارب وأربعة السيطرة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
وتشمل المتغيرات التابعة قياسات كمية الغذاء / المياه، والاستجابة لتحفيز مستساغا، والنشاط المتنقلة عفوية، والتسلق والجري الطوعي، والسلوكيات المتعلقة القلق (على سبيل المثال، واستكشاف وجوه الرواية)، والاستمالة وضبطها والنوم. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تقديم المحفزات البصرية للتكييف والتعلم النماذج. وتشمل مزايا INBEST على اختبار السلوكي القياسية القضاء على آثار الخلط inducإد عن الإجهاد والنقل، وكذلك المستمر، وجمع الآلي من التدابير عاكسة للنشاط الليلي، والتنقيب، ذات الصلة القلق والسلوكيات مثل الاكتئاب. دمج مكونات الأجهزة الحساسة مع حزمة الفيديو تتبع ينتج ثروة من المعلومات، والذي يسمح تحسن تقييم السلوك فيما يتعلق تطور مرض مزمن في النماذج الحيوانية المتنوعة. INBEST يمكن استخدامها لدراسة اضطرابات أخرى مزمنة CNS (على سبيل المثال، ومرض التوحد، الاكتئاب الشديد والفصام)، وكذلك في الدراسات الطولية التي تركز على النمو العصبي، والآثار السلوكية للاضطرابات جهازية / الأورام، والعلاج الدوائي لفترات طويلة.
الكشف عن الآثار الوظيفية في الحيوانات يعتمد إلى حد كبير على قدرة الباحث للحد من تقلب الأصيل في الدراسات السلوكية. ولذلك، من المهم أن بدقة السيطرة والحد من يفند المحتملة التي قد تقلل من الموثوقية واستنساخ البيانات السلوكية. في نفس الوقت، من المهم أن ندرك أن أي اختبار يعكس مجال واحد من السلوك، أن معرفة وظيفة العصبية إلزامي، وأن السلوك حساس للغاية لالضغوطات الخارجية. إذا تحظى بتقدير المسلمات المذكورة أعلاه، يمكن للمرء أن يستنتج ينبغي أن يشمل هذا التحليل السلوكي الشامل مدار الساعة من الاستجابة قياس، وكذلك، تنطوي على الصفات والنماذج التي تستفيد من الجوانب السلوكية المحددة الوظيفية الأساسية. العديد من هذه المعايير يمكن أن تتحقق باستخدام تقييم محوسب الحركات والأفعال السلوكية في بيئة غنية المنزل القفص.
وحتى الآن، فقد كان emphasiزيد phenotyping أن السلوكي للنماذج الفئران أوامر الأمراض البشرية اعتبارات إضافية. ويستند هذا المفهوم على فرضية أن التوازن الوظيفي طعن من قبل الضغوطات الداخلية والخارجية خلال بداية ظهور أعراض المرض. وعلى الرغم من كل يفند المحتملة قد لا يتم القضاء من خلال إدخال الآلي، المنزل قفص phenotyping، يتم الحد من القضايا المتعلقة إعدادات تتعارض البيئية، والإجهاد وسائل النقل، والتعامل معها المتكررة. هذا يعزز بشكل كبير الاتساق والدقة عبر الدراسات؛ يمكن حتى تخفيضات صغيرة في تقلب تحسين الكشف عن الآثار الناجمة عن مرض في بدايته. في الواقع، ويقدم INBEST ثروة من المعلومات، والذي يسمح تقييم أكثر دقة من البداية، حركية، وشدة التغيرات السلوكية، وكذلك علاقات مهمة بين مختلف العجز السلوكية الناجمة عن المرض. موثوق الفيديو تتبع يعتمد على ظروف الإضاءة اثنين. أولا، هناك حاجة ضوء منتشر في غرفة الاختبار لمنعالتحف من الأجسام التي تعكس في مكان قريب. ثانيا، لا يمكن أن يتحقق اللون عالية التباين عن طريق اختيار لون الأرضية المناسبة لتختلف عن لون الموضوع قدر الإمكان. في مختبرنا، ويتحقق ذلك عن طريق استخدام أضواء الفيضانات وضعه أسفل صندوق INBEST وصواني الطابق سوداء عند رصد الفئران البيضاء (أن خلفية بيضاء أو رمادية تكون كافية إذا اختبار سلالات المصطبغة). وفيما يتعلق بالجانب تسجيل الحدث من INBEST، الإعداد للجهاز الحالي (1 بيكولو بطاقة الفيديو مع 4 المدخلات) يحد من 4 خانات لاستخدامها في وقت واحد لكل جهاز كمبيوتر. هذا هو عدد صغير بدلا من مربعات، في حين أن أكثر ملاءمة مجموعة المتابعة يتطلب 8 أو حتى 16 الأقفاص، وبالتالي 2 أو 4 أجهزة الكمبيوتر على التوالي. ويفضل، INBEST يمكن استخدامها بشكل مستمر على مدى 24 ساعة كما قفص المنزل. هذا من شأنه أن يسمح الحيوانات في روض تماما للبيئة وإنشاء، وأنماط السلوكية الإيقاعية مستقرة، والتي يمكن تحليلها بطريقة غير متحيزة. لمنع فقدان البيانات الكمبيوتر بسبب انقطاع التيار الكهربائي، والطاقة المستمرة سوبتقديم طلب (أو على الأقل مصدر الطاقة غير المنقطعة) يجب تأمين. وأخيرا، لضمان التقييم السليم من الاستهلاك الغذائي اليومي، تجدر الإشارة إلى أن حجم الكريات الغذاء ينبغي ألا يتجاوز حجم الثقوب في موزع الغذائية (حجم الموصى بها من الغذاء بيليه واحد هو 20 ملغ).
لا يمكن تجاهلها، مع ذلك، أن هذا التحليل يجب أن تشمل أيضا كيف قد تتفاعل التدابير INBEST المختلفة مع بعضها البعض. على سبيل المثال، الفئران التي تنفق المزيد من الوقت في عجلة دوارة من المرجح أن استيعاب كميات أكبر من الغذاء والماء لتلبية الطلبات المتزايدة من السعرات الحرارية الخاصة بهم. وبالمثل، قد الفئران تناول المزيد من الحل السكروز انخفاض كمية من المواد الغذائية. تفسير هذه النتائج قد تكون معقدة مزيد من التحسن العام في الأداء مع مرور الوقت، ولا سيما فيما يتعلق ابتلاعي السلوك وتشغيل عجلة النشاط. ونظرا الحوافز ممتلكاتهم، قد المجربون أن تنظر أيضا في تقييد الوصول إلى حل السكروز ورانه تشغيل عجلة لمواجهة احتمال آثار ما بعد ابتلاعي وفقدان الوزن المفرطة، على التوالي. ومع ذلك، قد تكون هذه المخاوف أكثر أهمية في بعض سلالات من غيرها بسبب سلالات مختلفة من الفئران لها ملامح سلوكية متباينة. على الرغم من أن أداء كل من خط الأساس وضوابط التقييم التجريبية للعديد من القضايا أعلاه، تحتاج المجربون أن ندرك أن هذه المتغيرات يجب أن تؤخذ في الاعتبار عند تفسير INBEST البيانات. وفي الوقت نفسه، فإن بعض جوانب السلوك لا يمكن أن تدرس في بيئة المنزل القفص، مما يستلزم الجمع مع الاختبارات القياسية لاستكمال الملف السلوكي من المواضيع.
مراقبة محوسب ضمن موحدة، ولكن البيئات مرنة ويبدو أن الخطوة المنطقية التالية في التحليل السلوكي المعاصر. ومثل هذا، النهج القائم على ethologically غير الغازية تسمح للباحثين لمراقبة ذخيرة كاملة من الاستجابات السلوكية على مدى فترة طويلة من الزمن. الoretically، وهذا يمكن أن يتحقق من خلال دراسة السلوك في بيئة المخصب "افتراضية" التي تشبه الموائل الطبيعية. ووصف عدة مجموعات بحثية أدوات تتبع القائم على الرؤية التي تدعم phenotyping السلوكية من الفئران في هم 22-25 المنزل القفص، في dyads 26، 27، أو في سياق مجموعات اجتماعية كبيرة 28. ويمكن تحقيق دقة عالية والقرار المكانية من خلال دمج الفيديو تتبع مع تكنولوجيا رقاقة لجمع في وقت واحد ومتزامن من البيانات السلوكية في مجموعة من الفئران 28. كاميرات قياس الحرارة قادرة على الكشف عن الحرارة التوقيعات يمكن الجمع بين رقائق تزرع في الجسم أو الترددات لتوفير الموقع النسبي والوظائف الفسيولوجية الأساسية لكل الماوس (على سبيل المثال، درجة حرارة الجسم والقلب / معدل التنفس). وبالإضافة إلى ذلك، فإن نظام تتبع 3D متقدمة تنتج اعتراف أكثر دقة والكمي للأعمال السلوكية. من أجل تشغيل مرارا فاريإيتي من الاختبارات، يجب أن يكون آليا مثل هذا النظام، بعد سيطرة، وحدات. على سبيل المثال، والذاكرة المكانية يمكن دراستها في بيئات أكبر عن طريق برمجة ظهور الاشارات البعيدة على الجدران LCD، أو من خلال تقديم / يختبئ موزعات مع الطعام مستساغا من الطوابق المنقولة. بطريقة مماثلة، يمكن أن يقدم أشياء جديدة / مخبأة في أوقات محددة طوال فترة الدراسة. هذا phenotyping المحوسب قد تساعد في توضيح المحددات الوراثية للسلوك، وآليات المسببة للأمراض نماذج المرض الكامنة، ووضع استراتيجيات علاجية جديدة. اذا تم التوصل الى توافق مع الاحترام لظروف الاختبار، سلسلة من الاختبارات، وكذلك الأجهزة والبرمجيات المستخدمة، يمكن للمرء أن يتوقع أن هذا التوحيد الذي طال انتظاره تحسين استنساخ الدراسات السلوكية ورفع القياس النفسي التجريبية إلى مستوى جديد.
The authors have nothing to disclose.
This work was supported by an Ontario Mental Health Foundation grant to B.S, and an Ontario Graduate Scholarship to M.K.
Power control interface operating package | Med Associates Inc. | MED-SYST-8 | Interface box and PCI card that manage all A/D data inputs and outputs |
Stimulus light | Med Associates Inc. | ENV-221M | 28 V DC, 100 mA, 2.5 cm diameter light (for presentation of a conditioned stimulus) |
Head entry detector | Med Associates Inc. | ENV-254-CB | Permits head entry detection into the pellet receptacle |
Photobeam lickometer | Med Associates Inc. | ENV-351W | Infrared sensor system for detecting beam interception by snout |
Food pellets | Bio-Serv | F0163 | Dustless precisions food pellets (20 mg rodent grain-based diet) |
Food dispenser | Med Associates Inc. | ENV-203-20 | Automated food dispensing system consisting of elevated plastic container and dispensing tube |
Food receptacle | Med Associates Inc. | ENV-303R2W | Infrared sensitive base to signal when food pellet is dispensed or collected |
Climbing mesh | Med Associates Inc. | CT-Climbing mesh | Durable metal rungs, dimensions |
Med PC IV software | Med Associates Inc. | SOF-735 | Integrates data acquisition from all electronic devices |
MPC2XL v1.4 | Med Associates Inc. | SOF-731 | Raw data transfer utility |
Soft CR Pro v1.05 | Med Associates Inc. | SOF-722 | Remote online monitoring software |
Running wheel | Med Associates Inc. | CT-MSUB-ENV-3042-X1 | Activity wheel for mice |
Digital counter | Med Associates Inc. | ESUB-ENV-3000 | LCD counter (4 counts = 1 revolution = 54.6 cm length) |
Picolo Diligent frame grabber | Euresys | High-resolution PCI video capture card | |
Ethovision XT 8.5 | Noldus Information Technology | Video-tracking software | |
Camera | Panasonic | WV-BP334 | Digital, low-lux video camera suspended from a custom-made metal stand |
Video Splitter | American Dynamics | ADQUAD87 | Integrates and digitizes inputs from 4 video cameras |