Entegre Davranış İstasyonu ile Kemirgen Hastalık Modellerinin Davranış Fenotiplendirme (INBEST)
Summary
Bir ev kafes ortamında farelerin uzun süreli ve kapsamlı bir izleme beyin hastalıklarının kemirgen modellerinde anormal davranış daha derin bir anlayış sağlar. Bu kağıt, çağdaş davranış analizi önemli bileşeni olarak Entegre Davranış İstasyonu (INBEST) açıklar.
Abstract
Nedeniyle genetik mühendisliği hızlı gelişmeler, küçük kemirgenler biyomedikal araştırma birçok disiplinde tercih konular haline gelmiştir. Kronik MSS bozuklukları çalışmalarda, davranışsal düzeyde yüksek geçerliliği olan kemirgen modelleri için artan bir talep var. Ancak, birden çok patojenik mekanizmaları ve karmaşık fonksiyonel açıkları genellikle güvenilir bir şekilde ölçülmesi ve kronik hasta farelerin davranışlarını yorumlamak için zorlukları empoze. Bu nedenle, testlerin bir pil kullanılarak çeşitli zaman noktalarında çevresel patoloji ve davranış profili değerlendirilmesi gereklidir. Video izleme, davranışsal spektroskopi ve fizyolojik önlemlerin uzaktan edinimi bir ev-baz-benzeri ortamda, kapsamlı, doğru ve tarafsız davranış analizi için izin teknolojiler ortaya çıkmaktadır. Bu rapor ba uzun süreli ölçümleri odaklanan bir ısmarlama izleme cihazı (Entegre Davranış İstasyonu, INBEST) içeren bir rafine fenotiplendirme protokolü, açıklarBöyle bir nispeten stressiz bir ortamda spontan aktivite, gıda / su alımı ve motive davranış olarak sic fonksiyonel çıkışları. INBEST tasarım, teknik ve kavramsal gelişmeler daha da davranışsal çalışmaların tekrarlanabilirlik ve standardizasyonu teşvik edebilir.
Introduction
Son birkaç yılda, genetik mühendisliği hızlı gelişmeler insan hastalıklarının hayvan modellerinde benzeri görülmemiş bir artışa yol var. Fareler çeşitli nedenlerden dolayı biyomedikal bilimlerde temel deneysel konularda durumunu kazanmıştır. Pratik açıdan bakıldığında, onlar, yüksek üreme oranı nispeten ucuzdur ve ev kolay. Kavramsal bir açıdan bakıldığında, bu insanlar için genetik olarak yakın olan genetik olarak nispeten kolay bir şekilde değiştirilebilir, ve endokrin, immün ve sinir sistemleri yüksek geliştirdik. Genetik ve hücresel düzeyde lezyonlara ek olarak, beyin bozukluklarının çağdaş çalışmalar vurgulamak yüzü, inşa tekrarlanabilir fonksiyonel açıkları, ya da yeni bir fare modeli 1 öngörü geçerlilik gösteri gerektirir.
Bir homoeothermic memelide akut enfeksiyon sık sık bir araya hastalık davranışı ile, birini teşkil ateşli tepki, nedenTemel yaşam mekanizmaları 2. Akut hasta hayvanlar yiyecek / su alımı ve duygusal reaktivite, keşif davranışı ve öğrenme / hafıza kapasitesi yansıtıcı görevleri performans önemli değişiklikler gösterir. Bu değişiklikler büyük ölçüde bozulmuş sosyal / cinsel aktivite ve savunma bağışıklık reaksiyonları için enerji korunması oluşturmaktadır. Akut koşullar (birçok immünolojik, endokrin ve nörolojik hastalıklarda görüldüğü gibi) kronik açmak Ancak, davranışsal performans daha beyindeki 3 dahil olmak üzere çeşitli organlarda, yapısal hasar bozulabilir.
İnsan ve hayvan nörodejeneratif hastalıklar genellikle nörolojik ve davranışsal açıkları bir takımyıldızı eşlik ediyor. Bu nedenle, kronik hasta hayvanların davranışsal çalışmalarda önemli bir amaç periferik semptomatolojiye uyarılan açıklarının merkez etkilerini ayırt etmektir. Ancak, standart davranış görevler nispeten kısa süreli toplamak sınırlarBöyle olfaction, dinlenme, uyku, yemek / su alımı, ya da epileptik atak gibi temel işlevsel tedbirler, ilgili bilgi iyon. Bu önlemlerin dahil edilmesi davranışsal profil geliştirir ve aktivite gerektiren işlerde performansı daha iyi yorumlanmasına izin verir.
Hastalıklı farelerin davranış feno Ayrıntılandırmalar
Hasta farelerin davranış profilini değerlendirmede yetersizlikler hızlı işleme PC'ler tarafından tek-ev sahipliği farelerin sürekli izlenmesi gerektirmiştir. Çeşitli davranışsal pil Aşağıda listelenen, 4, 5 tasarlanmış olmasına rağmen başarılı nöropsikiyatrik lupus 6 bir hayvan modeli oluşturmak için kullanılmış olan işlemlerdir. Bu pil defalarca hafif bilişsel bozukluk ve Alzheimer hastalığı gibi hastalık 7 (Şekil 1), hem-alt kronik ve kronik modellerinde uygulanır. Nörolojik testler 8-10, ac bir dizi takibenzenginleştirilmiş bir ev kafes gibi bir ortamda çok sayıda davranış çıkışların sürekli izleme kullanarak yukarıdaki taleplerini karşılamak üzere tasarlanmış ustom yapılan cihaz, istihdam edilebilir. Spontan keşif faaliyeti ve motive davranış değerlendirmesine Böyle bir ethologically-temelli yaklaşım gibi öğrenme ve bellek yansıtıcı gibi diğer paradigmaları, performans açığının daha kapsamlı bir anlayış sağlar.
Laboratuvarımızda boyuna davranış fenotipleme Şekil 1. şematik gösterimi. Davranışsal pil gibi hastalığın ilerlemesi gibi sürekli faktörlerin etkilerini değerlendirmek için farklı zaman noktalarında tekrarlanan Dahası stresli görevleri, doğru edilen az gelişmeye için tasarlanmıştır, farmakolojik tedavi ya da imünolojik tepkileri. INBEST ve bireysel testler karanlık p sırasında yapılırhase, genellikle üzerinde 10 ve 2 saat, sırasıyla Kısaltmalar:. R – refleksleri; BW – testi Yürüyüş Işın; RR – Rotarod; OT – Koku testleri; SP – Sakkaroz Tercih testi; SD – testi Step Down; HAYIR – Roman Nesne testi; OF – Açık alan testi; SAB – Spontan Münavebe Davranışları; FS – Zorla Swim testi; MWM – Morris Water Maze. * – Test yönleri (örneğin, yer, bağlam, renk, şekil) ihtiyaç deney süresince daha sonraki çalışmalarda değişmiş olması.
Bir ev-kafes-benzeri ortamda sürekli video kayıt ve davranış analizi ilk olarak 2007 11 bildirilmiştir. Otoimmün farelerde yapılan çalışmalarda kullanılan davranışsal testler entegre bir daha karmaşık otomatik cihaz bir yıl sonra toplantı 'Ölçme Behavior' sunuldu 12. Entegre Davranış İstasyonu (INBEST, Şekil 2A) modüler sistem, cBir sığınak, bilgisayar kontrollü ışık uyaran omprises, iki fotosel kontrollü lickometers (su için bir ilgi bir çözüm tane), otomatik gıda dağıtıcı, bilgisayarlı çalışan tekerlek ve bir sayısallaştırılmış tırmanma örgü. Gecikme frekansları ve belirli davranışlar süreleri özelleştirilmiş yazılımlar kullanılarak incelenmiştir. Lokomotor ve keşif faaliyeti (örneğin, yeni bir nesne veya bilmediğiniz bir conspecific bir) uyku ve kendine zarar verme davranışı ve nöbet gibi daha az sıklıkta davranış kalıpları, ise, video izleme yazılımı (Malzeme / Ekipman Listesi) ile yapabilirsiniz değerlendirilebilir video izleme yazılımı veya özel olay kayıt paketleri ile elle atılır. Sekiz tam INBEST / video kurulumları Bu şekilde, 4 deney ve 4 kontrol hayvanlarında (Şekil 2B) aynı anda izlenmesine imkan veren kullanılır.
<img alt="Şekil 2," src="/files/ftp_upload/51524/51524fig2.jpg" />
Şekil 2. Entegre Davranış İstasyonu. (A) INBEST kutusu (= 39 x W = 53 x Y = 50 cm L) tasarımında kullanılan şematik donanım gösterimi, ve yazılım. (B) Sekiz tam INBEST kutuları, dört deney ve dört kontrol farelerin eşzamanlı ev kafes izleme için bir fırsat sağlamaktadır. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Bağımlı değişkenler kabul edilebilir stimülasyon, spontan ayaktan aktivite, tırmanma, gönüllü çalışan gıda / su alımı, tepki ölçümleri, anksiyete ile ilgili davranışlar (örneğin, yeni nesnenin keşif), tımar, zapt ve uyku içerir. Ayrıca, görsel uyaranlara klima ve öğrenme paradigmaları için sunulabilir. Standart davranış testi üzerinde INBEST avantajları karıştırıcı etkileri induc ortadan kaldırılması dahilulaşım stres, yanı sıra gece aktivite, keşif, anksiyete ile ilgili ve depresif-benzeri davranışlar yansıtıcı önlemlerin sürekli, otomatik toplama tarafından ed. Bir video izleme paketi ile hassas donanım bileşenlerinin entegrasyonu çeşitli hayvan modellerinde kronik hastalığın ilerlemesi ile ilişkili davranış geliştirilmiş değerlendirmesini izin bilgilerin, bir zenginlik verir. INBEST diğer kronik merkezi sinir sistemi bozuklukları (örneğin, otizm, majör depresyon, şizofreni), hem de uzunlamasına çalışmalarda nörolojik gelişim üzerine odaklanarak, neoplastik / sistemik hastalıkların davranışsal etkiler, ve uzun süreli ilaç tedavisi incelemek için kullanılabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
hayvanlarda işlevsel etkileri tespit ölçüde davranışsal çalışmalar için doğal değişkenlik sınırlamak için araştırmacının bağlıdır. Bu nedenle, bu denetimi titizlikle ve davranışsal verilerin güvenilirliğini ve tekrarlanabilirlik azaltabilir potansiyel boşa en aza indirmek için önemlidir. Aynı zamanda, bu hiçbir test davranış, tek bir etki alanı yansıttığını kabul etmek önemlidir, nörolojik fonksiyon bilginin zorunlu olduğunu ve davranış dış stres oldukça duyarlıdır. Yukarıdaki önermeleri takdir Eğer, bir o kapsamlı davranış analizi ölçülen tepki süresi kursu içermelidir sonuçlandırmak yanı sıra, temel fonksiyonel özellikleri ve özel davranış yönlerini içine musluk paradigmalarını içerebilir. Bu kriterlerin çoğu zenginleştirilmiş ev kafes ortamında hareketleri ve davranışsal eylemler bilgisayarlı değerlendirme kullanılarak yerine getirilebilir.
Şimdiye kadar, vurgulamıştır olmuşturİnsan hastalık varantların ek hususlar sıçan modellerinde bu davranış fenotiplendirme zed. Bu kavram, fonksiyonel homeostasis hastalığın başlangıcından sırasında iç ve dış stres meydan olduğu önermesine dayanır. Tüm potansiyel boşa otomatik, ev-kafes fenotipleme giriş elimine edilemez olsa da, tutarsız çevre ayarları, ulaşım stres ve tekrarlanan kullanım ile ilgili konular en aza indirilir. Bu anlamlı çalışmalar arasında tutarlılık ve hassasiyet geliştirir; değişkenliği bile küçük azalmalar bir başlangıç hastalığı kaynaklı etkilerin tespiti artırabilir. Nitekim, INBEST başlangıcı, kinetik ve davranışsal değişikliklerin şiddeti daha doğru değerlendirilmesini, yanı sıra çeşitli hastalık kaynaklı davranışsal açıkları arasındaki önemli ilişkileri izin bilgi hazinesi sağlar. Güvenilir video izleme iki aydınlatma koşullarına bağlıdır. İlk olarak, dağınık ışık önlemek için test odasında gerekliYakın yansıtan objelerden eserler. İkincisi, yüksek renk kontrastlı mümkün olduğunca konu renginden farklı uygun bir zemin rengi seçerek elde edilebilir. Laboratuvarda, bu albino farelerin izlerken INBEST kutuları ve siyah zemin tepsileri altında konumlandırılmış sel-ışıkları kullanılarak elde edilir (pigmentli suşları test eğer beyaz veya gri arka plan yeterli olacaktır). INBEST olay kayıt özelliğine göre, mevcut donanım ayarı (4 girişli 1 Piccolo ekran kartı) aynı anda PC başına kullanılmak üzere 4 kutu sınırlar. Daha uygun bir set-up, sırasıyla, böylece 2 veya 4 PC'ler 8 ya da 16 kafesleri gerektirir, ve olacağını ise bu, kutular oldukça küçük bir sayıdır. Tercihen INBEST ev kafesi 24 saat boyunca sürekli olarak kullanılabilir. Bu hayvanların çevreye tamamen alıştırarak ve tarafsız bir şekilde analiz edilebilir kararlı, sirkadiyen davranış kalıpları, kurmak için izin verecek. Elektrik kesintisi, sürekli bir güç su nedeniyle bilgisayar veri kaybını önlemek içinpply (ya da en azından bir kesintisiz güç kaynağı) tespit edilmelidir. Son olarak, günlük besin alımının doğru değerlendirmesini sağlamak için, gıda pelet boyutu gıda dağıtıcı (tek gıda pelet önerilen boyut 20 mg), delik boyutunu geçmemelidir dikkat edilmelidir.
Bu analiz ayrıca, farklı INBEST ölçer birbiriyle nasıl etkileşim içermelidir ki, göz ardı etmek değildir. Örneğin, çalışan tekerlek daha fazla vakit geçirmek fareler artmış kalori taleplerini karşılamak için gıda ve su yüksek miktarda yemek muhtemeldir. Benzer şekilde, daha fazla sakaroz çözüm sindirerek fareler yiyecek alımını azaltabilir. Bu sonuçların yorumlanması daha özellikle davranış ve çalışan tekerlek aktivitesini ingestive açısından, zamanla performans genel iyileştirilmesi ile komplike olabilir. Onların teşvik-özellikleri göz önüne alındığında, deneyci da sakaroz çözüm ve t sınırlayıcı erişimi düşünebilirsinizO, sırasıyla, post-ingestive etkileri ve aşırı kilo kaybı olasılığını ortadan kaldırmak için tekerleği koşuyor. Farelerin farklı suşları farklı davranış profilleri var çünkü Ancak, bu endişeler diğerlerinden daha bazı suşları daha uygun olabilir. Yukarıdaki sorunların çoğu için temel ve deneysel değerlendirme kontrolleri hem performans rağmen, deneyci bu değişkenler INBEST verileri yorumlarken dikkate alınması gerektiğini kabul etmemiz gerekir. Aynı zamanda, bazı davranış özellikleri dolayısıyla deneklerin davranış profilini tamamlamak için standart testler ile kombinasyonu gerektiren, ev kafes ortamında araştırılmıştır edilemez.
Standart özellikleri içinde bilgisayarlı izleme, ama esnek ortamlar çağdaş davranış analizi sonraki mantıklı adım gibi görünüyor. Bu tür non-invazif, ethologically temelli yaklaşım araştırmacılar, uzun bir süre boyunca davranışsal yanıtların tam bir repertuarını gözlemlemek için izin verir.oretically, bu yakından doğal yaşam benzer bir "sanal", zenginleştirilmiş bir ortamda davranışı incelenerek yapılabilir. Çeşitli araştırma grupları çiftlerinde 26, 27, ev-kafes 22-25 farelerin davranış fenotiplendirilmesini destekleyen vizyon-tabanlı izleme araçları tarif, ya da büyük sosyal gruplar 28 bağlamında var. Yüksek hassasiyet ve uzaysal çözünürlüğü fareler 28 bir grup davranış verilerin eşzamanlı ve eşzamanlı toplama mikroçip teknolojisi ile video izleme entegre ederek elde edilebilir. Sahip ısı imza tespit termografik makinesi, her bir fare (örneğin, vücut sıcaklığı, kalp / solunum hızı) göreli konumu ve temel fizyolojik fonksiyonlar sağlamak için implante edilebilir mikroçip ya da transponderler ile kombine edilebilir. Buna ek olarak, gelişmiş bir 3D izleme sistemi davranışsal eylemler daha doğru ve kantitatif tanıma üretecektir. Amacıyla sürekli bir değişken çalıştırmakTestlerin, asetil kısım, böyle bir sistem, uzaktan kontrol edilen ve modüler otomatik olmalıdır. Örneğin, mekansal bellek, LCD duvarlarında uzak ipuçları görünümünü, programlayarak ve / veya sunma hareketli katlar lezzetli gıda ile dağıtıcılar gizleyerek büyük ortamlarda ele alınabilir. Benzer bir şekilde, yeni nesnelerin çalışma boyunca belirli zamanlarda gizli / sunulabilir. Böyle bilgisayarlı fenotiplendirme davranışı, patojenik mekanizmalar altta yatan hastalık modelleri ve yeni tedavi stratejilerinin geliştirilmesi genetik belirleyicileri durulaştırmada yardımcı olabilir. Bir uzlaşma test koşulları, testlerin dizisine göre, yanı sıra kullanılan donanım ve yazılım ile varılırsa, bir uzun zamandır beklenen standardizasyon davranışsal çalışmaların tekrarlanabilirlik geliştirmek ve yeni bir seviyeye deneysel Psikometrikler yükseltebilir beklediklerini olabilir.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by an Ontario Mental Health Foundation grant to B.S, and an Ontario Graduate Scholarship to M.K.
Materials
| 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 |
References
- Henn, F. A., McKinney, W. T., Meltzer, H. Y. Ch. 67. Psychopharmacology: The Third Generation of Progress . , 687-695 (1987).
- Hart, B. L. The behavior of sick animals. Vet. Clin. North Am. Small Anim. Pract. 21, 225-237 (1991).
- Kapadia, M., Sakic, B. Autoimmune and inflammatory mechanisms of CNS damage. Prog. Neurobiol. 95, 301-333 (2011).
- Rogers, D. C. Behavioral and functional analysis of mouse phenotype: SHIRPA, a proposed protocol for comprehensive phenotype assessment. Mamm. Genome. 8, 711-713 (1997).
- Moy, S. S. Mouse behavioral tasks relevant to autism: phenotypes of 10 inbred strains. Behav. Brain Res. 176, 4-20 (2007).
- Gulinello, M., Putterman, C. The MRL/lpr mouse strain as a model for neuropsychiatric systemic lupus erythematosus. J. Biomed. Biotechnol. 2011, 207504 (2011).
- Marchese, M. Autoimmune manifestations in the 3xTg-AD model of Alzheimer’s disease. J. Alzheimers. Dis. 39, 191-210 (2014).
- Sakic, B. A behavioral profile of autoimmune lupus-prone MRL mice. Brain Behav. Immun. 6, 265-285 (1992).
- Sakic, B., Szechtman, H., Denburg, S. D., Carbotte, R. M., Denburg, J. A. Spatial learning during the course of autoimmune disease in MRL mice. Behav. Brain Res. 54, 57-66 (1993).
- Sakic, B. Disturbed emotionality in autoimmune MRL-lpr mice. Physiol. Behav. 56, 609-617 (1994).
- Visser, L., van den Bos, R., Kuurman, W. W., Kas, M. J., Spruijt, B. M. Novel approach to the behavioural characterization of inbred mice: automated home cage observations. Genes Brain Behav. 5, 458-466 (2006).
- Sakic, B. The use of integrated behavioral station in chronic behavioral studies. Measuring Behavior. , 328 (2008).
- Shinzawa, K. Neuroaxonal dystrophy caused by group VIA phospholipase A2 deficiency in mice: a model of human neurodegenerative disease. J. Neurosci. 28, 2212-2220 (2008).
- Quintana, A., Kruse, S. E., Kapur, R. P., Sanz, E., Palmiter, R. D. Complex I deficiency due to loss of Ndufs4 in the brain results in progressive encephalopathy resembling Leigh syndrome. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 107, 10996-11001 (2010).
- Irwin, S. Comprehensive observational assessment: Ia. A systematic, quantitative procedure for assessing the behavioral and physiologic state of the mouse. Psychopharmacologia. 13, 222-257 (1968).
- Crawley, J. N. . What’s Wrong With My Mouse?: Behavioral Phenotyping of Transgenic and Knockout Mice. , (2007).
- Feeney, D. M., Gonzales, A., Law, W. A. Amphetamine, haloperidol and experience interact to affect rate of recovery after motor cortex injury. Science. 217, 855-857 (1982).
- Stanley, J. L. The mouse beam walking assay offers improved sensitivity over the mouse rotarod in determining motor coordination deficits induced by benzodiazepines. J. Psychopharmacol. 19, 221-227 (2005).
- Gulinello, M., Chen, F., Dobrenis, K. Early deficits in motor coordination and cognitive dysfunction in a mouse model of the neurodegenerative lysosomal storage disorder, Sandhoff disease. Behav. Brain Res. 193, 315-319 (2008).
- Rustay, N. R., Wahlsten, D., Crabbe, J. C. Influence of task parameters on rotarod performance and sensitivity to ethanol in mice. Behav. Brain Res. 141, 237-249 (2003).
- Kapadia, M. Altered olfactory function in the MRL model of CNS lupus. Behav. Brain Res. 234, 303-311 (2012).
- Jhuang, H. Automated home-cage behavioural phenotyping of mice. Nat. Commun. 1, 68 (2010).
- Steele, A. D., Jackson, W. S., King, O. D., Lindquist, S. The power of automated high-resolution behavior analysis revealed by its application to mouse models of Huntington’s and prion. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 104, 1983-1988 (2007).
- Zarringhalam, K. An open system for automatic home-cage behavioral analysis and its application to male and female mouse models of Huntington’s disease. Behav. Brain Res. 229, 216-225 (2012).
- Chaumont, F. Computerized video analysis of social interactions in mice. Nat. Methods. 9, 410-417 (2012).
- Kabra, M., Robie, A. A., Rivera-Alba, M., Branson, S., Branson, K. JAABA: interactive machine learning for automatic annotation of animal behavior. Nat. Methods. 10, 64-67 (2013).
- Weissbrod, A. Automated long-term tracking and social behavioural phenotyping of animal colonies within a semi-natural environment. Nat. Commun. 4, 2018 (2013).
