方法文章

自动化、定量的小鼠认知/行为筛选：用于遗传学、药理学、动物认知研究及本科教学

DOI：

10.3791/51047

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2014年2月26日

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1Department of Psychology, Rutgers University, 2Department of Psychology, Koç University, 3Center for Neural Science, New York University, 4Department of Mathematics & Computer Science, Fairfield University

本文内容

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

一种完全自动化的系统，用于测量介导空间定位、时间定位、持续时间、速率 和概率估计、风险评估、冲动性以及记忆准确性和精确性的机制中具有生理意义的特性，以评估基因和药物干预对小鼠认知基础机制的影响。

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

我们描述了一种高通量、大容量、完全自动化的、可让小鼠长期居住的24/7行为测试系统，用于评估基因和药物干预对小鼠认知与学习基本机制的影响。该系统通过一个丙烯酸管将标准的聚丙烯小鼠饲养管与一个商用标准小鼠测试箱相连。测试箱内设有3个取食口，其中两个连接颗粒饲料喂食器。所有取食口内部均配有LED照明，并通过红外（IR）光束监测小鼠头部进入情况。小鼠长期生活在该环境中，从而在筛选过程中无需人为抓取。它们通过执行操作式（工具性）和巴甫洛夫式（经典）行为范式，在每日两次或更多次的喂食时段内获取食物。我们为此开发了实验范式控制软件，以及准实时数据处理与绘图软件。数据处理与绘图程序采用一种基于MATLAB的语言编写，可极大简化对大规模带时间戳的行为与生理事件记录的分析，并在一个统一的数据结构中完整保留从原始数据、中间分析到最终发表的图表与统计结果的全部数据轨迹。数据分析代码每天多次采集数据，并进行统计与图形化分析，结果自动存储于"云端"及实验室计算机中。因此，每只小鼠的实验进展均可实现每日可视化与量化。数据分析代码与范式控制代码相互通信，可实现对个体动物自动推进至下一实验范式。目前已实现的行为范式包括匹配任务、自动成形、定时取食口切换、定时取食口切换中的风险评估、冲动性测量，以及对食物供应时间的昼夜节律性预期。开源的范式控制与数据分析代码使得新增实验范式变得简便。一个48英寸×24英寸×78英寸 的机柜可容纳8个测试环境；两台此类机柜（共16个环境）可由一台计算机统一控制。

引言

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

为了将遗传学、分子遗传学、分子生物学和神经药理学的强有力技术应用于阐明介导认知基本机制的细胞与分子机制，我们需要高通量、高通量的心理物理学筛选方法，以量化具有生理学意义的认知机制特性。一种可心理物理学测量且具有生理学意义的机制定量特性，是指可通过行为学方法以及电生理学或生物化学方法进行测量的特性。例如视紫红质的吸收光谱、昼夜节律钟的自由运行周期，以及内侧前脑束中奖赏性轴突的不应期。1,2心理物理学测量结果若能与细胞和分子水平的测量结果进行比较，则可通过定量对应关系，为将细胞与分子机制同心理机制相联系奠定基础。例如，以下事实表明 原位 视杆细胞外节中视紫红质的吸收光谱与人眼暗视觉光谱敏感性函数高度重合，是视紫红质光致异构化为暗视觉起始步骤的有力证据。复杂行为模式的定量特征在行为遗传学中运用数量性状位点（QTL）方法时同样具有核心意义。3,4.

小鼠（和大鼠）在已建立的工具性学习和经典条件反射学习范式中的表现依赖于大脑机制，这些机制能够测量时间、数量、持续时间、频率、概率、风险和空间位置等抽象量。例如，经典条件反射反应的习得速度取决于强化事件之间平均间隔（通常为食物递送）与信号出现后到强化发生之间的平均潜伏期的比值5-7。再如，在匹配范式中，动物对两个取食孔的平均访问持续时间之比，大致等于在这两个取食孔处获得强化的频率之比8-10。

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方案

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TSsystem 中的三种完全自动化方案（匹配、趋性操作性条件反射和经典条件反射）以及转换方案均已获得罗格斯大学新布朗斯维克分校动物护理与设施委员会的批准。

1. 搭建物理系统

  1. 在机柜中设置测试环境（见图1）。
  2. 在协议控制计算机上安装随测试环境提供的实验控制软件。
    注意：请勿将这些计算机用于其他任何用途！

2. 设置软件系统

  1. 设置局域网（LAN），使安装了数据分析软件的服务器能够访问控制测试环境的计算机的硬盘（参见图1）。
  2. 在"云端"建立一个用于数据存储的文件同步账户。
  3. 将TSsystem文件夹及其子文件夹放置于云同步文件夹中，并将其添加到商业编程语言的搜索路径中。
    注意：TSsystem是一个软件工具箱，即包含30多个高级函数的函数库，可简化复杂的数据分析和数据绘图代码的编写，当从实验控制程序生成的输出文件中获取数据时，能够自动处理这些数据。所有命令均作用于“Experiment”结构体字段中的数据，并将结果存入同一结构体的其他字段中（参见图2）。这些开源命令使用一种最广泛使用的商业科学编....

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结果

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该系统可以且应当用于运行针对个体研究者或课堂教师目标量身定制的实验方案。然而，我们已开发出一套包含3种协议的组合，可用于基因操作小鼠的大规模筛选以及大规模药理学测试：匹配协议、双食槽自主条件化协议和转换协议。匹配协议用于测量小鼠在两个不同位置估计收入（单位时间内获得的食物颗粒数）的能力、记忆哪个位置对应何种收入的能力、将其平均访问时间的比例与收入比例相匹配的能力，以及检测收入比例变化并迅速作出调整的速度。双食槽自主条件化协议用于测量操作性条件反射和经典条件反射（即关联学习速率）的发生速率。转换协议用于测量时间间隔判断的准确性和精确性、估计概率（相对频率）的能力以及对概率变化作出适应的能力（风险评估），同时也可提供对冲动性的量化指标。

匹配。在每次递送食丸后，两个侧边料斗（采食料斗）中的进料器会以指数变化的延迟时间独立启动。当进料器启动后，小鼠通过探入料斗触发食丸释放，从而中断红外线（IR）光束，此时即递送一个食丸。下一次启动前的时间间隔从指数分布中随机抽取，其期望值由参数文件（表1）指定。在此方案中，小鼠很快开始在两个采食料斗之间.......

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讨论

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本方法可在最短的时间内，以最少的人工操作，同时对多只小鼠在认知、学习和记忆等多个不同机制的功能方面，获得大量具有生理学意义的定量结果，且在数天、数周甚至数月的测试期间无需对实验对象进行人为干预。这些特点使其适用于基因和药物筛选项目。本方法仅需对现成设备（测试箱和巢穴管）进行最小程度的改造，相较于目前其他用于检测基因和/或药物干预小鼠认知能力的方法，可在更短时间内从更多小鼠获取更多关于基础认知功能的数据。

该系统依赖于两种开源软件，这些软件使用商业上可获得且得到良好支持的编程语言编写：1）由测试设备制造商提供的语言（参见材料部分），用于实验方案的实施和数据记录；2）一个开源工具箱TSsystem，用于在线、准实时的数据分析、绘图和决策。该工具箱采用一种应用最广泛且得到充分支持的专有科学数据分析与绘图语言编写（参见材料部分）。

TSsystem 工具箱可确保数据记录清晰且安全，因为控制实验方案的 实验控制代码、原始数据以及所有从原始数据导出的结果均保存在一个单一的数据结构中。该分层数据结构包含字段名，其功能类似于电子表格.......

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披露

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

该系统的创建得到了5RO1MH77027项目的支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
SmartCtrl 连接面板Med AssociatesSG-716B (115)输入/输出控制面板
SmartCtrl 接口模块Med AssociatesDIG-716B (114)每个实验舱的智能卡
通用电缆Med AssociatesSG-210CB (115)从智能卡到控制面板的电缆
台式接口机柜Med AssociatesSG-6080C (109)用于安放智能卡的机柜
机架式电源Med AssociatesSG-500 (112)28 伏电源
宽型小鼠测试舱Med AssociatesENV-307W (31)测试舱
填充面板组件Med AssociatesENV-307W-FP (32)用于测试舱的不同尺寸面板
宽型小鼠模块化格栅地板Med AssociatesENV-307W-GF (31)测试舱地板格栅
头部进入探测器Med AssociatesENV-303HDW (62)头部进入/颗粒进入食槽的探测器
颗粒分配器Med AssociatesENV-203-20 (73)喂食器
颗粒接收器Med AssociatesENV-303W (61)食槽
颗粒接收器灯Med AssociatesENV-303RL (62)食槽灯
笼室灯Med AssociatesENV-315W (43)笼室灯
红外控制器Med AssociatesENV-253B (77)巢区与测试区之间管道的进入探测器
风扇Med AssociatesENV-025F28 (42)每个实验舱的排气风扇
聚丙烯巢箱巢箱
丙烯酸连接管连接巢区与测试区的管道
钢制机柜用于安放测试舱的机柜（78"H, 48"W, 24"D）
Windows 计算机运行 MedPC 实验控制软件
服务器运行 Matlab，通过局域网与实验控制计算机连接
软件
MedPC 软件Med Associates专有的过程控制编程语言
Matlab 及统计工具箱Matlab专有的数据分析与绘图编程系统
TSsystem见补充材料，由资深作者提供更新开源 Matlab 工具箱
注：以上为一个机柜（包含 8 个测试环境）所需的设备。每个机柜需复制相应的硬件，但一台计算机可控制两个机柜（共 16 个测试环境）

参考文献

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Gallistel, C. R., Shizgal, P., Yeomans, J. S. A portrait of the substrate for self-stimulation. Psychol. Rev. 88, 228-273 (1981).
  2. Takahashi, J. S. Molecular neurobiology and genetics of circadian rhythms in mammals. Ann. Rev. Neurosci. 18, 531-553 (1995).
  3. M....

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标签

MATLAB

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