小鼠嗅觉学习和鉴别的客观和可重复性试验
March 22nd, 2018
在这里, 我们训练老鼠的结合学习任务, 以测试气味歧视。这项议定书还允许对学习诱发的大脑结构变化进行研究。
该行为协议的总体目标是训练小鼠，使它们将一种气味与奖励联系起来，将另一种气味与惩罚联系起来。这种方法可以帮助回答神经科学领域的关键问题，例如学习、突触可塑性和感觉辨别力。该技术的主要优点是，经过训练后，小鼠可以在数小时内进行数百次试验，以获得稳健的统计抽样。
这项技术的影响延伸到神经退行性疾病的治疗或诊断，因为嗅觉功能障碍的严重程度可以预测人类随后的认知能力下降。虽然这种方法可以提供对嗅觉的洞察，但它也可以应用于其他系统，例如视觉或听觉。这种方法的可视化演示至关重要，因为由于连接端口和训练步骤不同，设置行为室和使用软件的初始步骤都很难学习。
首先，组装一个带有房间地板的鼠标房间。将训练箱放在人流量低、光线昏暗的地方，以避免分心。然后，在每个水口上钻一个小孔，以便 18 号针头在端口内分配水。
在玻璃瓶中加入溶解在矿物油中的加臭剂，然后拧紧瓶盖。接下来，将 18 号针头连接到硅胶管。刺穿玻璃样品瓶盖，将硅胶管的另一端连接到气味端口的入口。
之后，将每根硅胶管放入气味阀中。将真空管连接到气味端口。将两个 10 毫升注射器连接到金属固定杆上，然后将管路连接到注射器。
随后，将管子的另一侧连接到 18 号针头。将针头装入鼠标腔上鼻子戳口的钻孔中，并将管道的另一端连接到水阀。在两个 10 毫升注射器中装满啮齿动物饮用水。
然后将气流计连接到进气口，并保持每分钟 3 到 5 升的气流。将两个水阀、两个气味阀、两个水口、气味口和电源连接到 USB 接口系统。最后，将 USB 接口盒连接到电源。
接下来，调整真空抽吸以避免试验之间气味的交叉污染，并使用特定于气味的管道将除臭剂小瓶连接到腔室。为了准备小鼠进行训练，以每天每公斤 40 毫升的速度开始限制水分。每天称量小鼠以确保它们高于基线体重的 80%，并在整个方案中保持所有环境因素不变，包括温度、噪音和杂散气味。
在将每只鼠标转移到笼子之前清洁笼子。用 70% 乙醇喷洒并擦拭腔室，以尽量减少对小鼠气味的干扰。对于第一阶段训练，将行为框配置为在中心有一个水端口，并且所有侧面端口都不可访问。
将鼠标放入腔室并关闭它。然后，开始第一阶段程序。当鼠标在 60 分钟内完成 100 次试验时，将此阶段视为完成。
60 分钟后将鼠标从腔室中取出，或已完成 100 次试验。对于第二阶段训练，将此阶段和每个后续阶段配置为两侧的两个水口和中间的气味口。将鼠标放入腔室并关闭它。
然后，开始第二阶段程序。当在 60 分钟内至少进行 40 次试验，并且在中心左舷机头戳击后的 5 秒内收到至少 25% 的水奖励时，将此阶段视为完成。此阶段完成后，请移除鼠标。
对于第 3 阶段的训练，将 S-plus 气味连接到气味输送控制器。将鼠标放入腔室并关闭它。之后，开始第三阶段程序。
当 60 分钟内有超过 60 个奖励时，将此阶段视为完成，并在该阶段竞争后移开鼠标。对于第 4 阶段 A 训练，请将 Box 配置设置为与上一阶段 3 相同。然后，将 S-plus 和 S-minus 气味连接到气味输送控制器。
将鼠标放入腔室并关闭它。然后，开始阶段 four-A 计划。鼠标完成 40 次试验后，切换程序随机传递气味。
阶段完成后，请移除鼠标。对于阶段 4-B 训练，使此阶段与阶段 4-A 相同。但是，在 S 减味后尝试饮水奖励的超时惩罚是 4 秒。
将 S-plus 和 S-minus 气味连接到气味输送控制器。将鼠标放入腔室中。关闭鼠标室并开始 stage four-B 程序。
当 60 分钟内有 100 多次试验，准确率超过 85% 时，认为此阶段完成对于通过/不通过测定，将盒子配置设置为与上一阶段 four-B 相同。将 S-plus 和 S-minus 气味连接到气味输送控制器。然后，将鼠标放入腔室中。
开始阶段 go/no-go 程序，然后将已经学习嗅觉学习任务的鼠标暴露在化学性质相似的新型气味对中。一旦老鼠学会了嗅觉学习任务，它们就可以将新的气味对与奖励和惩罚联系起来。这些训练有素的小鼠通常以大约 50% 的准确率开始执行 go/no-go 任务。
正确百分比可以通过 Trial Block 绘制为新气味对的学习曲线。在 10 次块试验中，小鼠能够正确区分气味，准确率超过 85%。这表明我们的方案已经成功地训练野生型小鼠将一种气味与水奖励联系起来，将另一种气味与超时惩罚联系起来。
一旦小鼠学会了任务，就可以修改气味对以增加或减少任务难度。例如，降低气味对浓度会增加任务难度。小鼠还能够记住以前学习的气味对。
在学习任务后等待 7 天后，一项召回测试表明，野生型小鼠可以快速记住以前学习的气味联想。在尝试此过程时，请务必记住确保所需的气味剂正确连接到行为框。如果多个实验者使用不同的气味，这一点尤其重要。
按照这个程序，可以执行其他方法，如气味映射，以回答其他问题，例如，学习如何影响大脑表示感觉信息的方式？开发后，这项技术为神经科学领域的研究人员探索小鼠嗅觉系统中学习诱导的神经变化铺平了道路。看完这个视频，你应该对如何教老鼠将一种气味与奖励联系起来，将另一种气味与惩罚联系起来有了很好的了解。
不要忘记，使用锋利的针头可能非常危险，因此在执行此程序时应始终采取预防措施，例如正确处理锐器。
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概述
本研究使用联想学习任务在小鼠中进行气味辨别调查，重点关注学习引起的大脑结构变化。该技术检查了关键的神经科学问题，如感官辨别和突触可塑性。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 嗅觉
- 行为学习
背景
- 联想学习协议在研究认知功能方面至关重要。
- 气味辨别在哺乳动物感官处理中扮演着关键角色。
- 了解小鼠的嗅觉行为可能与人类认知衰退有关。
- 这种方法可以适用于其他感官系统，如视觉和听觉。
研究目的
- 训练小鼠将气味与奖励和惩罚联系起来。
- 探索嗅觉处理及其对神经退行性疾病的影响。
- 开发一种用于学习统计分析的强大行为测定方法。
使用的方法
- 使用特殊配置的行为室训练小鼠。
- 训练涉及多个阶段，评估气味辨别的准确性。
- 没有提到多组学工作流程。
- 关键步骤包括限制水分以管理动机和阶段完成标准。
- 程序包括精心设置气味递送系统和条件协议。
主要结果
- 小鼠成功学会将不同的气味与奖励或惩罚联系起来。
- 训练允许通过重复试验进行高统计抽样。
- 训练后气味辨别的准确性接近85%。
- 结果表明可以通过此协议有效评估嗅觉学习。
结论
- 该协议展示了一种研究嗅觉联想学习的可靠方法。
- 这种方法可能为神经退行性疾病的治疗策略提供见解。
- 研究结果增强了对哺乳动物感官辨别机制的理解。
常见问题
Executive Industry Relevance
This protocol enables high-throughput, quantitative assessment of olfactory learning and discrimination in mice, providing a robust behavioral readout for target validation in neuroscience drug discovery. By supporting mechanistic de-risking of olfactory circuit function and plasticity, it informs early-stage hypothesis testing for compounds targeting neurodegenerative or sensory processing disorders. The assay’s reproducibility and scalability facilitate cross-functional alignment between discovery biology and translational research teams.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses related to olfactory learning, synaptic plasticity, and sensory discrimination mechanisms.
- Operational Value: Supports biological de-risking by quantifying odor association learning and memory retention in a controlled, reproducible system.
- Predictive Value: Generates quantitative behavioral data (e.g., accuracy rates, learning curves) that aid in portfolio triage and go/no-go decisions for CNS-targeted compounds.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Produces validated biological systems (trained mice) capable of hundreds of automated trials daily, enabling reliable compound evaluation.
- Standardization: Ensures reproducibility through strict environmental controls, water restriction protocols, and stage-based training criteria.
- Scalability: Facilitates high statistical sampling and longitudinal studies, supporting assay adaptation for dose-response or time-course screening.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Aligns with human olfactory dysfunction as a predictive biomarker of cognitive decline, supporting translational continuity from mouse models to clinical risk assessment.
- Mechanistic De-risking: Enables study of activity-dependent neuronal survival and plasticity, linking behavior to downstream biochemical, electrophysiological, or imaging readouts.
- Risk-Adjusted Advancement: Supports decisions on compound effects on learning-induced neural changes, reducing late-stage biological risk in sensory or neurodegenerative programs.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum from early target validation through preclinical validation, particularly for projects focused on olfactory processing, sensory discrimination, or neurodegenerative disease mechanisms.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by measuring how odor learning alters neural structure and function.
- Screening: Delivers quantitative, reproducible outputs (trial accuracy, learning curves) that enable comparison across experimental conditions or genetic models.
- Analytics: Provides statistical learning curves and discrimination thresholds that help teams assess compound effects on sensory processing and memory.
- Translational Research: Connects to preclinical validation through alignment with human olfactory biomarkers predictive of cognitive decline.
- Enterprise Reuse: Functions as a reusable behavioral platform for iterative testing across multiple compounds, genotypes, or environmental manipulations.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation by reducing mechanistic ambiguity in olfactory learning and plasticity pathways.
- Operational Value: Delivers standardization, reproducibility, and scalability through automated trial performance and strict procedural controls.
- Strategic Value: Improves capital efficiency by enabling early de-risking of CNS targets and reducing failure risk in later stages.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of compounds based on effects on learning, memory, and sensory discrimination.
Implementation Considerations
- Requires expertise in behavioral neuroscience, olfactory system anatomy, and operant conditioning techniques.
- Depends on specialized instrumentation including odor delivery systems, water valves, vacuum lines, and USB interface controllers.
- Necessitates cross-team standardization of environmental controls (odor, noise, temperature) and training protocols to ensure reproducibility.
- Involves adaptation considerations when transferring protocols across mouse strains, ages, or odorant physicochemical properties.
- Includes practical limitations such as setup complexity, needle hazards, and the need for consistent animal handling to avoid distraction or stress confounds.
