一种用于追踪小型啮齿类动物社会偏好行为动态的系统
2019年11月21日
本文介绍了一种新型的自动化实验系统，该系统为三室实验提供了一种替代方案，并解决了多个现有局限性。该系统可提供多种行为学参数，从而在社交偏好和社会新颖性偏好测试期间，实现对小型啮齿类动物行为动态的严格分析。
探索社会行为的神经生物学机制需要采用无偏倚且不依赖观察者的行为学测试方法，这些方法可应用于动物模型。本系统能够对小型啮齿类动物模型的社会行为及其动态进行详细研究，并支持不同品系、条件和处理之间的精确比较。该系统可用于各种类型的社会辨别实验，例如区分雄性和雌性个体。
此外，受试对象的尺寸没有限制。分析过程需要一定的经验来选择最佳的追踪参数。对于新用户，我建议在计算机屏幕上监控追踪过程，以进行初步评估。
在分析前至少一小时，将所有小鼠的饲养笼放入实验室内进行适应。适应期结束后，将两个空的隔室放入实验箱相对的两个角落。然后，将实验箱置于声学隔离室内，并将待测小鼠放置于实验箱中央，进行15分钟的适应环境。
在此期间，将两只社交刺激小鼠分别放入位于测试 arena 外的不同腔室中进行适应。另将一个具有明显形状和颜色的 5×5×5 厘米塑料玩具放入另一个腔室中。为进行社交偏好（SP）测试，使用摄像机开始录像。
立即移除两个空隔室，并将社交刺激和物体刺激隔室放置在适应阶段保持空置的开放场角落。允许受试者与刺激物相互作用5分钟，然后停止录像，并将含有刺激物的隔室从开放场中移除。随后，让受试者在空的开放场中停留15分钟。
进行社交新颖性偏好测试时，首先开始视频录制，然后将装有与社交偏好（SP）测试所用相同社交刺激动物的笼子，以及装有新异社交刺激小鼠的笼子，分别放入测试 arena 中之前未用于 SP 测试的两个角落。让受试动物与刺激物相互作用五分钟，随后停止录制，并将受试动物和笼子从 arena 中移除。接着，用流水和10%乙醇清洁 arena 及笼子。
要使用啮齿类动物追踪图形用户界面分析小鼠行为，请打开 MATLAB，选择 Track Rodent 目录，右键单击并选择“添加到路径”，然后选择“所选文件夹和子文件夹”，将所有子文件夹添加到工作路径中。在命令窗口中输入 TrackRodent，然后按 Enter 键。选择“加载会话文件”以上传单个或多个视频文件。
视频检查器将立即打开列表中的第一个文件，允许逐帧检查视频片段。如需检查其他视频文件，可随时点击“检查视频”以打开视频检查器，并选择特定的感兴趣视频文件。如有必要，请选择被测物种，并点击“排除区域”，根据受试对象与实验区域的颜色排除所有可能干扰追踪的区域。
为了将每个腔室定义为刺激区域，以自动检测受试对象对它的探究行为，请勾选多边形或椭圆形框，然后点击“Stimulus X”以标记刺激区域。接着，从列表中选择所需的算法，并在相应的编辑框中输入分析的起始和结束帧编号。若要评估特定阈值下受试对象边界的自动检测效果，请在相应的阈值字段中输入数值，然后按 Enter 键。
要开始对所有选定文件进行行为学分析，请转到第一个文件并点击“开始”。找到合适的阈值至关重要，且需要经验。建议新用户使用非快速算法，并在线监控分析过程，以确保其正常运行。
分析结束后，每个视频文件所在目录中将保存一个对应的结果文件。要查看每个视频文件的分析结果，请点击“加载结果文件”并选择行为分析生成的 MAT 文件。通过切换按钮可查看小鼠位置轨迹、单次实验期间对刺激物的探索情况以及对刺激物的总探索时间。
在 MATLAB 的 TrackRodent 文件夹中进行群体分析时，在命令窗口中输入 TrackRodentPopulationSummary（作为一个单词），然后点击回车键，并选择“结果文件”以上传多个 TrackRodent 结果文件。填写用于分析的最后帧编号、测试名称、刺激一名称和刺激二名称，并从可选列表中选择所有适用于所需分析的复选框。
勾选“导出”框，以将结果提取到单个文件的电子表格中。然后点击“开始”，并等待程序在状态栏中报告分析参数和数据已保存。在本实验中，受试者群体对两种刺激物各自的平均总探究时间显示出受试者对社交刺激物的明显偏好。
在整个实验过程中，受试对象始终维持着社交偏好，尽管在实验初期这种偏好似乎略为强烈。对每个刺激物的探究时间可根据持续时间分为短时、中等和长时探究片段，此外还包括总探究时间。如观察所示，两种刺激物在短时探究片段上无差异，而中等和长时探究片段则表现出明显的社交偏好，提示在C57 Black 6J小鼠中，短时探究反映的是好奇心，而长时探究则反映受试对象与刺激物之间的互动行为。
此外，可以根据整个受试群体在测试过程中对社交刺激物和物体的探究时段生成热图，其中颜色编码表示探究时段的持续时间。重要的是，受试者从一个刺激物转移到另一个刺激物的转换频率在测试的前两分钟内最高，随后逐渐下降。这种趋势在平均转换频率随时间的分布中同样明显。
该方法可与通过导线连接至电生理记录或光遗传刺激系统的任何小鼠设备联用。为此，我们采用一种特殊算法。目前，全球多家实验室已将本系统应用于多种需要小型啮齿类动物追踪的实验范式中。
它可用于评估任何辨别测试中的行为动态。
查看完整文字稿并访问数千部科学视频
概述
本文介绍了一种用于评估小型啮齿类动物模型社会行为的新型自动化实验系统。该系统可提供多种行为参数，用于对社会偏好和社会新颖性偏好测试进行全面分析。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 行为分析
- 动物模型
背景
- 理解啮齿类动物的社会行为对神经生物学研究至关重要。
- 传统方法（如三箱实验）存在局限性。
- 自动化系统可减少观察者偏差并提高数据准确性。
- 该系统可在不同品系和条件下实现无偏倚的检测。
研究目的
- 开发一种用于评估啮齿类动物社会行为的自动化系统。
- 实现对社会动态的深入研究。
- 便于在不同实验条件下进行比较。
使用的方法
- 在社交测试期间对啮齿类动物行为进行自动追踪。
- 分析社交偏好与新奇偏好。
- 无需观察者的客观数据采集。
- 可灵活调整参数，适用于多种社交辨别测试的追踪。
主要结果
- 该系统能够成功追踪多种行为参数。
- 可实现不同啮齿类品系之间的精确比较。
- 初始评估可在计算机屏幕上实时监测。
- 适用于各种社会辨别实验，且不受受试动物体型大小的限制。
结论
- 该自动化系统增强了对啮齿类动物社会行为的研究。
- 它解决了传统行为学实验的局限性。
- 该系统具有多功能性，可根据不同的研究需求进行调整。
常见问题
行业重要性概述
自动化行为追踪系统能够对啮齿类动物模型中的社会表型进行客观、高通量的评估，从而支持神经精神类药物研发中的靶点验证。通过量化动态的社会互动，该系统增强了早期阶段机制性风险评估的预测可靠性。这有助于基于数据做出继续或终止决策，并提升从发现到临床前评价的转化连续性。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 科学价值：能够检测社会偏好表型，以验证与社会行为障碍相关的靶点。
- 操作价值：提供不受观察者主观影响的定量读数，可在不同品系和条件下一致地评估靶点参与情况。
筛选与检测方法开发
- 科学价值：生成多参数行为学数据（探索时间、行为片段持续时间、转换频率），用于全面的表型筛选。
- 操作价值：通过自动检测算法和可配置的追踪参数，支持实验方法的标准化。
转化与临床前研究
- 科学价值：揭示基因、药物或环境干预后社会行为动态的改变，支持与疾病相关的建模研究。
- 操作价值：实现对行为变化的长期追踪，有助于在临床前研究流程中做出基于风险评估的推进决策。
流程与工作流整合
该系统通过提供可量化的社交行为指标，为假设检验和通路解析提供依据，从而整合到发现生物学的工作流程中。
- Discovery Biology：通过量化遗传和药理学模型中的动态社交互动，支持机制性风险降低。
- Screening：在社交辨别范式中提供可重复的定量输出，用于评估化合物效应。
- Analytics：实现对实验组间行为参数（如行为片段持续时间、状态转换速率）的统计学比较。
- Translational Research：通过一致的行为读数，将发现阶段的社交表型与临床前验证相连接。
- Enterprise Reuse：作为一个可扩展的平台，支持多种社交行为测试，减少重复的检测开发。
运营与企业影响
- 科学价值：通过降低社会行为靶点验证中的机制模糊性，提高预测可信度。
- 操作价值：通过自动化、标准化的行为分析，增强实验的可重复性和可扩展性。
- 战略价值：通过稳健的表型筛选，实现对无效靶点的早期识别，从而提升资本使用效率。
- 项目组合影响：提供定量的社会行为数据，支持基于风险调整的决策优先级排序，助力“推进/终止”决策。
实施注意事项
- 需要具备行为神经科学领域的专业知识以及视频追踪参数优化的经验。
- 依赖于 MATLAB 环境及兼容的视频采集系统。
- 需要在不同实验场所之间对实验区域设置、刺激呈现以及适应性操作流程进行标准化。
- 适应性考虑因素包括针对不同啮齿类动物模型的物种特异性追踪参数及实验区域尺寸的调整。
- 实际限制包括需要严格控制环境条件，以减少社会行为检测中混杂变量的影响。
