利用可重构迷宫系统提高啮齿类动物空间导航测试的可重复性
2022年12月2日
本实验方案描述了一种可重构迷宫，这是一种用于检测啮齿类动物空间导航能力和行为表型的独特系统。该迷宫系统的可适应性使得在单一物理环境中能够开展多种实验。其结构易于重新配置，可产生可靠且可重复的实验结果。
本方案提供了一个灵活的迷宫实验环境，使实验者能够在同一空间内执行多种迷宫任务。该技术的主要优势在于，通过组合标准化部件，可立即配置出所需的迷宫形状。此外，该系统易于拆卸和复制。该方法有助于研究导航行为与生理机制。
在转基因和基因敲除动物的行为异常筛选中，该测试装置同样具有实用价值。首先，将带底板的塔柱插入打孔板中，形成迷宫的T形框架。将通道连接到塔柱的上部，并将延迟区域的通道替换为跑步机。
将喂食器连接到迷宫的每条边缘，然后在左右分支上安装可移动的隔板。进行任务执行时，启动并连接控制箱、微控制器和计算机。编写程序以在微控制器上设置任务时间表并接收实验所需的参数，然后执行任务。构建所需的迷宫形状，将大鼠从饲养笼中移出，并将其放置于迷宫中的任意位置。
让大鼠在构建的迷宫中自由探索10分钟以适应环境。设置程序以使用跑步机执行延迟交替任务，并根据需要改变迷宫的形状。将大鼠放置于迷宫中的任意位置，开始延迟交替任务的训练或测试。
每次任务结束后将大鼠放回居住笼，并在每只大鼠使用后用70%乙醇彻底擦拭迷宫。再次使用迷宫前需等待至少5分钟。对于动物运动轨迹，使用安装在天花板上的数字摄像机记录大鼠在延迟交替任务期间的行为。
最后，利用基于每秒50帧图像的无标记姿态估计算法软件追踪大鼠的运动轨迹。本图展示了大鼠可重构迷宫测试的图像，其中迷宫路径部分在同一环境中被重新配置为多种形状。
此处显示的图像代表用于小鼠的可重构迷宫测试。这些迷宫可在任意位置放置饲喂器和可移动的墙壁。在延迟交替任务的训练和测试阶段，迷宫形状会逐渐发生变化。
任务中使用的喂食器类型由一个彩色方框标示。此处显示了一只代表性大鼠的运动轨迹。这些图形图像代表了大鼠从训练开始到测试结束共4天的行为表现。
此处展示了每个训练阶段及测试阶段第一天的任务完成时间。该图呈现了延迟交替测试中正确选择反应的百分比。虚线表示随机水平。
本图展示了可重构迷宫的组装时间。通过增加通道、饲喂器和跑步机，将直线轨道改装为T形迷宫。五名实验人员各自进行了三次试验，所有试验均在同一天内完成。
将迷宫部件正确放置在带有孔洞的地面上非常重要。通过使用基板确定布局，迷宫实验可实现高度的可重复性。
概述
本方案描述了一种可重构迷宫系统，专为测试啮齿类动物的空间导航能力及行为表型而设计。其可调节性使得在单一环境中能够开展多种实验，确保获得可靠且可重复的实验结果。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 行为分析
- 啮齿类动物模型
背景
- 使用标准化部件可快速重新配置迷宫系统。
- 该系统适用于研究导航机制及行为异常。
- 该实验方案便于拆卸并可重复进行实验。
- 通过数字视频记录与软件分析，可增强行为追踪效果。
研究目的
- 研究啮齿类动物的空间导航能力。
- 评估转基因和基因敲除动物的行为表型。
- 为多种迷宫任务提供灵活的实验设置。
使用的方法
- 使用塔楼和通道构建T形迷宫。
- 在迷宫中设置跑步机以执行延迟交替任务。
- 利用天花板安装的摄像头记录动物行为。
- 使用无标记姿态估计软件分析奔跑轨迹。
主要结果
- 在训练和测试阶段成功重构迷宫形状。
- 对多日行为表现的追踪记录。
- 任务完成时间及正确选择反应的定量数据。
- 迷宫组装与实验操作具有高重复性的验证。
结论
- 可重构迷宫是行为学研究的一种多功能工具。
- 它有助于研究啮齿类动物的导航能力及行为表型。
- 该方法可提高实验结果的可靠性。
常见问题
行业重要性概述
行为表型分析中的可重复性和可扩展性对于神经药理学中可靠的靶点验证和转化研究至关重要。可重构迷宫系统能够在啮齿类动物中实现标准化、可重复的空间导航检测，支持预测可信度并促进跨研究的可比性。该平台通过在单一实验环境中实现高效、高通量的行为筛选，解决了早期发现阶段的一个关键转折点。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 可在与疾病相关的啮齿类动物模型中系统性地探究空间导航和认知功能。
- 通过快速复制多种迷宫范式以进行功能靶点验证，支持生物学风险降低。
- 通过在转基因和基因敲除品系中生成可重复的行为学数据，助力项目组合的筛选与决策。
筛选与检测方法开发
- 为下游化合物筛选和表型检测制备经过验证的行为学系统。
- 通过模块化、可重构的迷宫结构实现检测条件和输出结果的标准化。
- 提供可扩展、可重复且定量的行为学读数，以实现可靠的化合物评估。
转化与临床前研究
- 将啮齿类动物的行为输出与认知及神经精神障碍相关的转化终点相对应。
- 通过支持一致的行为测量指标，实现从早期发现到临床前验证的连续性。
- 通过实现对导航和学习表型的精确、可重复评估，减少机制上的模糊性。
流程与工作流整合
可重构迷宫系统通过实现行为神经科学中的快速假设检验、检测标准化以及跨研究可重复性，融入了从发现到临床前研究的连续过程。
- Discovery Biology：支持对基因工程啮齿类动物的导航和记忆通路进行假设驱动型检测。
- Screening：提供可重复、定量的行为输出结果，适用于高通量筛选和比较研究。
- Analytics：提供轨迹追踪和性能指标，用于对行为终点进行可靠的统计学分析。
- Translational Research：通过将啮齿类动物行为数据与疾病相关结局相整合，架起早期发现与临床前验证之间的桥梁。
- Enterprise Reuse：提供模块化、可重复使用的平台，可适应不断变化的研究需求和多样化的实验设计。
运营与企业影响
- 科学价值：通过标准化、可重复的行为学检测，提高预测可信度并降低生物学风险。
- 操作价值：简化实验设置，减少资源需求，并提升通量。
- 战略价值：提供可靠且可交叉比较的数据，从而改善“推进/终止”决策和资本配置。
- 项目组合影响：基于稳健的行为表型分析，实现对靶点和模型的风险校正优先级排序。
实施注意事项
- 需要具备啮齿类动物行为神经科学和实验设计方面的专业知识。
- 需要配备用于数字视频采集和姿态估计分析的仪器设备。
- 要求跨团队对迷宫组装和数据采集流程进行标准化。
- 可通过模块化组件适配多种啮齿类动物模型和行为范式。
- 依赖精确的放置与组装，以确保最佳的可重复性和数据完整性。
生物制药常见问题
Chapters in this video
0:04
Introduction
1:06
Evaluation of Spacial Navigation of Rodents in the Reconfigurable Maze
1:47
Behavioral Experiment, Performance, and Data Analysis
2:48
Results: Maze Shapes in a Single Environment, Maze Expansion and Trajectories of a Rat, and the Performance of Maze Experiments
4:08
Conclusion
