开发用于评估精神病学动物模型中前脉冲抑制和神经活动的行为框
July 22nd, 2025
该协议提供了一个基于微控制器的行为框，通过从框下方的传感器收集加速度数据来评估前脉冲抑制 （PPI）。该数据评估了社会孤立大鼠的感觉门控缺陷，并增加了一种将数据与神经元活动同步的方法，以推进行为障碍的神经生理学研究。
该协议概述了一种评估精神分裂症动物模型的简单方法，专为没有编程或电子专业知识的行为研究人员设计。我们创建了一个具有成本效益的行为框，以评估受早期生活困扰引起的神经发育问题影响的大鼠的前脉冲抑制。使用脉冲前抑制测试的精神动物模型的最新进展侧重于了解精神分裂症等疾病中出现的感觉门控缺陷。
这包括基因改造、神经影像学和药物干预，以研究脉冲前抑制的破坏，最终改进诊断和治疗。我们希望我们的方案能够普及精神分裂症动物模型中脉冲前抑制的研究，并且正在研究该疾病的分子、行为和生理方面的实验室可以使用它来促进对这种复杂精神疾病的理解。首先，制作一个亚克力透明盒子，以容纳一只行为自由的老鼠，并配备了有线头台。
使用自粘橡胶垫将亚克力盒与振动隔离开来，并将加速度计固定在下方，而不与其他部件接触。使用烙铁将带状电缆直接焊接到加速度计板上的四个针孔上。VCC、GND、SCL 和 SDA。
清洁亚克力的中心和加速度计的平面板。然后，将带状电缆的另一端连接到微控制器，将 VCC 连接到 3.3 V、GND 连接到 GND、SCL 连接到 SCL、SDA 连接到 SDA。接下来，使用 80 厘米边缘的 15 毫米厚中密度纤维板建造一个带前门的隔音室。
将扬声器放置在亚克力盒上方 20 厘米处，确保前台和电缆具有全方位的运动。将音频从计算机输出到微控制器板。使用通用串行总线电缆将微控制器板连接到计算机。
然后，在计算机上打开微控制器板的集成开发环境软件。选择对应的单片机板、COM口和波特率后，打开文件草图，编译，将代码上传到单片机板。单击显示器的串行端口以检查传入数据。
然后，关闭开发环境软件。现在，在将放置动物的亚克力盒内放置一个数字声级计。播放声学刺激并调整声级计上的检测范围，以校准计算机发送的刺激电平。
然后，打开首选的开源软件，用于从串行端口获取和保存数据。配置软件设置，包括 COM 端口、微控制器板和波特率。单击“连接”以读取原始数据或图表视图。
然后，单击“保存”开始记录实验数据。将电极阵列植入大鼠大脑后，小心地将头台连接到大鼠头骨上的连接器植入物。然后，打开神经元数据采集系统的电源，并确认它通过微控制器或连接到音频检测器或麦克风的 TTL 发生器接收来自声刺激的数据。
打开之前设置的开源串口记录器。现在，使用电生理采集软件收集电生理和加速度计数据。将动物暴露在白背景噪音中七分钟，随机呈现所有类型的脉冲，每种脉冲类型重复 10 次。
在录制会话结束时，关闭采集软件。然后，小心地断开头台连接器与动物头骨上的植入物的连接。要进行电生理和行为分析，请将包含大脑活动、加速度和声刺激的原始数据导入信号处理平台。
提取以每种声学刺激为中心的 EPICS。然后，对平均值进行归一化，以便动物之间进行比较。将对单个脉冲的响应设置为最大响应，并相对于该值将对其他脉冲的反射响应归一化。
最后，将脉冲 5 的惊吓幅度定义为 100%，并将对其他脉冲的响应表示为脉冲 5 幅度的函数。局部场电位分析表明，刺激后前边缘和边缘下皮层没有显着的功率调节，而腹侧被盖区、杏仁核、伏隔核和海马体等区域在 delta、theta 和 alpha 波段的功率谱密度降低，并具有显着的 β 调节。商用和 DIY 加速度计都表现出一致的幅度和基于时间的数据，基线读数和惊吓响应幅度显示出不同设备的紧密对齐。
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概述
本协议概述了一个基于微控制器的行为箱，旨在评估社会隔离大鼠的预冲击抑制（PPI），以评估与精神分裂症等精神障碍相关的感觉门控缺陷。通过同步加速度计数据和神经元活动，本研究旨在推进聚焦于理解行为障碍的神经生理学研究。
关键研究组成部分
科学领域
- 行为神经科学
- 精神障碍模型
- 神经生理学
背景
- 考察了在精神分裂症研究中历史上使用的预冲击抑制测试。
- 强调了感觉门控及其在精神病症中缺陷的重要性。
- 关注早期生活压力引起的神经发育问题。
- 旨在提高对行为与神经生理学之间相互作用的理解。
研究目的
- 开发一个用户友好的协议，将行为评估与神经元数据收集整合。
- 鼓励在精神分裂症研究中更广泛地使用预冲击抑制模型。
- 改善感觉门控缺陷的诊断和治疗方法。
使用的方法
- 利用基于微控制器的行为箱从自由行为的大鼠中收集加速度传感器数据。
- 该模型专注于社会隔离的大鼠，以研究与精神分裂症相关的效应。
- 涉及构建隔音室和连接各种电子元件。
- 数据采集包括在刺激暴露期间的行为和电生理测量。
主要结果
- 在特定脑区刺激后观察到显著的功率调制，展示了我们记录神经生理学变化的能力。
- 商业和DIY加速度计都提供了可靠的惊吓反应测量。
- 设备之间的基线读数和惊吓幅度一致性表明数据处理具有高一致性。
结论
- 本研究促进了对相关于精神分裂症和其他行为障碍的动物模型中的感觉处理的理解。
- 通过提供一个可访问的实验方法，该协议可以被采用用于进一步探索行为和生理相互作用。
- 研究结果强调了在精神病学相关研究中结合行为和神经元评估的重要性。
常见问题
Executive Industry Relevance
Prepulse inhibition (PPI) testing in animal models provides a translational bridge for evaluating sensory gating deficits relevant to neuropsychiatric drug discovery. This protocol enables synchronized behavioral and neural activity measurements, supporting mechanistic de-risking and predictive confidence in early-stage target validation for psychiatric indications. The approach facilitates scalable, reproducible phenotyping critical for portfolio triage and cross-functional R&D alignment.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of sensory gating mechanisms implicated in schizophrenia and related disorders.
- Supports functional target validation by linking behavioral phenotypes to neural circuit activity.
- Facilitates mechanistic de-risking through quantitative assessment of neural and behavioral endpoints.
- Provides predictive confidence for advancing neuropsychiatric targets in the discovery pipeline.
Screening & Assay Development
- Delivers standardized, reproducible behavioral readouts for compound screening in disease-relevant models.
- Prepares validated animal systems for downstream pharmacological or genetic intervention studies.
- Enables quantitative measurement of startle and PPI responses for robust assay development.
- Supports platform scalability and reuse across neuropsychiatric research programs.
Translational & Preclinical Research
- Aligns animal model outputs with clinical sensory gating biomarkers for translational continuity.
- Enables risk-adjusted advancement decisions by integrating behavioral and electrophysiological data.
- Supports disease-relevant system validation for preclinical candidate selection.
- Provides mechanistic insight into neural circuit dysfunction underlying psychiatric phenotypes.
Pipeline & Workflow Integration
This protocol positions PPI testing and neural activity recording at the intersection of early discovery, lead identification, and preclinical validation for neuropsychiatric drug development.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification for sensory gating deficits.
- Screening: Provides reproducible, quantitative behavioral and neural readouts for compound evaluation.
- Analytics: Enables normalization and statistical comparison of startle and PPI responses across experimental groups.
- Translational Research: Bridges preclinical findings with clinical sensory gating endpoints.
- Enterprise Reuse: Offers a modular, cost-effective platform adaptable to diverse neuropsychiatric research needs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in neuropsychiatric target validation.
- Operational Value: Standardizes behavioral and neural data collection for reproducibility and scalability.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions and enhances capital efficiency in early-stage portfolios.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization and advancement of neuropsychiatric assets.
Implementation Considerations
- Requires expertise in behavioral neuroscience and electrophysiological data analysis.
- Needs instrumentation for synchronized behavioral and neural recording, including accelerometers and data acquisition systems.
- Demands cross-team standardization of stimulus calibration and data normalization protocols.
- Adaptable to various rodent models and psychiatric phenotypes with protocol modifications.
- Practical limitations include environmental control and technical calibration for consistent data quality.
