Automatizado, cuantitativa Cognitiva / Screening de comportamiento de los ratones: Para Genética, Farmacología, Animal Cognition and Instruction Pregrado

El objetivo general del siguiente experimento es examinar ratones manipulados genética y farmacológicamente para detectar disfunciones y mecanismos básicos de cognición. Esto se logra mediante la realización de mediciones psicofísicas de propiedades cuantitativas fisiológicas significativas en un sistema de fenotipado conductual totalmente automatizado y de alto rendimiento las 24 horas del día, los 7 días de la semana. El siguiente paso es analizar y graficar los datos entrantes casi en tiempo real, lo que permite el control automatizado en tiempo real de las pruebas ratón a ratón.

A continuación, los datos brutos, el código del protocolo de prueba y todas las estadísticas intermedias se archivan en una única estructura de datos. Con el fin de poner los datos a disposición del público y fomentar un análisis más profundo, los resultados muestran alteraciones específicas de la deformación en la fracción temporal de vapor en función de la tarea de conmutación. La principal ventaja de esta técnica sobre otros métodos, como el laberinto de agua, es que le brinda resultados fisiológicamente significativos, un rendimiento muy alto y sin manipulación de los ratones.

Por lo tanto, este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo de la neurogenética cognitiva, como ¿existen cepas mutantes que tengan mecanismos de tiempo de intervalo cuantitativamente alterados? Las implicaciones de esta técnica se extienden hacia la terapia o el diagnóstico de déficits cognitivos genéticos, ya que puede conducir al descubrimiento de genes que especifican componentes críticos de estos mecanismos. Las personas nuevas en este método deben comprender los conceptos básicos de la programación de MATLAB y comprender el poder de las pruebas psicofísicas cuantitativas automatizadas.

Adam y yo tuvimos por primera vez la idea de crear este sistema cuando vimos la naturaleza intensiva en mano de obra y no cuantitativa de las pruebas que se estaban realizando en ratones manipulados genéticamente. Esto permite ejecutar 80 ratones a la vez. Cada entorno de prueba consta de una tina de ratón de polipropileno conectada por un tubo acrílico a una caja de prueba para ratones.

La caja de prueba tiene tres tolvas, que son monitoreadas por rayos infrarrojos. Las dos tolvas exteriores tienen alimentadores de pellets adjuntos y pueden entregar pellets de alimentos, mientras que la tolva central no entrega pellets de alimentos. Los cables que pasan a través de un puerto en una pared medianera, conectan los entornos de prueba a las tarjetas de interfaz eléctrica y las computadoras dedicadas en otra habitación, que ejecutan los programas de control de protocolo.

Se requiere una computadora por cada dos gabinetes. Estas computadoras están conectadas a través de una red de área local a un servidor que ejecuta el software de análisis de datos y gráficos. Configure la red de área local para que el servidor en el que está instalado el software de análisis de datos pueda acceder a los discos duros de los equipos que controlan los entornos de prueba.

A continuación, establezca una cuenta de sincronización de archivos para el almacenamiento de datos en la nube. Agregue la carpeta del sistema TS y sus subcarpetas a la ruta de búsqueda de MATLAB y asegúrese de que la carpeta del sistema TS sea una carpeta sincronizada en la nube. El sistema TS es una biblioteca de software de código abierto de más de 30 funciones de alto nivel escritas en MATLAB que facilitan la creación de código de análisis de datos complejos y gráficos de datos.

En la caja de herramientas del sistema TS, llame a la función Ts para comenzar a crear la estructura de datos jerárquica en la que las demás funciones de la caja de herramientas del sistema TS colocarán los datos sin procesar y todos los resultados derivados de ellos. A continuación, llame ts add protocol para especificar los parámetros de control de un protocolo experimental, especificar el código de decisión que automatizará la decisión de terminar el protocolo y pasar al siguiente, y especificar los criterios de decisión que se utilizarán. Ahora, coloque los ratones en los 24 7 entornos de prueba internos, un mouse por entorno.

Anote el número de identificación de los ratones, el número de caja y la letra que identifica la computadora de control del experimento en la red de área local y su dirección IP. Siguiente llamada, ts start session para iniciar la sesión experimental. Las sesiones experimentales duran de una a dos semanas, durante las cuales se ejecutan varios protocolos de pruebas de comportamiento diferentes.

Luego, en una computadora de control, llame a la macro que iniciará todas las cajas controladas por esa computadora. Esta macro fue creada por la sesión de inicio de TS. Repita esto en las otras computadoras de control.

El análisis de datos se puede realizar escribiendo nuevo código de análisis de datos y representación gráfica mediante los comandos de la caja de herramientas del sistema TS o utilizando o modificando el código de análisis de datos y representación gráfica existente proporcionado en la biblioteca TS. Una vez iniciado, el experimento se ejecuta en su mayor parte por sí mismo, aunque se requiere cierto seguimiento a lo largo de la duración del experimento. Monitoree el correo electrónico para recibir alertas del programa de análisis de datos del sistema TIA que indique posibles fallos de funcionamiento del equipo, como fallos de energía, control espontáneo, reinicios de la computadora y mal funcionamiento del alimentador de pellets.

Estas alertas por correo electrónico permiten una reparación oportuna del mal funcionamiento de dos a cuatro veces al día. Las gráficas de rendimiento que el código de análisis de datos del sistema TS produce cada vez que el temporizador de análisis lo llama. Estas parcelas pueden ser monitoreadas desde cualquier parte del mundo en cualquier momento, y si es necesario, el protocolo experimental puede ser revisado en línea de forma remota desde el sitio donde se están probando los ratones.

También use el navegador TS para estudiar los datos y resumir las estadísticas en la estructura de datos jerárquica a medida que estén disponibles en tiempo casi real, los gráficos de desequilibrio acumulativo para los pellets obtenidos se denominan ingresos se trazan en rojo y la duración de la visita se traza en negro para tres ratones de tipo salvaje y tres heterocigotos L uno. Se produjo una inversión del horario en el punto en el que las pendientes giraban hacia abajo, marcadas por líneas rojas verticales para tres de los ratones. La pendiente del gráfico de desequilibrio acumulado de visitas, la línea negra sigue de cerca la pendiente del desequilibrio acumulado de ingresos.

La línea roja indica una coincidencia casi perfecta entre la relación entre la duración media de las visitas y la relación entre los ingresos. Obsérvese la rapidez con que la relación entre la duración de las visitas se ajusta al cambio en la relación entre los ingresos en los puntos de inflexión a la baja. Por otro lado, otro ratón no coincidió durante las segundas sesiones de alimentación, como lo muestra la pendiente cero de la visita acumulada.

El desequilibrio de la duración se muestra en negro, mientras que la pendiente del desequilibrio de ingresos en rojo es sustancialmente positiva. Sin embargo, durante la tercera fase de alimentación, las pendientes son paralelas, lo que significa que este ratón comenzó abruptamente al comienzo de esta fase a hacer coincidir su relación de visitas con la relación de ingresos. Por lo tanto, está claro que era capaz de hacerlo, pero no lo hizo por alguna razón durante parte de las pruebas.

Esto ilustra la importancia de visualizar todo el curso del rendimiento en lugar de depender completamente de unas pocas estadísticas resumidas. Este ratón coincidió con precisión durante la primera relación de ingresos, pero cuando se invirtió, el ratón no revirtió completamente a otro ratón superado durante la tercera fase de alimentación. Es decir, el desequilibrio promedio de las visitas fue mayor que el desequilibrio promedio de los ingresos y no se ajustó completamente a la reversión del desequilibrio de los ingresos.

Nótese, sin embargo, que los seis ratones, los tres tipos salvajes y los tres heterocigotos coincidieron con precisión durante la primera fase de alimentación de cuatro horas y mostraron una respuesta abrupta a la inversión de la relación de ingresos. Esto demuestra el funcionamiento intacto en los heterocigotos de muchos mecanismos básicos de la cognición, como la duración, la estimación, el número, la estimación de la tasa de estimación, la localización espacial y la capacidad de recordar cantidades abstractas simples. En neurogenética cognitiva es tan importante determinar qué es lo que sigue funcionando con normalidad como encontrar lo que no funciona o tiene alguna alteración cuantitativa interesante en su funcionamiento.

Los ciclos acumulativos o una visita a la tolva uno seguida de una visita a la tolva dos, seguida de un retorno a la tolva uno se representan en función del tiempo de sesión. Aquí, las verticales verdes discontinuas marcan el inicio de las fases de alimentación. La marca vertical de color rojo sólido.

La compensación de la alimentación, la rapidez con la que el ratón comienza a circular entre las tolvas, es una medida de lo que podría llamarse su audacia o tendencia a explorar. Cinco de los seis mostraron cierta exploración antes del inicio de la primera fase de alimentación y comenzaron a circular bruscamente entre las tolvas tan pronto como comenzó. Un ratón, sin embargo, no mostró ningún comportamiento exploratorio en absoluto, ni un solo ciclo hasta la mitad de la segunda fase de alimentación, momento en el que comenzó a circular bruscamente entre las tolvas.

El análisis de los experimentos de condicionamiento instrumental y clásico produce registros acumulativos de las velocidades de inicio de los ensayos. Estos experimentos midieron la tasa de aprendizaje, es decir, el número de emparejamientos antes de la aparición de la conducta condicionada. Las líneas discontinuas verticales marcan la prueba de adquisición en cada registro.

La prueba de adquisición es la primera prueba en la que hay un aumento significativo en la velocidad de inicio de la prueba, siempre que la nueva velocidad más alta sea mayor que la velocidad en el primer segmento. Esta disposición de escalera es necesaria porque a veces hay una disminución significativa antes del primer aumento significativo. Aquí se muestran las distribuciones acumulativas de las latencias de inicio del ensayo.

El punto por encima del eje X en el que la línea horizontal a 0,5 interseca la distribución acumulativa es la latencia media para iniciar una prueba. Aquí se muestran los registros acumulativos de las diferencias entre la tasa de pinchazo durante el de una tolva de alimentación y la tasa de pinchazo durante el intervalo entre ensayos anterior. Inicialmente, la pendiente de este registro es cero o negativa porque el ratón empuja menos durante la iluminación de la tolva que durante el intervalo entre pruebas.

La pendiente se vuelve positiva cuando el ratón comienza a hurgar en la tolva iluminada en previsión de la inminente entrega de la apelación. Los puntos sólidos marcan el punto en el que la pendiente se vuelve positiva, que es la prueba en la que la respuesta condicionada aparece por primera vez de manera confiable en estos gráficos. Las líneas azules son funciones empíricas de distribución acumulativa que muestran la distribución acumulativa de las latencias de los interruptores para un ratón en tres configuraciones diferentes de la latencia de alimentación en la tolva larga.

Las delgadas curvas rojas que se superponen casi exactamente a las funciones empíricas son los seis parámetros de las funciones belgas que se ajustan a estos datos. Las líneas rojas gruesas son las funciones de densidad de probabilidad correspondientes para las distribuciones de mezclas belgas. El acortamiento de la latencia de alimentación larga hizo que el mouse acortara la media de sus latencias de conmutación y aumentara su precisión.

También causó la aparición de algunos interruptores impulsivos, como lo muestra el golpe en la cola izquierda de la función de densidad de probabilidad en el gráfico inferior. La medida de esta impulsividad es la fracción de la mezcla atribuida al componente de Weibel por la versión más adecuada de la distribución de la mezcla de Weibel Gauss. En este análisis, las pruebas cortas están marcadas con pequeñas ventajas rojas en la parte inferior de la gráfica, mientras que las pruebas largas están marcadas con pequeñas ventajas rojas en la parte superior de la gráfica.

El cambio en la densidad de las rayas rojas resultantes en la parte inferior y superior indica el cambio en la frecuencia relativa de los ensayos cortos y largos. Las latencias del interruptor están marcadas por pequeños círculos abiertos. Tenga en cuenta que cuando el rojo en la parte inferior se vuelve más denso, lo que significa que los ensayos cortos son más probables, los círculos pequeños se desplazan hacia arriba y cuando el rojo en la parte superior se vuelve más denso, lo que significa un aumento en la probabilidad de ensayos largos, los círculos se desplazan hacia abajo.

Las líneas azules son las medianas de las distribuciones. Aquí se muestra un gráfico ráster de 24 horas de eventos ambientales y de comportamiento durante un período de prueba de 90 días. Los puntos negros registran los empujones y los puntos rojos y verdes registran las entregas de pellets en las dos tolvas de alimentación.

Los primeros triángulos negros registran las luces apagadas, mientras que los segundos triángulos negros registran las luces en la primera columna de triángulos cian y registran el inicio del intervalo de alimentación del anochecer, que ocurre una hora antes del anochecer, y la segunda columna de triángulos cian registra el desplazamiento del intervalo de alimentación del anochecer, que ocurre tres horas después de que se apagan las luces. Estos triángulos magenta registran el inicio sin signo de los intervalos de alimentación del amanecer, que ocurre dos horas antes de que se enciendan las luces, y la última columna de triángulos magenta registra los desplazamientos de las alimentaciones del amanecer. Los inicios de la actividad anticipatoria de alimentación antes de la alimentación al anochecer están marcados con asteriscos azules entre los seis y los 15 días.

Después del comienzo de la prueba, los ratones comienzan a exhibir actividad de pinchazo anticipatorio de alimentos en la hora anterior al intervalo de alimentación del anochecer, lo que indica el establecimiento de una memoria circadiana. Los heterocigotos que contienen una mutación en el gen L uno muestran una mayor precisión en el tiempo de intervalo que sus compañeros de camada de tipo salvaje controles. Esta figura representa las distribuciones acumulativas de las estimaciones de precisión para los controles de tipo salvaje como líneas continuas y sus compañeros de camada cigóticos como líneas discontinuas cuando se ejecutan en bloques de ensayos con intervalos cada vez más estrechos entre los postes temporales de la portería, lo que se muestra por las diferencias de color.

Por el contrario, los heterocigotos portadores de la mutación BFC o con cara de murciélago muestran una precisión de tiempo de intervalo más baja que sus controles de tipo salvaje. Una vez que haya dominado esta técnica, la prueba se puede realizar en tan solo un día o hasta unas pocas semanas. El emparejamiento solo requiere comida para un día.

El aprendizaje anticipatorio tarda dos o tres semanas.