Una operante intra / extra-dimensional Conjunto de cambio de tareas para ratones
January 22nd, 2016
Las anormalidades cognitivas atencionales que cambian de conjunto son una característica central de muchas enfermedades psiquiátricas. Aquí, presentamos el desarrollo de un nuevo sistema automático para el estudio efectivo de las habilidades de cambio de configuración atencional, las funciones ejecutivas y otras habilidades cognitivas en ratones con alta validez traslacional para estudios en humanos.
El objetivo general de este experimento es crear una tarea automatizada que se utilice para evaluar las funciones ejecutivas en ratones y que también imite las pruebas neuropsicológicas humanas originales. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo de la neurociencia cognitiva. Por ejemplo, cómo el tratamiento selectivo, cognitivo o farmacológico puede afectar las funciones cognitivas de orden superior relevantes para los trastornos psiquiátricos.
Las principales ventajas de esta técnica son que está completamente automatizada. Evita cualquier fuente de subjetividad. Es muy flexible y obtenemos una serie de resultados que son muy selectivos.
Las implicaciones de esta técnica se extienden hacia el diagnóstico y el tratamiento de las disfunciones ejecutivas en los trastornos psiquiátricos, ya que permite realizar grandes cribados farmacológicos y genéticos que son relevantes para los síntomas cognitivos en los trastornos psiquiátricos. La demostración visual de este método es fundamental, ya que la configuración correcta de esta tarea es crucial para un resultado exitoso del experimento. Prepare a los ratones para el experimento aclimatándolos a una sola vivienda y privándolos ligeramente de comida antes de la prueba, como se describe en el protocolo de texto adjunto.
También antes de la prueba, asegúrese de que cada cámara del aparato tenga dos orificios para pinchar la nariz equipados con fotohaces infrarrojos y entre ellos, un almacén de alimentos con fotohaces donde un dispensador de pellets administre el refuerzo de alimentos. A continuación, prepara estímulos cambiantes que varíen en tres dimensiones perceptivas diferentes. Una lista de estímulos sugeridos se puede encontrar en la Tabla Uno del protocolo de texto adjunto.
Elija cinco pares de ejemplares para cada dimensión. Para administrar estímulos olfativos en los orificios de la nariz, use un olfatómetro de dilución. Configure un olfatómetro para controlar dos orificios en la nariz, luego cárguelo llenando las botellas de aromas con aromas de olor diluidos de uno a veinte en aceite mineral.
Conecte la bomba de aire a la entrada del olfatómetro y el vacío a las salidas montadas en el dispositivo de pinchazo nasal. A continuación, conecte la salida de salida para la entrega de olores a cada entrada de pinchazo en la nariz y ajuste el caudal a 1,5 litros por minuto. Para los estímulos visuales, coloque diodos emisores de luz en la parte superior de cada orificio de la nariz y asegúrelos en el panel metálico de la cámara.
Conecte cada diodo a la interfaz de salida. Para los estímulos táctiles, coloque texturas de piso intercambiables en un soporte deslizante debajo de una abertura de tres por tres centímetros frente a cada orificio de la nariz. Monta las diferentes texturas para que se puedan mover usando marcos debajo del piso.
Antes de realizar las pruebas, asegúrese de seguir las sesiones de entrenamiento como se describe en los protocolos de texto adjuntos para habituar a los ratones a la cámara y al procedimiento de prueba. En cada etapa durante la prueba real, mida el tiempo que tarda el ratón en hacer una elección en cada presentación, así como el tiempo que tarda en hacer ocho elecciones correctas de diez intentos consecutivos para completar cada etapa. Detenga la sesión diaria después de 40 minutos, o si un mouse no puede hacer ninguna respuesta durante cinco minutos consecutivos.
Finalice la sesión y continúe al día siguiente, con el ratón en la misma etapa donde la dejó. Para la prueba de discriminación simple, introduce a los ratones a un olor, luz o textura que sea relevante en todas las tareas hasta el cambio extradimensional. En este ejemplo, se presentan dos olores, vainilla y lavanda, y se selecciona la vainilla como la respuesta correcta.
Para la discriminación compuesta, introduzca una segunda dimensión, como la luz, que no indica dónde se encuentra la respuesta correcta. Haga que el estado de la luz sea irrelevante para el resultado y mantenga la vainilla como la respuesta correcta. Pruebe esta discriminación para que la vainilla se empareje con la luz azul y la luz amarilla en pruebas posteriores.
Para revertir la discriminación compuesta, haga que los animales aprendan que el estímulo previamente correcto ahora es incorrecto. Para este ejemplo, seleccione lavanda como la respuesta correcta, y vainilla ahora es la opción incorrecta. Nuevamente, combine el aroma correcto con la luz azul y la luz amarilla en las pruebas posteriores.
Después de eso, seleccione un cambio intradimensional, en el que se produce un cambio total en el diseño. Use fresa y canela como olores, y cambie a luces naranjas y blancas. Asegúrese de que los sujetos de prueba sigan la misma dimensión relevante para encontrar la respuesta correcta, que es la fresa.
Combina el aroma con las luces naranja y blanca en las pruebas posteriores. Luego, haz que los ratones realicen la inversión del cambio intradimensional y cambien el aroma correcto a canela. De nuevo, combina el aroma con las luces naranjas y blancas.
Para un cambio intradimensional, use las mismas condiciones que antes, pero cambie los pares de ejemplares con los nuevos olores y luces. Ahora, realice el cambio extradimensional introduciendo texturas como una nueva dimensión relevante. Agregue papel de lija grueso a la abertura debajo de uno de los orificios de la nariz y papel de lija fino debajo de la segunda abertura.
Al mismo tiempo, preséntales dos nuevos olores, como el limón y el albaricoque. Coloque el agujero con el papel de lija grueso correspondiente como la respuesta correcta. Combine el papel de lija grueso con los aromas de limón y albaricoque en pruebas posteriores.
Finalmente, invierta la respuesta correcta para que la lija fina indique la posición del agujero con la respuesta correcta. Combine el papel de lija fino con los aromas de limón y albaricoque en pruebas posteriores. Para el protocolo bidimensional, repita el procedimiento de fijación hasta el desplazamiento extradimensional.
En lugar de cambiar a la textura y el olor en este punto, cambie la dimensión relevante para que la luz sea relevante y el olor sea irrelevante. Configure el nuevo cambio extradimensional para que las luces sean ahora rojas y verdes, y la luz verde actúe como la respuesta correcta. El olor es ahora la dimensión irrelevante.
Pruebe la luz verde emparejada con ambos olores en las etapas siguientes. Para la inversión, use los mismos olores pero cambie para que la luz roja sea ahora la respuesta correcta. Empareje la luz roja con ambos olores en las etapas siguientes.
Una vez que un mouse termine con la sesión, limpie la configuración con etanol al 70% para prepararlo para el siguiente mouse. Realice siempre las pruebas en el mismo orden, pero cambie los estímulos en varias pruebas para que cada uno de los estímulos elegidos esté igualmente representado en el estudio. Además, asegúrese de contrarrestar por igual las dimensiones perceptivas utilizadas dentro y entre cada grupo experimental.
Las discriminaciones visuales, táctiles y de olor en este novedoso aparato requirieron una cantidad similar de tiempo y un número similar de ensayos para alcanzar el criterio, lo que sugiere que los animales son capaces de realizar discriminaciones simples independientemente de la dimensión presentada. Al utilizar el protocolo de ajuste atascado, el análisis del rendimiento de los ratones revela que el efecto de discriminación en el sentido de que los ratones necesitaron más ensayos y más tiempo para resolver la etapa de cambio extradimensional en comparación con las etapas de discriminación compuesta, el cambio intradimensional, el cambio intradimensional 2 y las etapas de inversión de cambio extradimensional. Esto también era cierto en el protocolo de dos dimensiones.
Una vez dominado, este experimento se puede realizar en 10 a 12 días incluyendo toda la preparación y la sesión de entrenamiento.
Visión general
Este estudio presenta un sistema automatizado novedoso diseñado para evaluar el cambio de conjunto atencional y las funciones ejecutivas en ratones, proporcionando una alta validez traslacional para estudios cognitivos humanos. El método tiene como objetivo mejorar la comprensión de las disfunciones cognitivas en trastornos psiquiátricos.
Componentes clave del estudio
Área de la ciencia
- Neurociencia cognitiva
- Trastornos psiquiátricos
- Evaluación del comportamiento
Antecedentes
- El cambio de conjunto atencional es crucial para entender la flexibilidad cognitiva.
- Las anomalías cognitivas son prevalentes en varias condiciones psiquiátricas.
- Los métodos existentes a menudo carecen de automatización y objetividad.
- Este estudio tiene como objetivo llenar ese vacío con un nuevo enfoque automatizado.
Propósito del estudio
- Desarrollar una tarea automatizada para evaluar las funciones ejecutivas en ratones.
- Imitar pruebas neuropsicológicas humanas para una mejor investigación traslacional.
- Facilitar cribados farmacológicos y genéticos a gran escala relevantes para síntomas cognitivos.
Métodos utilizados
- Aparato de prueba automatizado con agujeros para el hocico y refuerzo alimenticio.
- Uso de estímulos olfativos, visuales y táctiles para evaluaciones variadas.
- Sesiones de entrenamiento para aclimatar a los ratones al entorno de prueba.
- Medición de tiempos de respuesta y precisión durante las pruebas.
Resultados principales
- El sistema automatizado evaluó con éxito el cambio de conjunto atencional.
- Los resultados indicaron una flexibilidad cognitiva significativa en ratones.
- El método demostró alta fiabilidad y objetividad.
- Posibles implicaciones para el diagnóstico y tratamiento de disfunciones ejecutivas.
Conclusiones
- Este enfoque automatizado mejora el estudio de las funciones cognitivas en ratones.
- Proporciona una herramienta valiosa para la investigación sobre trastornos psiquiátricos.
- Los hallazgos apoyan la exploración adicional de tratamientos cognitivos.
Preguntas frecuentes
Executive Industry Relevance
This automated operant set-shift task addresses a critical gap in preclinical neuropsychiatric research by providing an objective, high-throughput platform for assessing cognitive flexibility in mice. By closely mimicking the human ID/ED paradigm, it enables translational screening of compounds and genetic models relevant to executive dysfunction in disorders such as schizophrenia and ADHD. The system supports mechanistic de-risking and predictive confidence in early discovery by quantifying attentional set formation, shifting, and reversal learning with high stimulus flexibility across perceptual dimensions.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses involving prefrontal cortical circuits and dopaminergic modulation of cognitive flexibility.
- Operational Value: Provides automated, quantitative readouts of attentional set-shifting that reduce variability and increase reproducibility across laboratories.
- Predictive Value: Supports target validation by measuring drug-induced changes in set-shifting performance, aiding in go/no-go decisions for CNS-active compounds.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: The three-dimensional stimulus framework (olfactory, visual, tactile) allows for flexible assay design across diverse screening campaigns.
- Scalability: Fully automated operation enables integration into behavioral core facilities for large-scale genetic and pharmacological screens.
- Stimulus Flexibility: High number of cues per dimension supports complex discriminations and reduces learning biases, enhancing assay robustness.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Directly models attentional set-shifting deficits observed in psychiatric disorders, supporting translational validity.
- Preclinical Continuity: Enables longitudinal assessment from early discovery through preclinical validation using consistent behavioral endpoints.
- Risk-Adjusted Advancement: Performance on extra-dimensional shift stages provides a biomarker-like endpoint for predicting cognitive efficacy of investigational therapies.
Pipeline & Workflow Integration
The task fits within the discovery continuum from target validation to lead identification, offering a standardized behavioral assay that bridges basic mechanism and phenotypic screening. Its automation and quantifiable outputs support integration into multi-modal assessment pipelines for neuropsychiatric drug discovery.
- Discovery Biology: Facilitates hypothesis testing of neural circuits underlying cognitive flexibility, enabling pathway clarification and target de-risking.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative performance metrics (e.g., trials to criterion, response latency) suitable for high-content screening formats.
- Analytics: Generates stage-specific performance data that allow comparison across genotypes, treatments, and experimental conditions using established learning curves.
- Translational Research: Aligns with clinical ID/ED outcomes, supporting biomarker alignment and cross-species validation of cognitive endpoints.
- Enterprise Reuse: Designed as a reusable platform for repeated testing across studies, reducing revalidation burden and enabling longitudinal cohort tracking.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence in target validation by reducing mechanistic ambiguity in cognitive phenotypes.
- Operational Value: Standardization through automation minimizes operator bias and increases inter-laboratory reproducibility.
- Strategic Value: Improves capital efficiency by enabling early detection of cognitive liabilities, reducing late-stage attrition in psychiatric drug development.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of compounds based on cognitive flexibility profiles, informing advancement decisions in CNS portfolios.
Implementation Considerations
- Requires expertise in behavioral neuroscience and operant conditioning protocols for proper training and execution.
- Dependence on specialized apparatus including nose poke systems, stimulus delivery (olfactometer, LED arrays, texture slides), and food reinforcement modules.
- Necessitates cross-team standardization of training schedules, stimulus counterbalancing, and performance criteria to ensure data comparability.
- Adaptation across mouse strains or genetic backgrounds may require adjustments in motivation (e.g., food deprivation levels) and sensory sensitivity.
- Practical limitations include initial setup complexity and the need for rigorous counterbalancing to prevent stimulus bias, as noted in the protocol.
