Method Article

פיתוח קופסה התנהגותית להערכת עיכוב קדם-דופק ופעילות עצבית במודלים של בעלי חיים פסיכיאטריים

DOI:

10.3791/67005

⸱

July 22nd, 2025

 ,  ,  ,  , 
1Edmond and Lily Safra International Institute of Neuroscience, Santos Dumont Institute, 2Laboratory of Molecular Pharmacology, Departamento de Farmacologia, Escola Paulista de Medicina (EPM), Universidade Federal de São Paulo (UNIFESP)

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

פרוטוקול זה מציג תיבה התנהגותית מבוססת מיקרו-בקר להערכת עיכוב קדם-דחף (PPI) על ידי איסוף נתוני תאוצה מחיישן מתחת לקופסה. נתונים אלה מעריכים ליקויים בשער חושי בחולדות מבודדות חברתית, עם שיטה נוספת לסנכרון נתונים עם פעילות עצבית כדי לקדם מחקרים נוירופיזיולוגיים על הפרעות התנהגות.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מצוקה בגיל צעיר מוכרת כמבשר פוטנציאלי להפרעות נוירו-התפתחותיות. גישה אחת לחקירת מצב זה במודלים של בעלי חיים היא בידוד חברתי לאחר הגמילה. הוכח כי מצוקה מוקדמת זו במכרסמים מובילה לשינויים עצביים הדומים לאלה שנצפו בחולים עם סכיזופרניה, כולל ירידה בנפח קליפת המוח הקדם-מצחית, ירידה בצפיפות עמוד השדרה הדנדריטית ופעילות דופמינרגית מוגברת באזור הגחון. פרדיגמת עיכוב הדחף (PPI) היא שיטה מבוססת להערכת ליקויים בשער חושי במודלים אנושיים ובעלי חיים כאחד. PPI מתייחס לדיכוי רפלקס ההבהלה לגירוי אקוסטי חזק יותר (למשל, דופק של 120 dB) כאשר לפניו קדם גירוי אקוסטי חלש יותר (למשל, דופק של 65 dB). תופעה זו מופחתת לעתים קרובות בחולים פסיכיאטריים ובמודלים של הפרעות פסיכיאטריות בבעלי חיים. מאמר זה מציג פרוטוקול לבניית קופסה התנהגותית למחקרי PPI, המאפשר שימוש במודל בעלי חיים נגיש וחסכוני של סכיזופרניה וסנכרון הקופסה ההתנהגותית עם הקלטות עצביות מהמודל (למשל, הקלטות אלקטרופיזיולוגיות). קופסה התנהגותית מותאמת אישית זו זיהתה ביעילות תגובות בהלה והקלה על הערכת PPI עם רישום עצבי בו זמנית במכרסמים המתנהגים בחופשיות הנתונים לבידוד לאחר הגמילה.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

אנשים המאובחנים עם סכיזופרניה (SCZ) מציגים לעתים קרובות ליקויים תחושתיים-מוטוריים. ירידה בתגובה לגירוי חושי וקושי להבחין במידע רלוונטי מקלטים חושיים מגוונים מדווחים לעתים קרובות באותם חולים 1,2. עבור אנשים בריאים, מתן גירוי חלש יותר לפני גירוי חזק יותר מפחית את רפלקס ההבהלה הרגיל לגירוי החזקיותר 3. תופעה זו ידועה בשם עיכוב קדם-דופק (PPI) ושימשה לחקירת ליקויים בשער חושי בחולים עם SCZ ומודלים של בעלי חיים של SCZ4.

במשימת PPI אקוסטית, תגובת בהלה לפולס אקוסטי חזק יחיד (למשל, ~120 dB) מושווה לתגובת הבהלה כאשר לאותו גירוי קדם במרווח קצר (30 עד 500) גירוי חלש יותר (למשל, ~65 dB)3,4. אצל אנשים בריאים, תגובת הבהלה לדופק פוחתת כאשר מוצג הקדם-פולס החלש יותר (בהשוואה לתגובת הבהלה לדופק החזק היחיד בלבד). תופעה זו מופרעת אצל אנשים עם SCZ, שמפגינים פחות דיכוי של תגובת ההבהלה גם כאשר הדחף החלש יותר מוצג לפני הדופק החזק 1,5,6,7,8.

בדומה לחולי SCZ, חולדות עם פעילות יתר של דופמין מזולימבי מציגות גםPPI 9 אקוסטי מופחת, מה שהופך את הפרדיגמה הזו לכלי שימושי לחקירת שינויים התנהגותיים ופיזיולוגיים במודלים של סכיזופרניה בבעלי חיים. בדרך כלל, המנגנון המסחרי ל-PPI מורכב מתא אקוסטי המכיל חיישנים, רמקולים ותוכנה לקביעת הפרמטרים הניסיוניים (למשל, מרווח בין פולסים ועוצמת גירויים), רישום תגובת הבהלה של מכרסמים ועיבוד הנתונים. עם זאת, מערכות מסחריות מציעות לרוב אפשרויות התאמה אישית מוגבלות והן יקרות. גישות עשה זאת בעצמך (DIY) לבניית מנגנוני מחקר גמישים מגבירות את הגישה לציוד ומעבירות ידע10. פתרונות עשה זאת בעצמך לחקר מנגנוני שער סנסוריים-מוטוריים כמו PPI חייבים לקחת בחשבון מספר גורמי מפתח כדי להבטיח יעילות ואמינות. כמה שיקולים חיוניים כוללים מפרטי תכנון, בקרת סביבה ואור, הנחתת קול, מערכות אספקת גירויים, חיישני מדידה התנהגותיים ורכישת נתונים וניתוחם.

פתרונות עשה זאת בעצמך עבור קופסאות התנהגותיות פותחו עבור פונקציות שונות, כגון ניסויי ליקוק אופרנטי11, משימות הבחנה שמיעתית12 ותפקוד הגפיים הקדמיות13. למרות שמספר גישות עשה זאת בעצמך מתמקדות במעקב וידאו14, סוג זה של נתונים דורש משאבי חישוב גבוהים כדי לנתח. ניתן להשתמש בפלטפורמת חומרה ותוכנה בקוד פתוח לבניית קופסת התנהגות PPI בעלות נמוכה עם גמישות לבדיקת ניסויים מותאמים אישית 15,16,17, ולסנכרן הקלטות עצביות של בעלי חיים המתנהגים בחופשיות.

מאמר זה מציג שיטה לפיתוח קופסה התנהגותית להערכת PPI עם פלטפורמה בעלות נמוכה לחקירת מודל החולדה המבודדת לאחר הגמילה, מתח מוקדם בחיים התורם להתפתחות תסמינים דמויי SCZ, שניתן להשתמש בו גם עם הקלטות מוח אלקטרופיזיולוגיות בו זמנית.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ניסויים בבעלי חיים נערכו בהתאם למדריך לטיפול ושימוש בחיות מעבדה. פרויקט זה אושר על ידי ועדת האתיקה של מכון CEUA Santos Dumont (מספר אישור 04/2016). לבדיקת PPI, 35 חולדות Wistar (בנות 3 חודשים, 290-490 גרם; 19 זכרים ו-16 נקבות) הוערכו בנפרד בקופסת ה-PPI. כל 35 החולדות עברו פרוטוקול של בידוד לאחר הגמילה, שבו הן שוכנו בנפרד תחת מחזור אור של 12/12 שעות בטמפרטורה של 23 מעלות צלזיוס ו-70% לחות במתקן מבוקר עם גישה אד-ליביטום למזון ומים. פרטים על הריאגנטים והציוד המשמשים במחקר מסופקים בטבלת החומרים.

1. קופסת PPI

  1. הכינו קופסה שקופה אקרילית באורך 25 ס"מ, רוחב 20 ס"מ וגובה 25 ס"מ כדי לשמור על חולדה שמתנהגת בחופשיות עם ראש חוט. גובה זה חשוב כדי למנוע מחולדות לברוח וכדי לשמור על הבמה הראשית פנויה ובטוחה להקלטות עצביות.
    1. השתמש ברפידות גומי דביקות כדי לבודד את קופסת האקריליק מרטט מכני חיצוני (למשל, ספסל מעבדה עם ציוד אחר) וכדי לשמור על מד התאוצה מחובר מתחת לקופסה ללא מגע פיזי עם חלקים אחרים (למשל, ספסל או חוטים).
      הערה: התאם את גודל קופסת האקריליק השקופה בהתאם לדרישות המשימה (למשל, עכבר, חולדה, מרמוסט).
  2. הלחמת כבל סרט (26 AWG) ישירות לארבעת חורי הפינים של לוח מד-תאוצה: VCC (מתח), GND (הארקה), SCL (שעון טורי) ו-SDA (נתונים טוריים). נקה את מרכז האקריליק ואת לוח הפנים השטוח של מד התאוצה. השתמש בדבק ציאנואקרילט או שרף אפוקסי כדי לחבר את מד התאוצה בחוזקה מתחת לקופסת האקריליק.
    1. המתינו עד שהוא נרפא לחלוטין (איור 1). חבר את הצד השני של כבל הסרט למיקרו-בקר באופן הבא: VCC ל-3.3V, GND ל-GND, SCL ל-SCL (I2C SCL) ו-SDA ל-SDA (I2C SDA). שמור את מד התאוצה מחובר מתחת לקופסה ללא מגע פיזי עם חלקים אחרים (למשל, ספסל או חוטים).
      הערה: ישנם מספר מותגים של מדי תאוצה ומיקרו-בקרים של DYI. הגודל והסוג של המיקרו-בקר ומד התאוצה תלויים בשימוש המיועד ובמידות/מפרט התיבה. שקול את נהלי הניקוי לאחר כל מפגש בדיקה, ובמידת הצורך, מרח שכבה של לכה אלקטרונית על מפרקי ומעגלי ההלחמה כדי לבודד ולהגן מפני התזות מקריות על חלקי המתכת של מד התאוצה. למטרות השוואה, מד התאוצה DYI ומד התאוצה המסחרי חוברו זה לצד זה מתחת לקופסה.
  3. הכינו תא אטום לרעש עם דלת קדמית וקצוות של 80 ס"מ באמצעות סיבית בצפיפות בינונית (MDF) בעובי 15 מ"מ. מרפדים את פנים הקופסה בקצף אקוסטי. הניחו רמקול 20 ס"מ מעל קופסת האקריליק באופן המאפשר לבמה הראשית ולכבל לנוע בחופשיות.
    1. חבר את יציאת האודיו של המחשב ללוח המיקרו-בקר (כניסה אנלוגית ו-GND) ואת הרמקול באמצעות גלאי אודיו מסחרי, המקבל גירויים אקוסטיים מהרמקול ומייצר סמני אירועי TTL (לוגיקת טרנזיסטור-טרנזיסטור) כדי לסנכרן נתונים התנהגותיים ועצביים (איור 2).
      הערה: בנה תא אקוסטי בהתאם לדרישות הניסוי (למשל, שקול את הצורך במצלמות, אור נוסף ורמקולים). השתמש במחלק נגדים (למשל, נגדים של 10 kΩ ו-10 kΩ) כדי להרחיק את שמע המחשב לטווח הכניסה האנלוגי של המיקרו-בקר של 0-5 V. מכשיר גלאי שמע מסחרי מקבל קלט שמע ושולח TTL (טרנזיסטור-טרנזיסטור-לוגיקה) כסימן התחלת גירוי עבור כל גירוי אקוסטי שנשלח על ידי המחשב (0-0.4 V נחשב למצב נמוך, ו-2.8-5 V כמצב גבוה). בדרך כלל, למערכות אלקטרופיזיולוגיה יש יציאות קלט BNC נקבות לקבלת אותות TTL או אנלוגיים (למשל, גירויים אודיולוגיים).
  4. חבר את לוח המיקרו-בקר למחשב באמצעות כבל USB. פתח את תוכנת סביבת הפיתוח המשולבת עבור לוח המיקרו-בקר.
    1. בחר את לוח המיקרו-בקר המתאים, יציאת ה-COM וקצב השידור. פתח את סקיצה של הקובץ, הידור והעלה את הקוד ללוח המיקרו-בקר. לחץ על היציאה הטורית של הצג כדי לבדוק נתונים נכנסים. סגור את תוכנת סביבת הפיתוח.
      הערה: בעת חיבור לוח המיקרו-בקר למחשב באמצעות USB, מוקצית לו יציאת COM. פתח את מנהל ההתקנים בלוח הבקרה של Windows ולחץ על יציאות (COM ו-LPT) כדי לראות את יציאת ה-COM שהוקצתה למיקרו-בקר (מספר COM). מספר ה-COM חייב להתאים להגדרת יציאת ה-COM של תוכנת הפיתוח. דוגמה לסקיצה זמינה בכתובת https://github.com/neurodeveloperISD.
  5. הנח מד ידית קול דיגיטלי באותו מקום בו החיה תהיה בקופסה. בדוק את רעשי הרקע בתא כשהדלת סגורה. הפעל את הגירויים האקוסטיים והתאם את טווח הזיהוי של מד רמת הקול (30-80 dB או 80-130 dB) כדי לכייל את רמות הגירוי האקוסטי שנשלח על ידי המחשב.
    הערה: על פי פרוטוקול הניסוי, ניתן ליצור רצפי גירויים שונים באמצעות שפת קוד פתוח מועדפת (למשל, Python). במחקר זה, רעש לבן של 68 dB הוצג למשך 7 דקות עם שילובים אקראיים של קדם-דופק ופולס. ייצא את הקובץ כקובץ גל ואת רצף הטבלה של שילוב הקדם-דופק / הדופק לניתוח לא מקוון.
  6. פתח תוכנת קוד פתוח מועדפת כדי לרכוש ולשמור נתוני יציאה טורית. הגדר את יציאת ה-COM, לוח המיקרו-בקר וקצב השידור. לחץ על התחבר כדי לקרוא את הנתונים הגולמיים או התרשים. לחץ על שמור כדי להתחיל להקליט את נתוני הניסוי.
    הערה: קיימת תוכנת קוד פתוח להקלטת יציאות טוריות (למשל, CoolTerm, Python), וזמינה מסחרית (למשל, Matlab).
  7. לפני הנחת בעל חיים, ודא שכל רכיב (מתן גירוי, זיהוי תגובה) פועל כראוי. ודא את התזמון ורצף הגירויים (בהתאם לפרוטוקול PPI הנבחר). בדוק זיהוי ורישום מדויקים של תגובות מד התאוצה.
  8. אסוף ונתח את נתוני התגובה כדי להעריך את אפקט ה-PPI (שלב 5). להשתמש בכלים סטטיסטיים כדי לפרש את התוצאות ולהעריך ליקויים בשער תחושתי-מוטורי.

figure-protocol-1
איור 1: מד תאוצה מחובר היטב מתחת לתיבה ההתנהגותית. האיור מציג לוח מד-תאוצה בעלות נמוכה (משמאל) ומד תאוצה מסחרי מתקדם (מימין) למטרות השוואת נתונים. יש לחבר היטב את מד התאוצה לקופסת האקריליק, ולחבר את הכבל השטוח לאקריליק כדי למנוע שבירתו עקב הליכי ניקוי ושינויים בבעלי חיים. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

figure-protocol-2
איור 2: תיבה התנהגותית משולבת מבוססת-מיקרו-בקר. סכמטי המציג חולדה בקופסת אקריליק עם במת ראש חוטית המחוברת למערכת הקלטה אלקטרופיזיולוגית של המוח. מד תאוצה מתחת לקופסה המחוברת למיקרו-בקר שולח נתוני מד תאוצה תלת-צירי למחשב ומקבל סימני טריגר לגירויים עבור עיבוד נתונים לא מקוון. רמקול משמיע את רקע הרעש ופולסי הקול, המפעילים סמנים לנתוני מד התאוצה. מיקרופון רוכש גירויים אקוסטיים כדי להסתנכרן עם נתונים אלקטרופיזיולוגיים (למשל, רכישת התנהגות קולית במהלך משימות). אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

2. הליך בידוד לאחר גמילה בחולדות

  1. בודדו את גורי החולדות בכלובים בודדים מיד לאחר הגמילה(יום 17עד 21 לאחר הלידה) והשאירו אותם מבודדים למשך 90 ימים לפחות לאחר הלידה.
  2. בצע את השתלת מערך המיקרואלקטרודות הנוירוכירורגיות לאחר 90 יום לאחר הלידה באמצעות פרוטוקולים קבועים18,19.
  3. בצע את משימת ה-PPI לאחר 7-10 ימים לאחר הניתוח (ראה שלב 4).

3. הליך כירורגי להשתלת מוח מערך אלקטרודות

  1. יש לעקר בעבר מערך מיקרו-אלקטרודות (מחקר זה השתמש ב-32 חוטי טונגסטן בקוטר 50 מיקרומטר, איור 3A). הנח את בעל החיים בקופסה מבודדת עם הרדמה איזופלורן (5% ב-0.5 ליטר לדקה O2, בהתאם לפרוטוקולים שאושרו על ידי המוסד).
  2. הוציאו את החיה מהקופסה ושמרו אותה תחת הרדמה איזופלורן עם חרוט אף הרדמה (1% ב-0.5 ליטר לדקה O2). יש לתת אטרופין במינון תוך שרירי של 0.05 מ"ג/ק"ג. לגלח את ראש החיה עם למינה בעזרת נוזל חיטוי. לאחר 5 דקות, יש לתת קטמין תוך צפקי במינון 70 מ"ג/ק"ג וקסילזין תוך שרירי במינון 3 מ"ג/ק"ג.
  3. הנח את החיה על כרית חימום בטמפרטורה של 37 ± 0.2 מעלות צלזיוס במכשיר הסטריאוטקסי הרב-צירי תחת איזופלורן הניתן לשאיפה (1%-5% ב-0.5 ליטר/דקה O2). הכנס חיישן רקטלי כדי לשלוט בכרית החימום יחד עם חיישן רקטלי לניטור הרוויה וקצב הלב של PO2 . ודא שריווי החמצן הוא מעל 95% והדופק הוא בין 200-300 פעימות לדקה.
    הערה: שימו לב לפרמטרים אלה לאורך כל ההליך הכירורגי ובמידת הצורך התאימו את ריכוז האיזופלורן.
  4. מרחו חומר סיכה עיניים סטרילי על עיני החיה וכסו את החיה בווילון כירורגי סטרילי.
    הערה: בצע את כל ההליכים הכירורגיים הבאים בתנאים אספטיים.
  5. פתח את שדה הניתוח באזור ראש החיה וקבע אותו עם העור באמצעות תפרים (4-0). יש למרוח לידוקאין 20% תת עורי על הגולגולת של בעל החיים ולבצע חתך אורכי (~1.5 ס"מ) של עור הראש, ולאחר מכן להסיר את הפריוסטאום הגולריאלי. נקה את משטח העצם עם מי חמצן.
  6. יישר ברגמה ולמבדה באותו מישור אופקי לדיוק טוב יותר של הגולגולת, במיוחד אם מקליטים מאזורים מרובים במוח (מחקר זה נרשם מהאזור הטגמנטלי הגחוני, האמיגדלה, גרעין אקומבנס, ההיפוקמפוס וקליפת המוח הקדם-מצחית, איור 3B).
  7. סמן את מיקומי חורי הקוצים עם מקדחה רובוטית והכנס 3 עד 4 ברגים במיקומים מבוזרים במיקום המרוחק של הגולגולת של הגולגולת מבלי לנקב את הדורה מאטר (איור 3C,D).
  8. בצעו כריתת קרניקטומיה ידנית19, וקדחו את היקף הגולגולת באמצעות מקדחה דנטלית במהירות מקסימלית עבור מטרות המוח (איור 3E).
  9. הסר את העצם, שמור את הדורה מאטר עם מי מלח סטריליים והסר את הדורה מאטר.
    הערה: שימו לב לכל תהליך חילוץ הדורה מאטר כדי למנוע פגיעה מוחית, שעלולה לסכן את דיוק העומק.
  10. הנח את האלקטרודות של המערך במיקומי כריתת הקרניקטומיה והתקדם במורד מערך האלקטרודות עד שהאלקטרודות במיקום העמוק ביותר נוגעות קלות ברקמת המוח. השתמש בחוט עבור הארקה חשמלית של האלקטרודות, המונח על פני הגולגולת, מסודר סביב ארבעת הברגים (איור 3F).
    הערה: ראה את ההדרכה להשתלת נוירוכירורגיה במודל בעלי חיים19 באמצעות נושא חלופי.
  11. הכניסו את האלקטרודות כל 100 מיקרומטר עד למיקום המטרה, וקבעו אותה עם מלט דנטלי כדי לשמור על המחבר מקובע היטב לגולגולת ומחוץ לעור.
    הערה: היזהר להימנע מנפילת מלט דנטלי על רקמת המוח או בחורי פיני המחבר.

figure-protocol-3
איור 3: שתל מערך מיקרואלקטרודות. (A) מערך מיקרואלקטרודות עם 32 חוטי טונגסטן של 50 אום עבור PFC PRELIMBIC AND INFRALIMBIC PFC, VTA, AMY, NAcc ו-HIPC. (B) גולגולת של חולדה שמראה את מטרות המוח, ברגמה ולמבדה. (ג) עמדות קידוח לכריתת קרניקטומיה וברגים. (D) ברגים לתמיכה בשתל מערך המיקרואלקטרודות ובציור כריתת קרניקטומיה. (ה) פתחי גולגולת ללא דורא מאטר. (F) מיקרו-אלקטרודות שחודרות למוח. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

4. PPI והקלטות עצביות

  1. חבר את ה-headstage לשתל המחבר על גולגולת החולדה בזהירות רבה.
    הערה: שלב זה חיוני כדי למנוע שבירת פיני המיקרו של מחבר הזכר headstage או פגיעה באקריליק הדנטלי בגולגולת. ניתן להניח את בעל החיים בקופסה עם הרדמה איזופלורן (5% ב-0.5 ליטר/דקה O2) כדי לסייע בחיבור במידת הצורך. בעת שימוש בהרדמה לחיבור ה-headstage, המתן עד שהאיזופלורן יישטף החוצה כדי שלא ישפיע על התנהגות PPI ופעילות המוח.
  2. הפעל את מערכת רכישת הנתונים העצבית וודא שהיא מקבלת נתונים מהגירויים האקוסטיים דרך המיקרו-בקר או מחולל TTL המחובר לגלאי השמע או למיקרופון. הפעל את מקליט הקוד הפתוח של היציאה הטורית שנבדק בעבר בשלב 1.6.
    הערה: בהתאם למתקן המעבדה, הליכי סנכרון אלה עשויים להיות שונים.
  3. התחל לרכוש נתונים אלקטרופיזיולוגיים (ספייק ופוטנציאל שדה מקומי) ומד תאוצה עם תוכנת רכישת אלקטרופיזיולוגיה.
    הערה: בדוק את הנתונים הנכנסים והתאם את הגדרת הרווח כדי למנוע חיתוך האות או אי זיהוי צורות גל של ספייק וסף זיהוי הספייק. בהתאם למערכת ההקלטה ולנתונים המוקלטים, ניתן להתאים את הרווח והסף רק במצב מקוון. ודא שהגדרת המסנן עבור האותות בתדר נמוך (LFP), בדרך כלל 0.5 הרץ עד 100 הרץ, תדר גבוה (קוצים), בדרך כלל 300 הרץ עד 5000 הרץ, ורעש בתדר נמוך, בדרך כלל 50/60 הרץ, מוגדרים כהלכה כדי לאפשר ניתוח לא מקוון.
  4. חשפו את החיה לרעשי רקע לבנים (~68 dB) למשך 7 דקות עם הצגה אקראית של כל סוגי הפולסים, במשך פי 10 מכל סוג (איור 4). איור 4 מדגים חמישה סוגים של פולסים המשמשים בפרוטוקול זה: דופק 1 (קדם דחיפה של 75 dB, מרווח של 30 אלפיות השנייה ודופק של 120 dB), דופק 2 (קדם דחיפה של 85 dB, מרווח של 30 אלפיות השנייה ודופק של 120 dB), דופק 3 (קדם דחיפה של 75 dB, מרווח של 100 אלפיות השנייה ודופק של 120 dB), דופק 4 (קדם דחיפה של 85 dB, מרווח של 100 אלפיות השנייה ודופק של 120 dB), ודופק 5 (דופק בודד של 120 dB).
  5. בתום סשן ההקלטה, כבה את תוכנת הרכישה ונתק את מחבר headstage.

figure-protocol-4
איור 4: סוגי גירויים שמיעתיים. הפעלה מאויירת של 7 דקות של רעש לבן עם 5 סוגים של שילובי קדם-פולסים + פולסים הוצגה באופן אקראי. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

5. ניתוח אלקטרופיזיולוגי והתנהגותי

  1. ייבא את הנתונים הגולמיים המכילים נתוני מוח, תאוצה וגירויים אקוסטיים בפלטפורמת עיבוד אותות. חלץ תקופות המתרכזות בכל גירוי אקוסטי.
  2. נרמל את האמצעים בהתאם להשוואת ערכים בין בעלי חיים. השתמש בדופק הבודד (דופק 5 בפרוטוקול זה) כתגובה המקסימלית ונרמל את הרפלקס לפולסים אחרים לערך זה.
  3. קחו בחשבון את משרעת ההבהלה עבור פולס 5 כ-100% ואת הפולסים האחרים כפונקציה של פולס 5.
    הערה: המשרעות מופקות באמצעות ריבוע השורש הממוצע (RMS) של שלושת צירי מד התאוצה (איור 5A) כדי לבטא את גודל ההבהלה (איור 5B) בקבוצה של n ערכים. ה-RMS היא נוסחה מתמטית20, כאשר:
    figure-protocol-5
    ax = מד תאוצה ציר x, ay = ציר y של מד תאוצה, az = ציר z של מד תאוצה
    t = תחילת הגירוי האקוסטי בתוספת 200 אלפיות השנייה
    n = ערכי אוסף
    כדי לחשב את אחוז הבהלה של RMS של פולסים 1 עד 4 הקשורים לפולס 5:
    figure-protocol-6
    דופק RMS = RMSstartle עבור הדופק 1, 2, 3, 4
    RMS pulse5 = RMSstartle עבור הדופק 5
  4. השתמש ב-TTLs שנשלחו למערכת רכישת הנתונים העצביים כדי לנתח נתוני מוח סביב הגירויים האקוסטיים ותגובות הרפלקס בהתאם.

figure-protocol-7
איור 5: נתוני מד-תאוצה תלת-צירי ו-RMS. (A) נתוני מד תאוצה תלת-צירי להמחשה (ציר x, y, z (g)) תועדו במהלך 6 דקות של גירוי רעש לבן אקראי של 80 PPI. (B) חישוב RMS מבהיל משלושת צירי מד התאוצה (x, y, z עמודה אפורה מודגשת, מורחבת ב-B). אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

עיכוב קדם-פולס לא הראה הבדל עבור דופק 1 ו-3 בהשוואה לפולס 5 (120dB בלבד), אך הראה הבדל סטטיסטי עבור פולסים 2 ו-4 (p < 0.05) (איור 6).

figure-results-1
איור 6: אמפליטודות תגובה ממוצעות לגירוי השמיעתי בחמשת סוגי הפולסים. PPI% מהפולסים 1 ו-3 אינם שונים מדופק 5. PPI% מהפולסים 2 ו-4 (...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

פרוטוקול זה הציג קופסה התנהגותית עשה זאת בעצמך כדי לחקור משימות עיכוב קדם-דופק בחולדות Wistar המתנהגות בחופשיות תוך רישום נתוני מוח (בדוגמה זו, פוטנציאל שדה מקומי ופעילות זינוק). ניתן לבנות את הקופסה ולהתאים אותה עם רכיבים הנפוצים במעבדות מדעי המוח, ובכך להיות נגישה וזולה. פתרונות עשה זאת בעצמך כאלה מאפשרים גם גמישות רבה יותר בעיצוב והתאמה אישית של ניסויים.

ניתן לראות יתרונות רבים בשימוש במערכת עשה זאת בעצמך, כולל עלות נמוכה וקלות שימוש. תוכנה וחומרה בקוד פתוח...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

המחברים מצהירים שאין להם אינטרסים פיננסיים מתחרים.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

אדית גרנדוס, Cinvestav Guadalajara, על תמיכתה האדיבה בפרויקט זה עם סקריפטים PPI וסנכרון נתונים. עבודה זו מומנה על ידי מכון סנטוס דומונט, משרד החינוך, CNPq, CAPES ו-FINEP.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
קופסת אקריליקבהתאמה אישיתיריעת אקריליק בעובי 5 מ"מ, 20 ס"מ על 25 ס"מ על 25 ס"מ
רפידות פגוש גומי דביקותחצץ גורילהMPU6050 קוטר 0.8 אינץ' וגובה 0.38 אינץ'. רפידות גומי לייצוב קופסת האקריליק ולבידוד מרטט חיצוני. הגובה צריך להיות יותר מ-5 מ"מ בגלל MPU6050 מתחת לקופסה.
ארדואינו אונוארדואינוATmega328P לוח מיקרו-בקר Arduino המבוסס על ה- ATmega328P עם 14 פיני כניסה/יציאה דיגיטליים, 6 כניסות אנלוגיות ומהירות שעון של MHz 16.
גשש גירוי ארז (גלאי שמע)ארזhttps://cedrus.com/stimtracker/index.htmגשש גירוי ארז מזהה גירויים אקוסטיים ושולח סמני TTL לנתוני מד תאוצה.
מערכת המחקר של סינפלקספלקסוןhttps://plexon.com/plexon-systems/cineplex-behavioral-research-system/הקלטת וידאו של החיה מסונכרנת עם נתונים אלקטרופיזיולוגיים.
דבק ציאנואקרילטMPU6050דבק סופר לחיבור חזק של MPU6050 מתחת לקופסה.
מד ידית קול דיגיטלימד דציבלים לכיול הגירויים שנקבעו לפני הניסוי.
יבמ SPSSSPSS (חבילה סטטיסטית למדעי החברה, ארה"ב)פלטפורמת התוכנה IBM SPSS Statistics.
מטלבמת'וורקסhttps://www.mathworks.com/products/matlab.htmlפלטפורמת MATLAB לניתוח נתונים, פיתוח אלגוריתמים ויצירת מודלים.
בורג מיקרו נירוסטהברגי משקפיים בקוטר 1.2 מ"מ ואורך 4 מ"מ.
מערך מיקרו-אלטרודהבבית בהתאמה אישיתהוא משתמש במחבר אומנטיקה ובחוטי טונגסטן 50 מיקרון המצופים בפארילן של California Fine Wire.
מיקרופוןמיקרופון לרכישת גירוי אקוסטי המסונכרן עם נתונים אלקטרופיזיולוגיים
MPU-6050InvenSensehttps://invensense.tdk.com/products/motion-tracking/6-axis/mpu-6050/MPU-6050 הוא גירוסקופ בעל 3 צירים ומד תאוצה בעל 3 צירים 
מעבד רכישה רב-ערוצי פלקסוןספייק/LFPMAP Plexon לרכישת נתונים אלקטרופיזיולוגיים עצביים SPIKE/LFP וערוצי עזר (מיקרופון, סמני TTL, מד תאוצה).
נוירואקספלוררנקס https://www.neuroexplorer.com/תוכנת ניתוח נתונים של NeuroExplorer של אותות וחותמות זמן שהוקלטו באופן רציף (רכבות ספייק, אירועים התנהגותיים)
נוירואקספלוררNex Technolgiehttps://www.neuroexplorer.com/תוכנה לניתוח נתונים נוירופיזיולוגיים SPIKE ו-LFP.
סדרן לא מקווןפלקסוןhttps://plexon.com/products/offline-sorter/#38957t34842תוכנה למיון ספייק לא מקוון.
OffLineסדרןסדרן לא מקווןhttps://plexon.com/products/offline-sorter/סדרן לא מקוון היא תוכנת מיון ספייק לא מקוונת
חיישן SpO2 וטרינרי רקטליKTMEDFS-03חיישן SpO2 לבעלי חיים קטנים
כבל סרטכבל סרט דק לחיבור MPU6050 ל- Arduino.
תרגיל רובוטינוירוסטארhttps://robot-stereotaxic.com/drill-injection-robot/מקדחה רובוטית בשימוש עם Neurostar stereotaxic. ניתן להחליפו במקדחה ידנית.
רמקוללרמקול טווח של 100 עד 40 קילו-הרץ ועוצמה של עד 150 dB.
מנגנון סטריאוטקסינוירוסטארסטריאוטקסי המשמש לנוירוכירורגיה במכרסמים

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Braff, D. L., et al. Impact of prepulse characteristics on the detection of sensorimotor gating deficits in schizophrenia. Schizophr Res. 49 (1-2), 171-178 (2001).
  2. Jahshan, C., et al. Automatic sensory information processing abnormalities across the illness course of schizophrenia. Psychol Med. 42 (1), 85-97 (2012).
  3. Oranje, B., Geyer, M. A., Bocker, K. B., Kenemans, J. L., Verbaten, M. N. Prepulse inhibition and P50 suppression: Commonalities and dissociations. Psychiatry Res. 143 (2-3), 147-158 (2006).
  4. Geyer, M. A., Swerdlow, N. R. Measurement of startle response, prepulse inhibition, and habituation. Curr Protoc Neurosci. 3 (1), 8.7(1998).
  5. Braff, D. L., Grillon, C., Geyer, M. A. Gating and habituation of the startle reflex in schizophrenic patients. Arch Gen Psychiatry. 49 (3), 206-215 (1992).
  6. Grillon, C., Ameli, R., Charney, D. S., Krystal, J., Braff, D. L. Startle gating deficits occur across prepulse intensities in schizophrenic patients. Biol Psychiatry. 32 (10), 939-943 (1992).
  7. Kumari, V., Soni, W., Sharma, T. Normalization of information processing deficits in schizophrenia with clozapine. Am J Psychiatry. 156 (7), 1046-1051 (1999).
  8. Weike, A. I., Bauer, U., Hamm, A. O. Effective neuroleptic medication removes prepulse inhibition deficits in schizophrenia patients. Biol Psychiatry. 47 (1), 61-70 (2000).
  9. Swerdlow, N. R., Braff, D. L., Geyer, M. A., Koob, G. F. Central dopamine hyperactivity in rats mimics abnormal acoustic startle response in schizophrenics. Biol Psychiatry. 21 (1), 23-33 (1986).
  10. Wenzel, T. Open hardware: From DIY trend to global transformation in access to laboratory equipment. PLoS Biol. 21 (1), e3001931(2023).
  11. Longley, M., Willis, E. L., Tay, C. X., Chen, H. An open-source device for operant licking in rats. Peer J. 5, e2981(2017).
  12. Ribeiro, M. W., et al. OBAT: An open-source and low-cost operant box for auditory discriminative tasks. Behav Res Methods. 50 (2), 816-825 (2018).
  13. Wong, C. C., Ramanathan, D. S., Gulati, T., Won, S. J., Ganguly, K. An automated behavioral box to assess forelimb function in rats. J Neurosci Methods. 246, 30-37 (2015).
  14. White, S. R., Amarante, L. M., Kravitz, A. V., Laubach, M. The future is open: Open-source tools for behavioral neuroscience research. eNeuro. 6 (4), (2019).
  15. Bridge, E. S., et al. An Arduino-based RFID platform for animal research. Front Ecol Evol. 7, 257(2019).
  16. Chen, X., Li, H. ArControl: An Arduino-based comprehensive behavioral platform with real-time performance. Front Behav Neurosci. 11, 244(2017).
  17. Oliveira Silva, J. W., Lima, R. A., Morya, E., Brasil, F. L., Gonçalves, L. M. G. Improved behavioral box and sensing techniques for analysis of tactile discrimination tasks in rodents. Sensors. 23 (1), 288(2022).
  18. Gage, G. J., et al. Surgical implantation of chronic neural electrodes for recording single unit activity and electrocorticographic signals. J Vis Exp. (60), e3565(2012).
  19. Andreoli, L., Simplício, H., Morya, E. Egg model training protocol for stereotaxic neurosurgery and microelectrode implantation. World Neurosurg. 111, 243-250 (2018).
  20. Althobaiti, T., Katsigiannis, S., Ramzan, N. Triaxial accelerometer-based falls and activities of daily life detection using machine learning. Sensors (Basel). 13, 3777(2020).
  21. Heidbreder, C., et al. Behavioral, neurochemical, and endocrinological characterization of the early social isolation syndrome. Neuroscience. 100 (4), 749-768 (2000).
  22. Weiss, I. C., Iorio, L. D., Feldon, J., Domeney, A. M. Strain differences in the isolation-induced effects on prepulse inhibition of the acoustic startle response and on locomotor activity. Behav Neurosci. 114 (2), 364(2000).
  23. Cromwell, H. C., Klein, A., Mears, R. P. Single unit and population responses during inhibitory gating of striatal activity in freely moving rats. Neuroscience. 146, 69-85 (2007).
  24. Kosobud, A. E., Harris, G. C., Chapin, J. K. Behavioral associations of neuronal activity in the ventral tegmental area of the rat. J Neurosci. 14, 7117-7129 (1994).
  25. Carcea, I., Insanally, M. N., Froemke, R. C. Dynamics of auditory cortical activity during behavioural engagement and auditory perception. Nat Commun. 8, 14412(2017).
  26. Rosa, M., et al. Routine post-weaning handling of rats prevents isolation rearing-induced deficit in prepulse inhibition. Braz J Med Biol Res. 38 (11), 1691-1696 (2005).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Prepulse InhibitionBehavioral BoxPsychiatric Animal ModelsSensory GatingStartle ResponseElectrophysiological RecordingSocial Isolation RodentsNeural ActivityAccelerometer DataLocal Field Potential

Related Articles