מבחן אובייקטיבי, לשחזור של למידה חוש הריח ואפליה בעכברים
March 22nd, 2018
כאן, אנחנו מאמנים עכברים בפעילות associative learning כדי לבדוק את ריח אפליה. פרוטוקול זה מאפשר גם במחקרים על למידה-induced שינויים מבניים במוח.
המטרה הכוללת של פרוטוקול ההתנהגות הזה היא לאמן עכברים כך שהם יקשרו ריח אחד לפרס, וריח אחר לעונש. שיטה זו יכולה לעזור לענות על שאלות מפתח בתחום מדעי המוח, כגון למידה, פלסטיות סינפטית והבחנה חושית. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא שלאחר האימון, עכברים מבצעים מאות ניסויים תוך שעות לדגימה סטטיסטית חזקה.
ההשלכות של טכניקה זו משתרעות על טיפול או אבחון של מחלות ניווניות, מכיוון שחומרת תפקוד הריח מנבא ירידה קוגניטיבית לאחר מכן בבני אדם. למרות ששיטה זו יכולה לספק תובנה לגבי חוש הריח, ניתן ליישם אותה גם על מערכות אחרות, כגון ראייה או שמיעה. הדגמה חזותית של שיטה זו היא קריטית, מכיוון שהשלבים הראשוניים הן להגדרת תא ההתנהגות והן לשימוש בתוכנה קשים ללמידה, בגלל יציאות חיבור ושלבי אימון שונים.
כדי להתחיל, הרכיבו תא עכבר עם רצפת החדר. שמור את תיבת האימונים באזור עם תנועה נמוכה ומואר עמום כדי למנוע הסחות דעת. לאחר מכן, קדחו כל יציאת מים עם חור קטן למעלה, כדי לאפשר למחט בגודל 18 להוציא מים בתוך היציאה.
מלאו בקבוקון זכוכית בריח מומס בשמן מינרלי, והדקו היטב את המכסה. לאחר מכן, חבר מחט בגודל 18 לצינור הסיליקון. נקב את מכסה בקבוקון הזכוכית, וחבר את הקצה השני של צינור הסיליקון לכניסת יציאות הריח.
לאחר מכן, הנח כל צינור סיליקון לשסתום ריח. חבר את קו הוואקום ליציאות הריח. חבר שני מזרקים של 10 מיליליטר למוט אחיזה ממתכת, וחבר את הצינור למזרקים.
לאחר מכן, חבר את הצד השני של הצינור למחט בגודל 18. הכנס את המחט לחור הקדוח של יציאת תקיעת האף בתא העכבר, וחבר את הקצה השני של הצינור לשסתום המים. מלאו את שני המזרקים של 10 מיליליטר במי שתייה של מכרסמים.
לאחר מכן חבר מד זרימת אוויר לכניסת האוויר, ושמור על זרימת אוויר בשלושה עד חמישה ליטר לדקה. חבר את שני שסתומי המים, שני שסתומי ריח, שתי יציאות מים, יציאת ריח וחשמל למערכת ממשק ה-USB. ולבסוף, חבר את תיבת ממשק ה-USB לחשמל.
לאחר מכן, כוונן את יניקת הוואקום כדי למנוע זיהום צולב של ריחות בין ניסויים, והשתמש בצינורות ספציפיים לריח כדי לחבר בקבוקוני ריח לתא. כדי להכין את העכברים לאימון, התחל בהגבלת מים ב -40 מיליליטר לק"ג ליום. שקלו את העכברים מדי יום כדי לוודא שהם מעל 80% ממשקלם הבסיסי, ושמרו על כל הגורמים הסביבתיים קבועים לאורך כל הפרוטוקול, כולל טמפרטורה, רעש וריחות תועים.
נקה את הכלוב לפני שכל עכבר מועבר אליו. רססו ונגבו את החדר באתנול 70% כדי למזער את הסחת הדעת של ריח העכבר. עבור אימון שלב ראשון, הגדר את תיבת ההתנהגות עם יציאת מים במרכז, וכאשר כל יציאות הצד אינן נגישות.
הכנס עכבר לתא וסגור אותו. לאחר מכן, התחל את תוכנית השלב הראשון. שקול שלב זה כמושלם כאשר העכבר משיג 100 ניסיונות תוך 60 דקות.
הוצא את העכבר מהתא לאחר 60 דקות, או שהושלמו 100 ניסיונות. עבור אימון שלב שני, הגדר את השלב הזה וכל שלב שלאחר מכן עם שתי יציאות מים בצדדים ויציאת הריח באמצע. הכנס עכבר לתא וסגור אותו.
לאחר מכן, התחל את תוכנית השלב השני. קחו בחשבון את השלב הזה כמושלם כאשר מינימום של 40 ניסויים מבוצעים ב-60 דקות, כאשר לפחות 25% מתגמולי המים מתקבלים תוך חמש שניות מרגע תקיעת האף של היציאה המרכזית. הסר את העכבר לאחר השלמת שלב זה.
לאימון שלב שלישי, חבר את ריח ה-S-plus לבקר אספקת הריחות. הכנס עכבר לתא וסגור אותו. לאחר מכן, התחל את תוכנית השלב השלישי.
קחו בחשבון את השלב הזה כמושלם כאשר יש יותר מ-60 פרסים תוך 60 דקות, והסירו את העכבר לאחר שהשלב התחרת. עבור אימון שלב 4-A, הגדר את תצורת התיבה זהה לשלב השלישי הקודם. לאחר מכן, חבר גם את ריח ה-S-plus וגם את הריח S-minus לבקר אספקת הריחות.
הכנס עכבר לתא וסגור אותו. לאחר מכן, התחל את תוכנית שלב 4-A. לאחר שהעכבר משלים 40 ניסיונות, החלף את התוכנית כדי לספק את הריחות באופן אקראי.
הסר את העכבר לאחר השלמת ה-stagה. עבור אימון שלב 4-B, הפוך את השלב הזה לזהה לשלב 4-A. עם זאת, עונש פסק הזמן על ניסיון פרס מים לאחר ריח S מינוס הוא ארבע שניות.
חבר גם את ריח ה-S-plus וגם את ה-S-מינוס לבקר אספקת הריחות. הכנס עכבר לתא. סגור את תא העכבר והתחל את תוכנית השלב הרביעי-ב'.
קחו בחשבון ששלב זה הושלם כאשר יש יותר מ-100 ניסויים תוך 60 דקות, עם דיוק של יותר מ-85%עבור בדיקת go/no-go, הגדר את תצורת התיבה זהה לשלב הקודם 4-B. חבר גם את ריח ה-S-plus וגם את ה-S-מינוס לבקר אספקת הריחות. לאחר מכן, הנח עכבר לתוך החדר.
התחל את תוכנית השלב go/no-go ואז חשוף את העכבר שלמד את משימת לימוד הריח לזוגות חדשים של ריחות דומים מבחינה כימית. לאחר שהעכברים למדו את משימת לימוד הריח, הם יכולים לקשר זוגות ריח חדשים עם שכר ועונש. עכברים מאומנים אלה מתחילים בדרך כלל עם דיוק של כ-50% במשימת ה-go/no-go.
ניתן לשרטט את האחוז הנכון על ידי בלוק ניסיון כעקומת למידה עבור זוגות ריחות חדשים. בתוך 10 ניסויי חסימה, עכברים מסוגלים להבחין נכון בין ריחות, עם דיוק של יותר מ-85%. זה מראה שהפרוטוקול שלנו אימן בהצלחה עכברים מסוג פרא לקשר ריח אחד לפרס מים ואחר לעונש פסק זמן.
ברגע שהעכברים לומדים את המשימה, ניתן לשנות זוגות ריחות כדי להגדיל או להקטין את קושי המשימה. לדוגמה, הפחתת ריכוז זוג הריחות מגדילה את קושי המשימה. עכברים מסוגלים גם לזכור זוגות ריחות שנלמדו בעבר.
לאחר המתנה של שבעה ימים מאז שלמדו את המשימה, מבחן היזכרות מראה שעכברים מסוג בר יכולים לזכור במהירות אסוציאציות ריח שנלמדו בעבר. בעת ניסיון הליך זה, חשוב לזכור לוודא שהריחות הרצויים מחוברים כראוי לתיבת ההתנהגות. זה חשוב במיוחד אם מספר נסיינים משתמשים בריחות שונים.
בעקבות הליך זה, ניתן לבצע שיטות אחרות כמו מיפוי ריחות על מנת לענות על שאלות נוספות כמו, כיצד למידה משפיעה על האופן שבו מידע חושי מיוצג על ידי המוח? לאחר פיתוחה, טכניקה זו סללה את הדרך לחוקרים בתחום מדעי המוח לחקור שינויים עצביים הנגרמים על ידי למידה במערכת הריח של העכבר. לאחר צפייה בסרטון זה, אתה אמור להבין היטב כיצד ללמד עכברים לקשר ריח אחד לפרס וריח אחר לעונש.
אל תשכח שעבודה עם מחטים חדות עלולה להיות מסוכנת ביותר, ותמיד יש לנקוט באמצעי זהירות כגון סילוק נכון של חפצים חדים בעת ביצוע הליך זה.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
סקירה
מחקר זה חוקר אבחנת ריחות באמצעות משימת למידה אסוציאטיבית בעכברים, תוך התמקדות בשינויים מבניים הנגרמים מלמידה במוח. הטכניקה בוחנת שאלות מדעיות מרכזיות בתחום מדעי המוח כגון אבחנת חושים ופלסטיות סינפטית.
רכיבי מחקר עיקריים
תחום המדע
- מדעי המוח
- חוש הריח
- למידה התנהגותית
רקע
- פרוטוקולי למידה אסוציאטיבית הם מכריעים בחקר תפקודים קוגניטיביים.
- אבחנת ריחות ממלאת תפקיד מרכזי בעיבוד חושים בקרב יונקים.
- הבנת התנהגות הריח בעכברים עשויה להיות קשורה לירידה קוגניטיבית אצל בני אדם.
- שיטה זו יכולה להתאים למערכות חושיות אחרות כמו ראייה ושמיעה.
מטרת המחקר
- לאמן עכברים לשייך ריחות לתגמולים ועונשים.
- לחקור עיבוד חוש הריח והשלכותיו על מחלות ניווניות.
- לפתח מבחן התנהגותי חזק לניתוח סטטיסטי של למידה.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- עכברים מאומנים באמצעות תא התנהגותי מוגדר במיוחד.
- האימון כולל שלבים שונים, תוך הערכת הדיוק באבחנת ריחות.
- לא מוזכרים זרימות עבודה של מולטי-אומיקס.
- שלבים קריטיים כוללים הגבלת מים כדי לנהל מוטיבציה וקריטריונים להשלמת השלבים.
- הנהלים כוללים התקנה יסודית של מערכות אספקת ריחות ופרוטוקולי מיזוג.
תוצאות עיקריות
- עכברים לומדים בהצלחה לשייך ריחות שונים לתגמולים או עונשים.
- האימון מאפשר דגימה סטטיסטית גבוהה באמצעות ניסויים חוזרים.
- הדיוק באבחנת ריחות מתקרב ל-85% לאחר האימון.
- התוצאות מצביעות על כך שניתן להעריך למידת חוש הריח ביעילות באמצעות פרוטוקול זה.
מסקנות
- הפרוטוקול מדגים שיטה אמינה לחקר למידה אסוציאטיבית בתחום חוש הריח.
- גישה זו עשויה להציע תובנות לגבי אסטרטגיות טיפוליות למחלות ניווניות.
- הממצאים משפרים את ההבנה של מנגנוני אבחנת חושים אצל יונקים.
שאלות נפוצות
Executive Industry Relevance
This protocol enables high-throughput, quantitative assessment of olfactory learning and discrimination in mice, providing a robust behavioral readout for target validation in neuroscience drug discovery. By supporting mechanistic de-risking of olfactory circuit function and plasticity, it informs early-stage hypothesis testing for compounds targeting neurodegenerative or sensory processing disorders. The assay’s reproducibility and scalability facilitate cross-functional alignment between discovery biology and translational research teams.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses related to olfactory learning, synaptic plasticity, and sensory discrimination mechanisms.
- Operational Value: Supports biological de-risking by quantifying odor association learning and memory retention in a controlled, reproducible system.
- Predictive Value: Generates quantitative behavioral data (e.g., accuracy rates, learning curves) that aid in portfolio triage and go/no-go decisions for CNS-targeted compounds.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Produces validated biological systems (trained mice) capable of hundreds of automated trials daily, enabling reliable compound evaluation.
- Standardization: Ensures reproducibility through strict environmental controls, water restriction protocols, and stage-based training criteria.
- Scalability: Facilitates high statistical sampling and longitudinal studies, supporting assay adaptation for dose-response or time-course screening.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Aligns with human olfactory dysfunction as a predictive biomarker of cognitive decline, supporting translational continuity from mouse models to clinical risk assessment.
- Mechanistic De-risking: Enables study of activity-dependent neuronal survival and plasticity, linking behavior to downstream biochemical, electrophysiological, or imaging readouts.
- Risk-Adjusted Advancement: Supports decisions on compound effects on learning-induced neural changes, reducing late-stage biological risk in sensory or neurodegenerative programs.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum from early target validation through preclinical validation, particularly for projects focused on olfactory processing, sensory discrimination, or neurodegenerative disease mechanisms.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by measuring how odor learning alters neural structure and function.
- Screening: Delivers quantitative, reproducible outputs (trial accuracy, learning curves) that enable comparison across experimental conditions or genetic models.
- Analytics: Provides statistical learning curves and discrimination thresholds that help teams assess compound effects on sensory processing and memory.
- Translational Research: Connects to preclinical validation through alignment with human olfactory biomarkers predictive of cognitive decline.
- Enterprise Reuse: Functions as a reusable behavioral platform for iterative testing across multiple compounds, genotypes, or environmental manipulations.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation by reducing mechanistic ambiguity in olfactory learning and plasticity pathways.
- Operational Value: Delivers standardization, reproducibility, and scalability through automated trial performance and strict procedural controls.
- Strategic Value: Improves capital efficiency by enabling early de-risking of CNS targets and reducing failure risk in later stages.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of compounds based on effects on learning, memory, and sensory discrimination.
Implementation Considerations
- Requires expertise in behavioral neuroscience, olfactory system anatomy, and operant conditioning techniques.
- Depends on specialized instrumentation including odor delivery systems, water valves, vacuum lines, and USB interface controllers.
- Necessitates cross-team standardization of environmental controls (odor, noise, temperature) and training protocols to ensure reproducibility.
- Involves adaptation considerations when transferring protocols across mouse strains, ages, or odorant physicochemical properties.
- Includes practical limitations such as setup complexity, needle hazards, and the need for consistent animal handling to avoid distraction or stress confounds.
