מבחן אובייקטיבי, לשחזור של למידה חוש הריח ואפליה בעכברים
22 במרץ 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.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מחקר זה בוחן אפליה של ריחות באמצעות משימת למידה אסוציאטיבית בעכברים, תוך התמקדות בשינויים מבניים במוח המושרים על ידי למידה. הטכניקה בוחנת שאלות מפתח במדעי המוח, כגון אפליה חושית ופלסטיות סינפטית.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדע
- מדעי המוח
- חוש הריח
- למידה התנהגותית
רקע
- פרוטוקולים של למידה אסוציאטיבית הם מרכזיים בחקר תפקודים קוגניטיביים.
- להבחנה בין ריחות תפקיד מכריע בעיבוד חושי של יונקים.
- הבנת התנהגות חושית של ריח בעכברים עשויה להיות קשורה להידרדרות קוגניטיבית בבני אדם.
- ניתן להתאים שיטה זו למערכות חושיות אחרות, כגון ראייה ושמיעה.
מטרת המחקר
- לאמן עכברים לקשר בין ריחות לבין תגמולים ועונשים.
- לבחון את העיבוד הרהירי ואת השלכותיו על מחלות ניווניות של מערכת העצבים.
- לפתח מבחן התנהגותי אמין לצורך ניתוח סטטיסטי של למידה.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- עכברים מאומנים באמצעות תא התנהגותי המוגדר באופן מיוחד.
- האימון כולל שלבים שונים, המעריכים את הדיוק באבחנת ריחות.
- לא צוינו תהליכי עבודה של מולטי-אומיקה (multiomics).
- שלבים קריטיים כוללים הגבלה של שתיית מים לניהול המוטיבציה וקריטריונים להשלמת השלבים.
- הפרוצדורות כוללות הקמה קפדנית של מערכות להגשת ריחות ופרוטוקולי התניה.
תוצאות עיקריות
- עכברים לומדים בהצלחה לקשר בין ריחות שונים לבין תגמולים או ענישה.
- האימון מאפשר דגימה סטטיסטית גבוהה באמצעות ניסיונות חוזרים.
- הדיוק בהבחנה בין ריחות מגיע לכ-85% לאחר האימון.
- התוצאות מצביעות על כך שניתן להעריך למידה הופית באופן יעיל באמצעות פרוטוקול זה.
מסקנות
- הפרוטוקול מדגים שיטה מהימנה לחקר למידה אסוציאטיבית בחוש הריח.
- גישה זו עשויה לספק תובנות לגבי אסטרטגיות טיפוליות למחלות ניווניות של מערכת העצבים.
- הממצאים משפרים את ההבנה של מנגנוני הבחנה חושית ביונקים.
שאלות נשאלות בשכיחות גבוהה
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
פרוטוקול זה מאפשר הערכה כמותית ובספיקת תפוקה גבוהה של למידה והבחנה ריחית בעכברים, ומספק מדד התנהגותי חסון לתיקוף מטרות בתהליכי גילוי תרופות במדעי העצבים. על ידי תמיכה בהפחתת סיכונים מנגנונית של תפקוד ומסטיות במעגלי הריח, הוא מסייע בבדיקת השערות בשלבים מוקדמים עבור תרכובות המכוונות להפרעות בנוירודגנרציה או בעיבוד חושי. השחזוריות והיכולת להרחבה של הבדיקה מקלות על סנכרון בין-תחומי בין צוותי ביולוגיה של גילוי לצוותי מחקר תרגומי.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביו-פרמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של היפותזות טיפוליות הקשורות ללמידה אולפקטורית (חוש הריח), פלסטיות סינפטית ומנגנוני הבחנה חושית.
- ערך תפעולי: תומך בהפחתת סיכונים ביולוגיים על ידי כימות של למידת אסוציאציה של ריחות ושימור זיכרון במערכת מבוקרת וניתנת לשחזור.
- ערך ניבוי: מייצר נתונים התנהגותיים כמותיים (למשל, שיעורי דיוק, עקומות למידה) המסייעים במיון תיקי פיתוח ובקבלת החלטות go/no-go עבור תרכובות המכוונות למערכת העצבים המרכזית (CNS).
סריקה ופיתוח בדיקה
- מוכנות הבדיקה: מייצר מערכות ביולוגיות מתוקפות (עכברים מאומנים) המסוגלות לבצע מאות ניסויים אוטומטיים מדי יום, מה שמאפשר הערכה מהימנה של תרכובות.
- סטנדרטיזציה: מבטיחה הדירות באמצעות בקרות סביבתיות קפדניות, פרוטוקולים של הגבלת מים וקריטריוני אימון מבוססי שלבים.
- סקלאביליות: מקלה על דגימה סטטיסטית רחבה ומחקרים לרוחב זמן (longitudinal), ותומכת בהתאמת הבדיקה לסריקת תגובה למינון או למסלול זמן.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- רלוונטיות למחלה: תואם למצב של ליקוי בחוש הריח בבני אדם כסמן ביולוגי חזוי לדעימה קוגניטיבית, ובכך תומך ברצף תרגומי ממודלים של עכברים להערכת סיכון קלינית.
- הפחתת סיכונים מנגנונית: מאפשר מחקר של הישרדות נוירונלית ופלסטיות תלויות-פעילות, המקשרות בין התנהגות לבין מדדים ביוכימיים, אלקטרופיזיולוגיים או מדדי דימוי במורד הדרך.
- קידום מותאם סיכונים: תומך בקבלת החלטות לגבי השפעות של תרכובות על שינויים עצביים המושרים על ידי למידה, ובכך מפחית סיכונים ביולוגיים בשלבים מאוחרים בתוכניות מחקר של הפרעות חושיות או מחלות נוירודגנרטיביות.
שילוב תהליכים וזרימת עבודה
השיטה משתלבת ברצף הגילוי, החל מתיקוף מטרות מוקדם ועד לתיקוף פרה-קליני, במיוחד עבור פרויקטים המתמקדים בעיבוד ריח, אפליה חושית או מנגנונים של מחלות ניווניות של מערכת העצבים.
- ביולוגיה של הגילוי: תומכת בבחינת השערות ובבירור מסלולים על ידי מדידת האופן שבו למידת ריחות משנה את המבנה והתפקוד העצביים.
- סריקה: מספקת פלטים כמותיים וניתנים לשחזור (דיוק בניסויים, עקומות למידה) המאפשרים השוואה בין תנאים ניסיוניים או מודלים גנטיים.
- אנליטיקה: מספקת עקומות למידה סטטיסטיות וספי תבחינה המסייעים לצוויות להעריך השפעות של תרכובות על עיבוד חושי וזיכרון.
- מחקר תרגומי: מקשרת לתיקוף פרה-קליני באמצעות התאמה לסמנים ביולוגיים של חוש הריח אצל בני אדם המנבאים ירידה קוגניטיבית.
- שימוש חוזר ארגוני: משמשת כפלטפורמה התנהגותית רב-פעמית לבדיקות איטרטיביות של תרכובות, גנוטיפים או מניפולציות סביבתיות מרובות.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי בתיקוף המטרה על ידי הפחתת העמימות המכניסטית במסלולי למידה ופלסטיות אולפקטורית.
- ערך תפעולי: מספק סטנדרטיזציה, שחזוריות ויכולת הרחבה באמצעות ביצוע ניסויים אוטומטי ובקרות פרוצדורליות קפדניות.
- ערך אסטרטגי: משפר את יעילות ההון על ידי מתן אפשרות להפחתת סיכונים מוקדמת של מטרות CNS והפחתת הסיכון לכישלון בשלבים מאוחרים יותר.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתעדוף מותאם סיכון של תרכובות בהתבסס על השפעות על למידה, זיכרון ואפליה חושית.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות במדעי המוח ההתנהגותיים, באנטומיה של מערכת הריח ובטכניקות של התניה אופרנטית.
- תלוי במיכשור מיוחד הכולל מערכות להגשת ריחות, שסתומי מים, קווי ואקום ובקרי ממשק USB.
- מצריך סטנדרטיזציה בין-צוותית של בקרות סביבתיות (ריח, רעש, טמפרטורה) ושל פרוטוקולי אימון כדי להבטיח שחזור.
- כולל שיקולי התאמה בעת העברת פרוטוקולים בין זני עכברים, גילאים או תכונות פיזיקו-כימיות של חומרי הריח.
- כולל מגבלות מעשיות כגון מורכבות ההקמה, סיכוני דקירה והצורך בטיפול עקבי בבעלי החיים כדי למנוע הפרעות או משתנים מתערבים של סטרס.
