Automatizzato, Quantitative cognitivo / comportamentale Proiezione di topi: per la genetica, farmacologia, Animal Cognition e istruzione laurea

L'obiettivo generale del seguente esperimento è quello di esaminare topi geneticamente e farmacologicamente manipolati per malfunzionamenti e meccanismi cognitivi di base. Ciò si ottiene effettuando misurazioni psicofisiche di proprietà quantitative fisiologiche significative in un sistema di fenotipizzazione comportamentale ad alta produttività 24 ore su 24, 7 giorni su 7, completamente automatizzato. Il passo successivo consiste nell'analizzare e rappresentare graficamente i dati in arrivo quasi in tempo reale, il che consente il controllo automatizzato in tempo reale dei test su base mouse-by-mouse.

Successivamente, i dati grezzi, il codice del protocollo di test e tutte le statistiche intermedie vengono archiviate in un'unica struttura dati. Al fine di rendere i dati disponibili al pubblico e incoraggiare ulteriori analisi, i risultati mostrano alterazioni specifiche della deformazione nella frazione di vapore temporale in base all'attività di commutazione. Il vantaggio principale di questa tecnica rispetto ad altri metodi, come il labirinto d'acqua, è che offre risultati fisiologicamente significativi, una produttività molto elevata e nessuna manipolazione dei topi.

Quindi questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave nel campo della neurogenetica cognitiva, come ad esempio ci sono ceppi mutanti che hanno meccanismi di temporizzazione degli intervalli quantitativamente alterati? Le implicazioni di questa tecnica si estendono alla terapia o alla diagnosi dei deficit cognitivi genetici perché può portare alla scoperta di geni che specificano componenti critici di questi meccanismi. Gli individui che non conoscono questo metodo devono comprendere le basi della programmazione MATLAB e comprendere il potere dei test psicofisici automatizzati quantitativi.

Adam ed io abbiamo avuto l'idea di creare questo sistema quando abbiamo visto la natura laboriosa e non quantitativa dei test che venivano eseguiti su topi geneticamente manipolati. Impostare il sistema di test comportamentali in una stanza di laboratorio standard con 10 armadi per stanza e otto ambienti di test per armadio. Ciò consente di far funzionare 80 mouse contemporaneamente. Ogni ambiente di test è costituito da una vasca per topi in polipropilene collegata da un tubo acrilico a una scatola di test per topi.

La scatola di prova ha tre tramogge, che sono monitorate da raggi infrarossi. Le due tramogge esterne sono dotate di alimentatori di pellet collegati e possono erogare pellet di cibo, mentre la tramoggia centrale non eroga pellet di cibo. I cavi che passano attraverso una porta in una parete di partito, collegano gli ambienti di test alle schede di interfaccia elettrica e ai computer dedicati in un'altra stanza, che eseguono i programmi di controllo del protocollo.

È necessario un computer ogni due armadietti. Questi computer sono collegati tramite una rete locale a un server che esegue il software di analisi dei dati e grafica. Configurare la rete locale in modo che il server su cui è installato il software di analisi dei dati possa accedere ai dischi rigidi dei computer che controllano gli ambienti di test.

Quindi, stabilire un account di sincronizzazione dei file per l'archiviazione dei dati nel cloud. Aggiungere la cartella di sistema TS e le relative sottocartelle al percorso di ricerca MATLAB e assicurarsi che la cartella di sistema TS sia una cartella sincronizzata nel cloud. Il sistema TS è una libreria software open source di oltre 30 funzioni di alto livello scritte in MATLAB che facilitano la creazione di complessi codici di analisi dei dati e di rappresentazione grafica dei dati.

Nella casella degli strumenti del sistema TS chiamare la funzione Ts iniziare a creare la struttura dati gerarchica in cui i dati grezzi e tutti i risultati da essi derivati verranno inseriti dalle altre funzioni nella casella degli strumenti del sistema TS. Successivo chiama ts add protocol per specificare i parametri di controllo per un protocollo sperimentale per specificare il codice decisionale che automatizzerà la decisione di terminare il protocollo e passare a quello successivo e specificare i criteri decisionali da utilizzare. Ora, posiziona i mouse nei 24 7 ambienti di test live-in, un mouse per ambiente.

Annotare il numero ID dei topi, il numero della scatola e la lettera che identifica il computer di controllo dell'esperimento sulla rete locale e il suo indirizzo IP. Chiamata successiva, ts start session per avviare la sessione sperimentale. Le sessioni sperimentali durano una o due settimane, durante le quali vengono eseguiti diversi protocolli di test comportamentali.

Quindi ad un computer di controllo chiamare la macro che avvierà tutte le caselle controllate da quel computer. Questa macro è stata creata dalla sessione di avvio di TS. Ripetere l'operazione sugli altri computer di controllo.

L'analisi dei dati può essere eseguita scrivendo nuovo codice di analisi dei dati e grafici utilizzando i comandi nella casella degli strumenti del sistema TS o utilizzando o modificando il codice di analisi dei dati e grafici esistente fornito nella libreria Ts. Una volta iniziato, l'esperimento si svolge per lo più da solo, anche se è necessario un certo monitoraggio per tutta la durata dell'esperimento. Monitora la posta elettronica per gli avvisi provenienti dal programma di analisi dei dati del sistema TIA che indicano possibili malfunzionamenti delle apparecchiature come interruzioni di corrente, controllo spontaneo, riavvii del computer e malfunzionamenti dell'alimentatore di pellet.

Questi avvisi via e-mail consentono una riparazione tempestiva del malfunzionamento da due a quattro volte al giorno di studio. Grafici delle prestazioni che il codice di analisi dei dati del sistema TS produce ogni volta che viene chiamato dal timer di analisi. Questi appezzamenti possono essere monitorati da qualsiasi parte del mondo in qualsiasi momento e, se necessario, il protocollo sperimentale può essere rivisto online a distanza dal sito in cui i topi vengono testati.

Utilizzare anche il browser TS per studiare i dati e le statistiche riassuntive nella struttura gerarchica dei dati man mano che diventano disponibili in tempo quasi reale: i grafici di squilibrio cumulativo per i pellet ottenuti, indicati come reddito, sono tracciati in rosso e la durata della visita è tracciata in nero per tre topi wild type e tre eterozigoti L one. Un'inversione del programma si è verificata nel punto in cui le pendenze sono state distrutte verso il basso, contrassegnate da linee rosse verticali per tre dei topi. La pendenza del grafico dello squilibrio cumulativo delle visite, la linea nera segue da vicino la pendenza dello squilibrio del reddito cumulativo.

La linea rossa, indica una corrispondenza quasi perfetta tra il rapporto tra la durata media delle visite e il rapporto tra i redditi. Si noti la rapidità con cui il rapporto tra la durata delle visite si adatta alla variazione del rapporto tra i redditi nei punti di flessione verso il basso. D'altra parte, un altro topo non è riuscito a corrispondere durante le seconde sessioni di alimentazione, come mostrato dalla pendenza zero della visita cumulativa.

Grafico dello sbilanciamento di durata in nero, mentre la pendenza dello squilibrio di reddito in rosso è sostanzialmente positiva. Tuttavia, durante la terza fase di alimentazione, le pendenze sono parallele, il che significa che questo topo ha iniziato bruscamente all'inizio di questa fase per abbinare il suo rapporto di visite al rapporto di reddito. Chiaramente, quindi, era in grado di farlo, ma non lo ha fatto per qualche motivo durante una parte dei test.

Ciò illustra l'importanza di visualizzare l'intero corso delle prestazioni piuttosto che fare affidamento interamente su alcune statistiche riassuntive. Questo topo corrispondeva esattamente durante il primo rapporto di reddito, ma quando è stato invertito, il topo non ha invertito completamente un altro topo sovraabbinato durante la terza fase di alimentazione. Vale a dire che il suo squilibrio medio di visite era maggiore del suo squilibrio medio di reddito e non si è completamente adeguato all'inversione dello squilibrio di reddito.

Si noti tuttavia che tutti e sei i topi, sia i tre tipi selvatici che i tre eterozigoti, corrispondevano con precisione durante la primissima fase di alimentazione di quattro ore e mostravano una risposta brusca all'inversione del rapporto di reddito. Ciò dimostra il funzionamento intatto negli eterozigoti di molti meccanismi di base della cognizione, come la durata, la stima, il numero, la stima del tasso di stima, la localizzazione spaziale e la capacità di ricordare semplici quantità astratte. Nella neurogenetica cognitiva, è importante determinare ciò che funziona ancora normalmente quanto scoprire ciò che non funziona o che ha qualche interessante alterazione quantitativa nel suo funzionamento.

I cicli cumulativi o una visita alla tramoggia uno seguita da una visita alla tramoggia due, seguita da un ritorno alla tramoggia uno sono tracciati in funzione del tempo di sessione. Qui le verticali tratteggiate di colore verde scandiscono l'inizio delle fasi di alimentazione. Il segno verticale rosso pieno.

L'offset dell'alimentazione, la rapidità con cui il topo inizia a circolare tra le tramogge è una misura di quella che potrebbe essere chiamata la sua audacia o tendenza all'esplorazione. Cinque dei sei hanno mostrato alcune esplorazioni prima dell'inizio della prima fase di alimentazione e hanno iniziato bruscamente a circolare tra le tramogge non appena è iniziata. Un topo, tuttavia, non ha mostrato alcun comportamento esplorativo, non un singolo ciclo fino a metà della seconda fase di alimentazione, a quel punto ha iniziato bruscamente a circolare tra le tramogge.

L'analisi degli esperimenti di condizionamento strumentale e classico produce registrazioni cumulative delle velocità di inizio della prova. Questi esperimenti hanno misurato il tasso di apprendimento, cioè il numero di accoppiamenti prima della comparsa del comportamento condizionato. Le linee tratteggiate verticali contrassegnano la prova di acquisizione in ogni record.

La prova di acquisizione è la prima prova in cui si verifica un aumento significativo della velocità di avvio della prova, a condizione che la nuova velocità più elevata sia maggiore della velocità del primo segmento. Questa disposizione della scala è necessaria perché a volte c'è una diminuzione significativa prima del primo aumento significativo. Le distribuzioni cumulative delle latenze di inizio dello studio sono mostrate qui.

Il punto sopra l'asse X in cui la linea orizzontale a 0,5 interseca la distribuzione cumulativa è la latenza mediana per avviare una prova. Qui sono mostrate le registrazioni cumulative delle differenze tra la velocità di poking durante la somministrazione di una tramoggia di alimentazione e la velocità di poking durante l'intervallo di prova precedente. Inizialmente, la pendenza di questo record è zero o negativa perché il mouse colpisce meno durante l'illuminazione della tramoggia rispetto all'intervallo tra le prove.

La pendenza diventa positiva quando il topo inizia a infilare nella tramoggia illuminata in previsione dell'imminente consegna dell'appello. I punti solidi segnano il punto in cui la pendenza diventa positiva, che è la prova in cui la risposta condizionata appare per la prima volta in modo affidabile in questi grafici. Le linee blu sono funzioni di distribuzione cumulativa empiriche che mostrano la distribuzione cumulativa delle latenze di commutazione per un mouse a tre diverse impostazioni della latenza di alimentazione nella tramoggia lunga.

Le sottili curve rosse che si sovrappongono quasi esattamente alle funzioni empiriche sono le funzioni di belga a sei parametri che si adattano a questi dati. Le linee rosse pesanti sono le corrispondenti funzioni di densità di probabilità per le distribuzioni di miscela di belga. L'accorciamento della lunga latenza di alimentazione ha fatto sì che il mouse accorciasse la media delle sue latenze di commutazione e aumentasse la loro precisione.

Ha anche causato la comparsa di alcuni interruttori impulsivi, come mostrato dall'urto nella coda sinistra della funzione di densità di probabilità nel grafico in basso. La misura di questa impulsività è la frazione della miscela attribuita al componente weibel dalla versione più adatta della distribuzione della miscela di Weibel Gauss. In questa analisi, le prove brevi sono contrassegnate da piccoli segni più rossi nella parte inferiore del grafico, mentre le prove lunghe sono contrassegnate con piccoli segni più rossi nella parte superiore del grafico.

La variazione della densità delle strisce rosse risultanti in basso e in alto indica la variazione della frequenza relativa delle prove brevi e lunghe. Le latenze dell'interruttore sono contrassegnate da piccoli cerchi aperti. Si noti che quando il rosso in basso diventa più denso, il che significa che le prove brevi sono più probabili, i piccoli cerchi si spostano verso l'alto e quando il rosso in alto diventa più denso, il che significa un aumento della probabilità di prova lunga, i cerchi si spostano verso il basso.

Le linee blu sono le mediane delle distribuzioni. Di seguito è mostrato un grafico raster di 24 ore di eventi comportamentali e ambientali in un periodo di prova di 90 giorni. I punti neri registrano i colpi e i punti rossi e verdi registrano le consegne di pellet alle due tramogge di alimentazione.

I primi triangoli neri registrano le luci spente, mentre i secondi triangoli neri registrano le luci sulla prima colonna di triangoli ciano registrano l'inizio dell'intervallo di alimentazione al crepuscolo, che si verifica un'ora prima del crepuscolo stesso, e la seconda colonna di triangoli ciano registra l'offset dell'intervallo di alimentazione al crepuscolo, che si verifica tre ore dopo lo spegnimento delle luci. Questi triangoli magenta registrano l'inizio non segnato degli intervalli di alimentazione all'alba, che si verifica due ore prima dell'accensione delle luci, e l'ultima colonna di triangoli magenta registra gli offset delle poppate all'alba. L'inizio dell'attività predittiva prima dell'alimentazione al tramonto è contrassegnato da asterischi blu tra i sei e i 15 giorni.

Dopo l'inizio dei test, i topi iniziano a mostrare un'attività di punzecchiatura anticipatoria del cibo nell'ora circa prima dell'intervallo di alimentazione al tramonto, indicando l'istituzione di una memoria circadiana. Gli eterozigoti contenenti una mutazione nel gene L one mostrano una maggiore precisione di temporizzazione dell'intervallo rispetto ai loro controlli di cucciolata wild type. Questa figura traccia le distribuzioni cumulative delle stime di precisione per i controlli wild type come linee continue e i loro compagni di cucciolata zigotica come linee tratteggiate quando vengono eseguiti in blocchi di prove con intervalli sempre più stretti tra i pali temporali, come dimostrato dalle differenze di colore.

Al contrario, gli eterozigoti portatori della mutazione del muso del pipistrello o BFC mostrano una precisione di temporizzazione dell'intervallo inferiore rispetto ai loro controlli ATE wild type. Una volta padroneggiata questa tecnica, il test può essere eseguito in un solo giorno o in un massimo di poche settimane. L'abbinamento richiede solo un giorno di cibo.

L'apprendimento anticipatorio richiede due o tre settimane.