Un operante intra / extra-dimensionale Set-shift attività per Mice
22 gennaio 2016
Le anomalie cognitive di spostamento dell'insieme attentivo sono una caratteristica fondamentale di molte malattie psichiatriche. Qui, presentiamo lo sviluppo di un nuovo sistema automatico per lo studio efficace delle capacità di set-shifting attenzionale, delle funzioni esecutive e di altre abilità cognitive nei topi con un'elevata validità traslazionale per gli studi sull'uomo.
L'obiettivo generale di questo esperimento è creare un compito automatizzato utilizzato per valutare le funzioni esecutive nei topi, che inoltre imita i test neuropsicologici umani originali. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande fondamentali nel campo delle neuroscienze cognitive. Ad esempio, come trattamenti selettivi, cognitivi o farmacologici possano influenzare funzioni cognitive di ordine superiore rilevanti per i disturbi psichiatrici.
I principali vantaggi di questa tecnica sono che è completamente automatizzata. Evita qualsiasi fonte di soggettività. È molto flessibile e otteniamo una serie di risultati molto selettivi.
Le implicazioni di questa tecnica riguardano la diagnosi e il trattamento dei disturbi esecutivi nei disturbi psichiatrici, poiché consente ampie schermate farmacologiche e genetiche rilevanti per i sintomi cognitivi nei disturbi psichiatrici. La dimostrazione visiva di questo metodo è fondamentale, poiché l'impostazione corretta di questo compito è cruciale per un esito positivo dell'esperimento. Preparare i topi per l'esperimento abituandoli all'allevamento singolo e sottoponendoli a una lieve privazione di cibo prima del test, come descritto nel protocollo testuale allegato.
Anche prima del test, assicurarsi che ogni camera dell'apparato disponga di due fori per la presentazione del naso dotati di fasci fotoelettrici a infrarossi e, tra questi, di una food magazine con fasci fotoelettrici in cui un distributore eroga il rinforzo alimentare. Successivamente, preparare stimoli modificabili che variano in tre diverse dimensioni percettive. Un elenco di stimoli suggeriti è riportato nella Tabella Uno del protocollo testuale allegato.
Scegliere cinque coppie di esemplari per ogni dimensione. Per somministrare stimoli olfattivi nei fori per il muso, utilizzare un olfattometro a diluizione. Configurare un olfattometro per controllare due fori per il muso, quindi caricarlo riempiendo le bottiglie degli odori con aromi diluiti uno a venti in olio minerale.
Collegare la pompa d'aria all'ingresso dell'olfattometro e il vuoto alle uscite montate sul dispositivo di inserimento del naso. Successivamente, collegare l'uscita per la somministrazione degli odori a ciascun ingresso del dispositivo di inserimento del naso e regolare la portata a 1,5 litri al minuto. Per gli stimoli visivi, posizionare dei diodi a emissione luminosa in cima a ciascun foro di inserimento del naso e fissarli al pannello metallico della camera.
Collegare ciascun diodo all'interfaccia di uscita. Per gli stimoli tattili, posizionare texture del pavimento intercambiabili su un supporto scorrevole al di sotto di un'apertura di tre per tre centimetri davanti a ciascun foro per la nose poke. Montare le diverse texture in modo che possano essere spostate mediante telai posizionati al di sotto del pavimento.
Prima del test, assicurarsi di seguire le sessioni di addestramento descritte nei protocolli testuali allegati per abituare i topi alla camera di prova e alla procedura. A ogni fase del test effettivo, misurare il tempo impiegato dal topo per effettuare una scelta in ciascuna presentazione, nonché il tempo necessario per ottenere otto scelte corrette su dieci prove consecutive per completare ciascuna fase. Interrompere la sessione giornaliera dopo 40 minuti o se un topo non effettua alcuna risposta per cinque minuti consecutivi.
Terminare la sessione e proseguire il giorno successivo, posizionando il topo allo stesso stadio in cui era stato interrotto. Per il test di discriminazione semplice, presentare ai topi un odore, una luce o una texture che risulterà rilevante in tutti i compiti fino allo spostamento extradimensionale. In questo esempio, vengono presentati due odori, vaniglia e lavanda, e la vaniglia viene scelta come risposta corretta.
Per la discriminazione del composto, introdurre una seconda dimensione, come la luce, che non indica dove si trova la risposta corretta. Rendere lo stato della luce irrilevante rispetto al risultato e mantenere la vaniglia come risposta corretta. Testare questa discriminazione in modo che la vaniglia venga associata sia alla luce blu che alla luce gialla nei test successivi.
Per l'inversione della discriminazione del composto, fate in modo che gli animali imparino che lo stimolo precedentemente corretto ora è errato. Per questo esempio, selezionate la lavanda come risposta corretta, mentre la vaniglia diventa la scelta errata. Ancora una volta, abbinate l'odore corretto sia alla luce blu che alla luce gialla nei test successivi.
In seguito, selezionare uno shift intradimensionale, in cui si verifica un cambiamento totale nel design. Utilizzare fragola e cannella come odori e passare alle luci arancione e bianca. Assicurarsi che i soggetti sottoposti al test seguano la stessa dimensione rilevante per individuare la risposta corretta, ovvero fragola.
Accoppiare l'odore sia alla luce arancione che a quella bianca nei test successivi. Quindi far eseguire ai topi l'inversione dello spostamento intra-dimensionale e sostituire l'odore corretto con quello di cannella. Nuovamente, accoppiare l'odore sia alla luce arancione che a quella bianca.
Per uno spostamento intra-dimensionale, utilizzare le stesse condizioni di prima, ma modificare le coppie di esemplari con i nuovi odori e luci. Ora, eseguire lo spostamento extra-dimensionale introducendo le texture come nuova dimensione rilevante. Aggiungere carta vetrata grossolana all'apertura sotto uno dei fori per il nose poke e carta vetrata fine sotto la seconda apertura.
Nello stesso tempo, presentare due nuovi odori, come limone e albicocca. Impostare il foro con la carta vetrata grossolana corrispondente come risposta corretta. Abbinare la carta vetrata grossolana sia all'odore di limone che a quello di albicocca nei test successivi.
Infine, invertire la risposta corretta in modo che la carta vetrata fine indichi la posizione del foro associato alla risposta corretta. Associare la carta vetrata fine con entrambi gli odori di limone e albicocca nei test successivi. Per il protocollo bidimensionale, ripetere la procedura di blocco fino allo spostamento extradimensionale.
Invece di passare alla texture e all'odore in questo momento, modificare la dimensione pertinente in modo che la luce sia pertinente e l'odore sia irrilevante. Impostare il nuovo passaggio extradimensionale in modo che le luci siano ora rosse e verdi, con la luce verde che funge ora da risposta corretta. L'odore è ora la dimensione irrilevante.
Verificare la luce verde abbinata a entrambi gli odori nelle fasi successive. Per l'inversione, utilizzare gli stessi odori ma invertire in modo che la luce rossa sia ora la risposta corretta. Abbinare la luce rossa a entrambi gli odori nelle fasi successive.
Una volta che un topo ha terminato la sessione, pulire l'allestimento con etanolo al 70% per prepararlo per il topo successivo. Eseguire sempre i test nello stesso ordine, ma variare gli stimoli nei diversi test in modo che ciascuno degli stimoli scelti sia rappresentato in modo equo all'interno dello studio. Inoltre, assicurarsi di bilanciare in modo equo le dimensioni percettive utilizzate all'interno e tra ciascun gruppo sperimentale.
Le discriminazioni visive, tattili e olfattive in questo nuovo apparato hanno richiesto un tempo simile e un numero simile di prove per raggiungere il criterio, suggerendo che gli animali sono in grado di eseguire discriminazioni semplici indipendentemente dalla dimensione presentata. Quando si utilizza il protocollo stuck-in-set, l'analisi delle prestazioni dei topi rivela un effetto di discriminazione per cui i topi hanno avuto bisogno di più prove e più tempo per superare la fase dello spostamento extra-dimensionale rispetto alle fasi della discriminazione composta, dello spostamento intra-dimensionale, dello spostamento intra-dimensionale 2 e del recupero dello spostamento extra-dimensionale. Lo stesso si è verificato nel protocollo a due dimensioni.
Una volta padroneggiato, questo esperimento può essere eseguito in 10-12 giorni, comprese tutte le preparazioni e la sessione di addestramento.
Panoramica
Questo studio presenta un nuovo sistema automatizzato progettato per valutare lo spostamento dell'insieme attentivo e le funzioni esecutive nei topi, offrendo un'elevata validità traslazionale per gli studi cognitivi umani. Il metodo mira a migliorare la comprensione dei disturbi cognitivi nei disturbi psichiatrici.
Componenti Chiave dello Studio
Ambito Scientifico
- Neuroscienze cognitive
- Disturbi psichiatrici
- Valutazione comportamentale
Sfondo
- Il cambiamento dell'insieme attentivo è fondamentale per comprendere la flessibilità cognitiva.
- Le alterazioni cognitive sono diffuse in diverse condizioni psichiatriche.
- I metodi esistenti spesso mancano di automazione e obiettività.
- Questo studio mira a colmare questa lacuna mediante un nuovo approccio automatizzato.
Scopo dello studio
- Sviluppare un compito automatizzato per valutare le funzioni esecutive nei topi.
- Mimetizzare test neuropsicologici umani per una ricerca traslazionale più efficace.
- Facilitare schermature farmacologiche e genetiche su larga scala relative ai sintomi cognitivi.
Metodi Utilizzati
- Apparato automatizzato per test con fori per poke nasali e rinforzo alimentare.
- Utilizzo di stimoli olfattivi, visivi e tattili per valutazioni diversificate.
- Sedute di addestramento per abituare i topi all'ambiente di prova.
- Misurazione dei tempi di risposta e dell'accuratezza durante le prove.
Risultati principali
- Il sistema automatizzato ha valutato con successo lo spostamento dell'attenzione.
- I risultati hanno indicato una significativa flessibilità cognitiva nei topi.
- Il metodo ha dimostrato un'elevata affidabilità e obiettività.
- Possibili implicazioni per la diagnosi e il trattamento dei disturbi esecutivi.
Conclusioni
- Questo approccio automatizzato migliora lo studio delle funzioni cognitive nei topi.
- Fornisce uno strumento prezioso per la ricerca sui disturbi psichiatrici.
- I risultati supportano un'ulteriore esplorazione dei trattamenti cognitivi.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
Questo compito operante automatizzato di cambio di insieme affronta un'importante lacuna nella ricerca neuropsichiatrica preclinica, fornendo una piattaforma oggettiva ad alto rendimento per valutare la flessibilità cognitiva nei topi. Riproducendo da vicino il paradigma umano di identificazione/discriminazione (ID/ED), consente lo screening traslazionale di composti e modelli genetici rilevanti per il malfunzionamento esecutivo in disturbi come la schizofrenia e il disturbo da deficit di attenzione e iperattività (ADHD). Il sistema supporta la riduzione del rischio meccanicistico e conferisce maggiore affidabilità predittiva nella fase iniziale della scoperta, quantificando la formazione, il passaggio e l'apprendimento della inversione dell'insieme attentivo con elevata flessibilità degli stimoli attraverso dimensioni percettive.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Bersaglio
- Valore scientifico: Consente l'analisi di ipotesi terapeutiche che coinvolgono circuiti corticali prefrontali e la modulazione dopaminergica della flessibilità cognitiva.
- Valore operativo: Fornisce letture quantitative automatizzate del cambiamento dell'insieme attentivo, riducendo la variabilità e aumentando la riproducibilità tra laboratori.
- Valore predittivo: Supporta la validazione degli obiettivi misurando i cambiamenti indotti dai farmaci nelle prestazioni nel cambiamento dell'insieme, contribuendo alle decisioni di avanzamento o interruzione per composti attivi sul sistema nervoso centrale.
Sviluppo di screening e saggi
- Prontezza del saggio: Il framework tridimensionale dello stimolo (olfattivo, visivo, tattile) consente una progettazione flessibile del saggio in diverse campagne di screening.
- Scalabilità: L'operazione completamente automatizzata permette l'integrazione in strutture centrali per analisi comportamentali destinate a screening genetici e farmacologici su larga scala.
- Flessibilità dello stimolo: L'elevato numero di stimoli per ogni dimensione supporta discriminazioni complesse e riduce i bias nell'apprendimento, aumentando la robustezza del saggio.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Rilevanza per le malattie: Modella direttamente i deficit del cambiamento dell'insieme attentivo osservati nei disturbi psichiatrici, sostenendo la validità traslazionale.
- Continuità preclinica: Permette una valutazione longitudinale dalla fase iniziale di scoperta fino alla validazione preclinica, utilizzando endpoint comportamentali costanti.
- Avanzamento basato sul rischio: Le prestazioni nelle fasi di spostamento extradimensionale forniscono un endpoint di tipo biomarcatore per prevedere l'efficacia cognitiva delle terapie sperimentali.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Il compito si inserisce nel percorso di scoperta che va dalla validazione del bersaglio all'identificazione del capostazione, offrendo un saggio comportamentale standardizzato che collega lo studio del meccanismo di base allo screening fenotipico. L'automazione e gli output quantificabili supportano l'integrazione in pipeline di valutazione multimodali per la scoperta di farmaci neuropsichiatrici.
- Biologia della scoperta: Facilita la verifica di ipotesi sui circuiti neurali alla base della flessibilità cognitiva, consentendo la chiarificazione dei percorsi e la riduzione del rischio dei bersagli.
- Screening: Fornisce metriche quantitative e riproducibili delle prestazioni (ad esempio, numero di prove per raggiungere il criterio, latenza della risposta) adatte a formati di screening ad alto contenuto.
- Analisi: Genera dati sulle prestazioni specifici per ogni fase che permettono il confronto tra diversi genotipi, trattamenti e condizioni sperimentali mediante curve di apprendimento standardizzate.
- Ricerca traslazionale: Si allinea agli esiti clinici ID/ED, supportando l'allineamento dei biomarcatori e la validazione interspecie degli endpoint cognitivi.
- Riutilizzo aziendale: Progettato come piattaforma riutilizzabile per test ripetuti in diversi studi, riduce l'onere di rivalidazione e consente il monitoraggio longitudinale di coorti.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia predittiva nella validazione degli obiettivi riducendo l'ambiguità meccanicistica nei fenotipi cognitivi.
- Valore operativo: La standardizzazione attraverso l'automazione riduce al minimo i bias dell'operatore e aumenta la riproducibilità tra laboratori.
- Valore strategico: Migliora l'efficienza del capitale consentendo un rilevamento precoce dei deficit cognitivi, riducendo l'abbandono in fase avanzata dello sviluppo di farmaci psichiatrici.
- Impatto sul portafoglio: Supporta la priorizzazione dei composti aggiustata per il rischio in base ai profili di flessibilità cognitiva, informando le decisioni di avanzamento nei portafogli del sistema nervoso centrale.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze specifiche in neuroscienze comportamentali e protocolli di condizionamento operante per un addestramento e un'esecuzione corretti.
- Richiede l'uso di apparecchiature specializzate, tra cui sistemi di nose poke, sistemi di somministrazione di stimoli (olfattometro, matrici di LED, slittini tattili) e moduli di rinforzo alimentare.
- Necessita di una standardizzazione condivisa tra i gruppi di lavoro per quanto riguarda i programmi di addestramento, il bilanciamento degli stimoli e i criteri di prestazione, al fine di garantire la comparabilità dei dati.
- L'adattamento a diverse linee di topi o contesti genetici potrebbe richiedere aggiustamenti relativi alla motivazione (ad esempio, livelli di deprivazione alimentare) e alla sensibilità sensoriale.
- I limiti pratici includono la complessità iniziale dell'allestimento e la necessità di un rigoroso bilanciamento degli stimoli per prevenire bias, come indicato nel protocollo.
