Un t-labirinto automatizzato basato apparato e protocollo per l'analisi basate su ritardo e sforzo decisionale nei roditori in movimento libero
2 agosto 2018
Questo articolo introduce un apparato di t-labirinto automatizzato che abbiamo inventato e un protocollo basato su questo apparecchio per l'analisi decisionale basato su ritardo e sforzo processo decisionale nei roditori di movimento liberi.
Il tradizionale labirinto a T può essere utilizzato per testare sia il processo decisionale basato sul ritardo che quello basato sullo sforzo. Nel lavoro attuale, abbiamo inventato un apparato T-maze con consegna automatizzata del cibo, gestione delle porte e registrazioni della scelta del braccio. Il nostro protocollo può far risparmiare tempo e lavoro ai ricercatori durante l'analisi della capacità decisionale dei roditori.
Questo protocollo può aiutare a rispondere alle domande chiave nei campi decisionali, come ad esempio quali sono i circuiti neurali chiave e le molecole alla base del processo decisionale, e quali sono le cause neuropatologiche alla base dei deficit decisionali nelle malattie psichiatriche? Le implicazioni di questo protocollo si estendono alla terapia della malattia neuropsichiatrica perché molti pazienti dimostrano difficoltà o deficit nel processo decisionale. Abitua i topi al labirinto per 10 minuti al giorno e totalmente per cinque giorni.
Tenere aperte tutte le porte del labirinto durante l'assuefazione. Il primo giorno, spargi i pellet di cibo in tutto il labirinto. Quindi, posiziona i topi nella scatola di partenza del labirinto a T in gruppi di quattro e lascia che i topi esplorino il labirinto per 10 minuti.
Il secondo e il terzo giorno, spargi i pallini lungo i due bracci della porta. Lascia che i topi esplorino il labirinto per 10 minuti. Infine, il quarto e il quinto giorno di assuefazione, mettete i pellet solo molto vicino e ai distributori di cibo nelle due scatole delle porte.
Lascia che i topi esplorino il labirinto per 10 minuti. Per la fase di ingresso forzato del braccio, iniziare impostando i parametri del software di controllo. Imposta la durata su 900 secondi.
Impostare il tempo di ritardo all'avvio predefinito su tre secondi, il numero di pellet su uno per LRA e quattro per HRA e impostare il tempo di ritardo su zero secondi. Registrare l'ID di ogni singolo mouse nel software e la posizione dell'HRA per ogni singolo mouse, sul lato sinistro o sul lato destro. Quindi, accedi alla finestra dell'interfaccia dell'esperimento, posiziona il mouse nella casella di avvio e avvia l'addestramento premendo il pulsante di avvio sul telecomando.
Nota che durante ogni prova, solo le porte che conducono a un braccio saranno aperte, mentre le porte sul braccio opposto non saranno aperte, e le porte si apriranno o si chiuderanno automaticamente in base alla posizione dell'animale. Qui, il topo è stato costretto ad entrare nell'HRA del lato sinistro nella prima prova e a mangiare i quattro pallini e ad entrare nel braccio del lato destro nella seconda prova per mangiare l'unico pallino. Questa fase permette al mouse di apprendere la posizione di HRA e LRA.
Per la fase di ingresso a braccio libero, impostare i parametri utilizzando lo stesso metodo utilizzato nella fase di ingresso forzato. Posiziona il mouse nella casella di avvio, premi il pulsante di avvio, quindi consenti al mouse di scegliere liberamente un braccio, HRA o LRA. Iniziare impostando il tempo di ritardo dell'HRA rispettivamente su cinque secondi, 10 secondi e 15 secondi il primo, il secondo e il terzo giorno.
Impostare il numero di fase. Impostare tutti gli altri parametri allo stesso modo della fase di inserimento forzato. Consenti al mouse di scegliere liberamente un braccio, HRA o LRA.
Nelle due prove mostrate qui, il topo ha scelto l'LRA nella prima prova e ha scelto l'HRA nella seconda prova. Successivamente, per il test decisionale basato sullo sforzo, introdurre la barriera all'HRA. Consenti ai topi di scegliere liberamente un braccio, HRA o LRA.
Qui, il topo ha scelto di scalare la barriera per ottenere una ricompensa più alta. Al termine dell'esperimento, ottenere dati e risultati dal software di controllo. Cerca tutti i dati sperimentali nella cartella dei dati.
Infine, controlla gli elementi nella cartella dei risultati, la durata, il numero di prova, il numero di scelta HRA, il numero di scelta LRA, la percentuale di scelta HRA, la percentuale di scelta LRA, la distanza totale di movimento e il tempo totale di giunzione sotto ogni ID animale. I risultati mostrati qui mostrano le differenze tra la capacità decisionale basata sul ritardo e sullo sforzo tra i topi ablati habenulari mediali con i loro compagni di cucciolata, topi di controllo wild-type. Per il test decisionale basato sul ritardo, l'effetto principale del genotipo non era significativo quando il tempo di ritardo era di cinque secondi. Tuttavia, quando il tempo di ritardo è stato allungato a 10 secondi e 15 secondi, i topi ablati abenulari mediali hanno dimostrato una riduzione significativa della percentuale di visite HRA rispetto ai topi CT.
Infine, nel test decisionale basato sullo sforzo, la percentuale di visite HRA è risultata significativamente ridotta nei topi ablati abenulari mediali quando è stata posizionata una barriera nell'HRA, indipendentemente dalla localizzazione sinistra/destra dell'HRA. Durante il tentativo di questa procedura, è importante ricordare che la restrizione alimentare dovrebbe essere eseguita durante tutte le procedure di addestramento per garantire la motivazione del roditore a svolgere il compito. Inoltre, ricordati di utilizzare i pellet di piccole dimensioni da 10 milligrammi e di utilizzare il gel di silice nei distributori di cibo per mantenere il pellet asciutto.
Seguendo questa procedura, è possibile eseguire altri metodi come la registrazione degli elettrodi in vivo, l'imaging a fibre ottiche, la manipolazione optogenetica e la microdialisi per rispondere a ulteriori domande, ad esempio i cambiamenti dinamici di eccitabilità di specifiche popolazioni cellulari durante il ritardo e lo sconto dello sforzo e i cambiamenti dinamici di neuropeptidi, neurotrasmettitori e ormoni durante il processo decisionale. In una parola, l'attuale configurazione e il protocollo che abbiamo sviluppato consentono ai ricercatori di analizzare in modo efficiente il processo decisionale dei roditori, con automazione completa, standardizzazione e capacità di produzione elevata. Crediamo che la nostra invenzione possa aiutare a chiarire il meccanismo alla base del processo decisionale sia per le condizioni fisiologiche che per quelle patologiche.
Panoramica
Questo articolo presenta un apparato T-maze automatizzato progettato per analizzare il processo decisionale basato sul ritardo e sullo sforzo nei roditori liberi di muoversi. Il protocollo sviluppato può ridurre significativamente il tempo e il lavoro richiesti per i ricercatori che studiano i processi decisionali.
Componenti chiave dello studio
Area della scienza
- Neuroscienze
- Analisi comportamentale
- Modelli di roditori
Sfondo
- Le configurazioni tradizionali del T-maze sono utilizzate per valutare il processo decisionale nei roditori.
- Il nuovo apparato automatizzato include funzionalità come la consegna del cibo e la gestione delle porte.
- Questa innovazione mira a semplificare il processo di ricerca.
- Comprendere il processo decisionale è fondamentale per affrontare i disturbi psichiatrici.
Obiettivo dello studio
- Introdurre un nuovo apparato T-maze per studiare il processo decisionale.
- Fornire un protocollo che migliori l'efficienza negli esperimenti comportamentali.
- Esplorare i circuiti neurali e le molecole coinvolti nel processo decisionale.
Metodi utilizzati
- Abitudinazione dei topi al labirinto nell'arco di cinque giorni.
- Fasi di entrata forzata e libera nelle braccia per valutare il processo decisionale.
- Test di processo decisionale basati sullo sforzo con barriere.
- Raccolta dati attraverso software automatizzato per l'analisi.
Risultati principali
- I topi con ablazioni nella habenula mediale hanno mostrato visite ridotte all'ala ad alto compenso in condizioni di ritardo.
- I test basati sullo sforzo hanno indicato visite ridotte all'ala ad alto compenso quando erano presenti barriere.
- La restrizione alimentare era necessaria per motivare i roditori durante i compiti.
- I risultati supportano l'efficacia del protocollo nello studio del processo decisionale.
Conclusioni
- Il T-maze automatizzato consente un'analisi efficiente del processo decisionale dei roditori.
- Questo protocollo può aiutare a comprendere il processo decisionale sia in stati sani che patologici.
- Studi futuri possono basarsi su questo setup per esplorare ulteriori domande neurobiologiche.
Domande frequenti
Executive Industry Relevance
This automated T-maze platform addresses a critical bottleneck in behavioral neuroscience by standardizing delay- and effort-based decision-making assays, reducing variability from manual intervention and enabling high-throughput screening of genetically modified models. The system supports mechanistic de-risking of therapeutic targets involved in neuropsychiatric disorders by providing quantitative, reproducible readouts of reward valuation and cost-benefit integration. Its compatibility with chronic neural recording and modulation techniques positions it as a translational bridge from target validation to preclinical efficacy testing in discovery pipelines focused on cognitive symptom domains.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by measuring how genetic or pharmacological manipulations affect decision-making under defined cost conditions.
- Operational Value: Automates pellet delivery, door control, and choice tracking, minimizing experimenter bias and increasing assay reproducibility across laboratories.
- Predictive Value: Generates dose-response-like curves for delay or effort discounting, supporting target prioritization based on behavioral sensitivity.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Produces standardized, quantifiable outputs including HRA choice percentage, latency, and path length, suitable for Z'-factor evaluation in screening campaigns.
- Scalability: Automation allows concurrent testing of multiple subjects, facilitating lead identification efforts in large-scale mutant or compound libraries.
- Reproducibility: Fixed parameters and software-driven execution reduce inter-day and inter-operator variability, enhancing cross-study comparability.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Models core symptomatology of psychiatric disorders characterized by impaired decision-making, such as anhedonia or avolition.
- Translational Continuity: Outputs align with clinical decision-making tasks, enabling reverse translation of findings from rodent to human phenotypes.
- Mechanistic De-risking: Supports causal inference through integration with optogenetics, chemogenetics, or electrophysiology to link neural circuit activity to behavioral output.
Pipeline & Workflow Integration
The apparatus fits within the discovery continuum from early target hypothesis testing through lead optimization, particularly for programs targeting cognitive and motivational deficits in neuropsychiatric indications.
- Discovery Biology: Facilitates pathway clarification by isolating the contribution of specific neural populations (e.g., medial habenula) to cost-benefit computation.
- Screening: Delivers quantitative, binary choice data that enable ranking of compounds or genotypes by their effect on delay or effort tolerance.
- Analytics: Provides temporal and spatial metrics (junction time, moving distance) that enrich behavioral phenotyping beyond simple arm selection.
- Translational Research: Enables preclinical validation of target engagement via correlation of neural manipulation with shifts in decision thresholds.
- Enterprise Reuse: Standardized protocol and data structure allow deployment across multiple discovery sites as a shared behavioral core capability.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation by reducing noise in decision-making phenotyping.
- Operational Value: Cuts labor-intensive tasks such as manual pellet delivery and door operation, improving throughput and consistency.
- Strategic Value: Supports earlier go/no-go decisions by identifying targets with strong behavioral efficacy signals in disease-relevant systems.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted advancement by quantifying target modulation effects on motivation and effort expenditure.
Implementation Considerations
- Requires expertise in rodent behavioral neuroscience and familiarity with automated maze control software.
- Dependent on reliable food dispenser mechanics and sensor-based arm entry detection systems.
- Necessitates cross-team agreement on habituation, restriction, and testing protocols to ensure data comparability.
- Adaptation to different rodent strains or ages may require calibration of reward magnitude or effort parameters.
- Practical limitations include sensitivity to environmental stressors and the need for food restriction to maintain task engagement, as noted in the protocol.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Title
1:05
Animal Habituation to Maze
2:04
Forced Arm and Free Arm Entry
3:46
Delay-based Decision-making Tests and Analysis
5:21
Representative Results: Effect of Medial Habenular Ablation on Delay-based and Effort-based Decision-making
6:17
Conclusion
