マルチ認知機能のテストとげっ歯類の神経活動を記録するための完全に自動化された汎用性の高いシステム
May 3rd, 2012
本稿では、同時に複数の認知行動をテストし、げっ歯類のために神経活動を記録することができる完全に自動化された汎用性の高いシステムを提案する。
この手順の全体的な目標は、ラットを訓練して、複数の脳機能を調査できる一連のタスクを実行することです。これは、最初にラットを行動室に順応させることによって達成されます。2番目のステップは、報酬として餌のペレットを得るためにレバーを押すようにラットを訓練することです。
次に、ネズミは鼻の穴に頭を突っ込んで隠されたレバーを明らかにするように訓練されます。最後のステップは、ラットが感覚の合図を認識するように訓練し、次にキューが示す正しいレバーを押すようにすることです。最終的に、ラットは報酬を得ることを目的とした一連のタスク全体を学びます。
私たちは、正しい行動テストとニューロン活動の記録のための完全自動化システムを開発しました。このシステムを用いることで、複数の脳機能を調べることができます。このシステムのユニークな未来は、聴覚タスクのトレーニングに最適な、音響的に透明なチャンバーをお客様が作ったことです。
このシステムのもう一つの特徴は、さまざまなオペラントデバイスを簡単に追加できるため、システムが非常に用途が広くなり、さまざまな聴覚、視覚、および視聴覚の行動タスクの実装が可能になることです。このシステムは、二重壁の防音室、多チャンネルの電気生理学的記録システム、および全自動行動試験システムの3つの主要なコンポーネントで構成されています。カスタムデザインのオペラ・イン・チャンバーは、防音室にあります。
チャンバーは、3つの音響的に透明な壁と、動作を監視および記録するための1つのモジュール式操作パネルで構成されています。ビデオカメラはオペラ座の上の部屋に取り付けられています。インターフェースボックスは、チャンバーとコンピューター間で信号を送受信します。
聴覚的な手がかりは、キャリブレーションされたプログラム可能なオーディオジェネレーターによって生成され、視覚的な手がかりのために操作パネルにある3つのスピーカーを介して配信され、刺激ライトと2つのトリプル刺激ディスプレイが中央パネルとサイドパネルに配置されています。中央パネルの下部には、3色のLEDライトを備えたノーズポークデバイスが取り付けられています。ノーズポークユニット内に設置された赤外線検出器は、ノーズポークとホールドを記録します。
期間2つの取り外し可能な格納式応答レバーは、操作の両側に取り付けられています。パネルの報酬は、ペレット容器に食べ物を落とす2つのペレットディスペンサーによって提供されます。チャンバーの底部には4対の赤外線ビームが配置されており、動物の位置を示すとともに、動物の位置に基づいて装置を制御することができます。
最後に、ヘッドステージからのケーブルは、ニューロンの活動を記録するための整流子に接続されています。実験プロトコルは、Med PC 4ソフトウェアプラットフォーム内で作成されたプログラムを介して完全に自動化されています。行動データは保存され、Microsoft Excelファイルに変換された後、matlabにインポートされて解析されます。
トレーニングの前に、動物の体重がベースラインの90%になるまで食物摂取量を制限します。チャンバーを順応させる準備をするには、レバーを引っ込め、ノーズポーク穴をゴム栓で塞ぎ、各ペレットに約20個の餌を入れます。レセプタクルは、順応のためにナイーブな動物をチャンバーに入れるようになりました。
ネズミはすぐにフードカップを探索し始め、ペレットを食べ始めます。両方のフードカップが空になったら、ソフトウェアを使用して各トレイに1つのペレットを分配します。そうすることで、ラットは食べ物をカップに関連付けることを学びます。
ラットをチャンバーの両側に移動させるには、各フードカップにランダムにペレットを分配します。通常、フードカップ協会を設立するには1回のセッションで十分です新しいセッションでは、両方のレバーをチャンバーに伸ばし、フードカップを空のままにします。次に、順応したラットをチャンバーに入れます。
動物がレバーの近くに入ったら、ペレットを分配します。また、ネズミがレバーに興味を示した場合、匂いを嗅いだり、触れたり、登ったりするなどの報酬を提供します。誤ってレバーを押すと、報酬も引き起こされるはずです。
レバーを押すように促し、両方のレバーの探索を強制するには、制限に達したときに動物が各レバーを連続して押すことができるように、レバーを引っ込めます。両方のレバーを伸ばして手順を繰り返します。レバーを押すたびにレバーが引っ込むまで、制限を徐々に下げます。
通常、レバーを確立するには1〜2回のセッションで十分です。プッシュフード報酬協会。新しいセッションで、レバーを引っ込めます。
ノーズポークホールからゴム栓を取り外し、ノーズにいくつかの食品ペレットを置きます。ポークデバイス。動物をチャンバーに再導入し、2つのレバーのうちの1つをランダムに伸ばします。
ネズミが鼻の突っ穴から餌のペレットの匂いを嗅ぐと、伸びたレバーを見ると、ネズミは近づいてレバーを押して餌のペレットを取得します。を押して報酬が分配されたら、レバーを引っ込めて、ラットにノーズポークデバイスを探索するように促します。通常、ラットがタスクシーケンス、鼻、突く、レバー、プッシュ報酬を学習するには、30分のセッションが1回かかります。
別の新しいセッションで、動物をチャンバーに入れてQトレーニングを開始します。動物が鼻を突くイベントを行った後、明確な聴覚キューを再生します。左右両方のレバーを伸ばします。
各聴覚キューの提示後、ラットが聴覚キューによって示されたレバーを押したときにのみラットに報酬を与えると、動物は徐々に特定の聴覚キューを関連付けることを学びます。レバー1本で。これで、動物は意図したトレーニングの完全なシーケンス、鼻、突く、キュー、レバー、押す、報酬、または報酬なしを実行できるはずです。
一貫したパフォーマンスレベルに達するまで、ラットが新しく学習したタスクを練習できるようにします。セッションは30分に制限されています。このシステムは、ラットの周波数識別閾値を調べる2つの代替選択ピッチ識別タスクを実行するために使用できます。
聴覚の合図で示される正しいレバーをすばやく押すようにラットを訓練した後、聴覚学習曲線が得られます。色付きの各線は、個々の動物の識別頻度の変動を表します。暗い線は平均学習曲線を表します。
平均して、75%のヒット率を達成するには、約7回のトレーニングセッションが必要でした。基準。この課題における動物の行動は、聴覚キューの開始に対する反応時間、試行間インターインターバル、パフォーマンスの時間的ダイナミクスなど、いくつかの測定によっても定量的に特徴付けることができます。また、このシステムを用いて、複数の認知脳機能を調べることもできます。
上部のキャプションは、各アクションを 1 回の試行の順序で説明しています。下のキャプションは、電気生理学と組み合わせて研究できる認知行動機能を示しています。認知行動機能の神経基盤を記録することも研究することができます。
このプロットは、ラットの核空間ssusに記録されたニューロンが、2つの選択肢のピッチ弁別タスクを実行していることを示しています。このプロットは腹側分節領域に記録されたニューロンを示していますが、この手順を試みることが重要な場合は、ラットとその行動特性と認知能力の違いに細心の注意を払う必要があります。最良のトレーニング結果を得るには、トレーニング手順とパラメーターを個別化する必要があります。本システムは主にスタディオーディターシステム用に開発しましたが、視覚系やモチベーション、注意、患者、報酬などの複数の認知脳機能を研究するために、他の研究にも容易に適応させることができます。
概要
このレポートでは、多重認知行動をテストし、げっ歯類の神経活動を記録するために設計された完全自動化システムを紹介します。このシステムは、一連の訓練されたタスクを通じて様々な脳機能の調査を可能にします。
主要な研究要素
科学の分野
- 神経科学
- 行動テスト
- 電気生理学
背景
- このシステムは、防音環境での聴覚タスクトレーニングのために調整されています。
- 様々な行動タスクのための多目的な操作デバイスを組み込んでいます。
- 被験者が認知タスクを実行する際の神経活動が記録されます。
- セットアップには、複数の感覚的手がかりを持つカスタム設計のチャンバーが含まれています。
研究目的
- 複数の脳機能を探索するために、ラットに一連のタスクをトレーニングすること。
- 行動テストと神経記録を統合するシステムを開発すること。
- げっ歯類の聴覚および視覚処理の研究を促進すること。
使用方法
- ラットの行動チャンバーへの順応。
- 食物報酬のためのタスク実行のためのラットのトレーニング。
- 行動を導くための聴覚および視覚的手がかりの利用。
- 特殊なソフトウェアを使用した自動データ収集と分析。
主要な結果
- ラットは特定の行動と手がかりを関連付けることを成功裏に学習しました。
- このシステムは様々な認知タスクをテストする多様性を示しました。
- 行動タスク中に神経活動が効果的に記録されました。
- データ分析により、被験者の学習曲線に関する洞察が明らかになりました。
結論
- この自動化システムは、げっ歯類の認知行動を研究するのに効果的です。
- 神経活動と行動の同時記録を可能にします。
- このアプローチは、学習と記憶に関連する脳機能の理解を深めることができます。
よくある質問
Executive Industry Relevance
This automated behavioral testing system enables high-throughput investigation of multiple cognitive functions in rodent models, supporting early-stage target validation and mechanistic de-risking in neuroscience drug discovery. By integrating precise behavioral control with neuronal activity recording, it provides quantitative, reproducible data that enhances predictive confidence in lead compound screening and pathway analysis. The system’s versatility and automation reduce variability and improve translational continuity from discovery to preclinical evaluation.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by measuring motivation, attention, decision-making, and reward processing in a single task sequence.
- Operational Value: Supports functional target validation through automated, standardized behavioral readouts that reduce experimental variability.
- Scientific Value: Facilitates mechanistic de-risking by linking cognitive performance to neuronal activity in defined brain regions.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative dependent variables such as reaction time, hit rate, and inter-trial interval for dose-response and compound screening applications.
- Operational Value: Ensures assay readiness and reproducibility via automated event timing (10 ms resolution) and precise time-stamping of behavioral events.
- Scientific Value: Enables preparation of validated biological systems for downstream workflows by establishing reliable cognitive task performance.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Supports disease-relevant system modeling by allowing investigation of cognitive domains affected in neuropsychiatric and neurodegenerative disorders.
- Operational Value: Promotes translational continuity by enabling consistent behavioral testing from discovery through preclinical validation stages.
- Scientific Value: Aids risk-adjusted advancement decisions by providing measurable biomarkers of cognitive function tied to neural activity.
Pipeline & Workflow Integration
The system fits within the discovery continuum from hypothesis testing and target identification to lead optimization and preclinical efficacy assessment, particularly for CNS-targeted therapeutics.
- Discovery Biology: Enables hypothesis testing of cognitive pathways and biological de-risking through automated, quantifiable behavioral sequencing.
- Screening: Delivers assay readiness and high reproducibility via programmable cue delivery and objective performance metrics.
- Analytics: Provides temporal and performance-based readouts (e.g., reaction time, accuracy) that support comparative analysis across experimental conditions.
- Translational Research: Connects behavioral outputs to neuronal recordings, supporting biomarker alignment and preclinical continuity.
- Enterprise Reuse: Designed as a modular, reconfigurable platform for repeated use across multiple cognitive assays and compound screening campaigns.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence by reducing mechanistic ambiguity in cognitive function assessment.
- Operational Value: Enhances standardization, reproducibility, and scalability through full automation and software-controlled protocols.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision quality and capital efficiency by enabling early detection of cognitive liabilities.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization by generating translatable cognitive endpoints linked to neural mechanisms.
Implementation Considerations
- Requires expertise in behavioral neuroscience, electrophysiology, and automated data analysis workflows.
- Depends on specialized instrumentation including soundproof chambers, multi-channel recording systems, and programmable cue delivery hardware.
- Necessitates cross-team standardization of training protocols, cue parameters, and data interpretation criteria.
- Involves adaptation considerations when extending the system to visual, olfactory, or multimodal behavioral tasks.
- Limited by the need for individualized training procedures based on animal behavior and cognitive ability, as noted in the source.
