Een Volledig geautomatiseerd en zeer veelzijdige systeem voor het testen van meerdere cognitieve functies en opnemen Neuronale Activiteiten in Knaagdieren
May 3rd, 2012
In dit rapport presenteren we een volledig geautomatiseerd en zeer veelzijdig systeem dat in staat gelijktijdig testen van multi-cognitief gedrag en het opnemen van neuronale activiteiten voor knaagdieren.
Het algemene doel van deze procedure is om een rat te trainen om een reeks taken uit te voeren waarmee meerdere hersenfuncties kunnen worden onderzocht. Dit wordt bereikt door de ratten eerst te laten wennen aan de gedragskamer. De tweede stap is om de rat te trainen om een hendel in te drukken om voedselpellets als beloningen te krijgen.
Vervolgens worden de ratten getraind om een verborgen hendel te onthullen door met hun kop in het neusgatgat te prikken. De laatste stap is om de ratten te trainen om een sensorische cue te herkennen en vervolgens de juiste hendel in te drukken die door de wachtrij wordt aangegeven. Uiteindelijk leren de ratten de hele reeks taken die zijn gericht op het verkrijgen van de beloningen.
We hebben een volledig geautomatiseerd systeem ontwikkeld voor gedragsonderzoek en neurale activiteitsregistratie. Met behulp van dit systeem kunnen meerdere hersenfuncties worden onderzocht. Het unieke toekomstperspectief van dit systeem is een door de klant gemaakte akoestisch transparante kamer, die ideaal is voor auditieve taaktraining.
Een ander kenmerk van dit systeem is dat er gemakkelijk verschillende operante apparaten kunnen worden toegevoegd, wat het systeem zeer veelzijdig maakt en de implementatie van een verscheidenheid aan auditieve, visuele en audiovisuele gedragstaken mogelijk maakt. Het systeem bestaat uit drie belangrijke componenten, een dubbelwandige geluiddichte ruimte, een elektrofysiologisch opnamesysteem met meerdere kanalen en een volledig geautomatiseerd gedragstestsysteem. Een op maat ontworpen opera in kamer bevindt zich in de geluiddichte ruimte.
De kamer bestaat uit drie akoestisch transparante wanden en een modulaire bedieningspaneel om gedrag te monitoren en te registreren. Er is een videocamera boven de opera in kamer gemonteerd. Een interfacebox verzendt signalen heen en weer tussen de kamer en een computer.
Auditieve cues worden gegenereerd door een gekalibreerd programmeerbaar audiogenerator en worden afgegeven via drie luidsprekers op het bedieningspaneel. Voor visuele cues is een stimuluslicht en twee driedubbele stimulusdisplays op de middelste en zijpanelen geplaatst. Een neusprikpositie met drie kleuren LED-verlichting is aan de onderkant van het middelste paneel gemonteerd. Een infrarooddetector geïnstalleerd in de neusprikpositie registreert neusprikken en vasthouden.
Periode twee verwijderbare intrekbare responshendels zijn aan elke kant van de bediening gemonteerd. Beloningen worden geleverd door twee pelletdispensers die voedsel in de pelletreceptakels laten vallen. Vier paar infraroodstralen zijn geplaatst op de bodem van de kamer om zowel de positie van het dier aan te geven als om apparaten te besturen op basis van de positie van het dier.
Ten slotte worden kabels van een hoofdfase verbonden met een commutator voor het registreren van neuronale activiteit. Het experimentele protocol wordt volledig geautomatiseerd via programma's die zijn gemaakt binnen het Med PC four-softwareplatform. Gedragsgegevens worden opgeslagen en vertaald naar Microsoft Excel-bestanden en vervolgens geïmporteerd en geanalyseerd met Matlab.
Beperk vóór het trainen de voedselinname tot het gewicht van het dier 90% van de basislijn is. Om de kamer voor acclimatisatie voor te bereiden, trekt u de hendels in, blokkeert u het neusprikgat met een rubberen stop en plaatst u ongeveer 20 pellets voedsel in elke pellet. Receptakel plaats nu een naïeve dier in de kamer voor acclimatisatie.
De rat zal snel beginnen met het onderzoeken van de voedselbekers en het eten van de pellets. Wanneer beide voedselbekers leeg zijn, gebruikt u de software om een enkele pellet in elke lade te verdelen. Hierdoor zal de rat leren om voedsel te associëren met de cup.
Dwing de rat om naar beide zijden van de kamer te bewegen door pellets willekeurig in elke voedselbeker te verdelen. Eén sessie is meestal voldoende om de voedselcupassociatie vast te stellen. In een nieuwe sessie, steek beide hendels de kamer in en laat de voedselcup leeg. Plaats vervolgens een acclimatiseerde rat in de kamer.
Wanneer het dier in de buurt van een hendel komt, verdeel een pellet. Zorg ook voor beloningen wanneer de rat interesse toont in de hendel, zoals snuffelen, aanraken of klimmen. Een onbedoelde hendelduwing zou ook een beloning moeten activeren.
Om hendelduwen aan te moedigen en om onderzoek van beide hendels te dwingen, laat het dier elke hendel een beperkt aantal keren achter elkaar indrukken wanneer de limiet is bereikt, trek de hendel in. Verleng beide hendels om de procedure te herhalen. Verlaag geleidelijk de limiet totdat de hendel elke keer dat deze wordt ingedrukt wordt ingetrokken.
Een tot twee sessies zijn meestal voldoende om de hendel te vestigen. Duw voedselbeloningsassociatie. In een nieuwe sessie, trek de hendels in.
Verwijder de rubberen stop van het neusprikgat en plaats meerdere voedselpellets in de neus. Prikapparaat. Breng het dier weer in de kamer en verleng willekeurig een van de twee hendels.
Wanneer de rat snuffelt in het neusprikgat voor voedselpellets, de uitgestrekte hendel ziet, zal de rat naderen en de hendel indrukken om een voedselpellet te verkrijgen. Nadat deze is ingedrukt en de beloning is verdeeld, trekt u de hendel in om de rat aan te moedigen het neusprikapparaat te verkennen. Meestal duurt een sessie van 30 minuten voordat een rat de takenreeks leert, neus, prikken, hendel, duwen, beloningen.
In een andere nieuwe sessie, plaats het dier in de kamer om Q-training te beginnen. Nadat het dier een neusprikgebeurtenis heeft uitgevoerd, speel een duidelijk auditief signaal. Steek beide rechter- en linkerhendels uit.
Na elke presentatie van een auditief signaal, beloon de rat alleen wanneer deze de hendel indrukt die is aangegeven door het auditieve signaal, het dier zal geleidelijk leren om een specifiek auditief signaal te associëren. Met één hendel. Het dier zou nu in staat moeten zijn om de beoogde volledige trainingsreeks uit te voeren, neus, prikken, signaal, hendel
Overzicht
Dit rapport presenteert een volledig geautomatiseerd systeem dat is ontworpen voor het testen van multi-cognitief gedrag en het registreren van neuronale activiteit bij knaagdieren. Het systeem maakt het mogelijk om verschillende hersenfuncties te onderzoeken via een reeks getrainde taken.
Belangrijkste onderdelen van het onderzoek
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschappen
- Gedragstests
- Elektrofysiologie
Achtergrond
- Het systeem is afgestemd op auditieve taaktraining in een geluiddichte omgeving.
- Het bevat verschillende operante apparaten voor veelzijdige gedragstaken.
- Neuronale activiteit wordt geregistreerd terwijl de proefpersonen cognitieve taken uitvoeren.
- De opstelling omvat een speciaal ontworpen kamer met meerdere sensorische signalen.
Doel van het onderzoek
- Om ratten te trainen in een reeks taken om meerdere hersenfuncties te onderzoeken.
- Om een systeem te ontwikkelen dat gedragstests integreert met neuronale registratie.
- Om het onderzoek naar auditieve en visuele verwerking bij knaagdieren te vergemakkelijken.
Gebruikte methoden
- Acclimatisatie van ratten aan een gedragskamer.
- Training van ratten om taken uit te voeren voor voedselbeloningen.
- Gebruik van auditieve en visuele signalen om gedrag te sturen.
- Geautomatiseerde gegevensverzameling en -analyse met behulp van gespecialiseerde software.
Belangrijkste resultaten
- Ratten leerden met succes om signalen te associëren met specifieke acties.
- Het systeem toonde veelzijdigheid in het testen van verschillende cognitieve taken.
- Neuronale activiteit werd effectief geregistreerd tijdens gedragstaken.
- Gegevensanalyse onthulde inzichten in de leercurven van de proefpersonen.
Conclusies
- Het geautomatiseerde systeem is effectief voor het bestuderen van cognitief gedrag bij knaagdieren.
- Het maakt gelijktijdige registratie van neuronale activiteit en gedrag mogelijk.
- Deze aanpak kan de begrip van hersenfunctie met betrekking tot leren en geheugen verbeteren.
Veelgestelde vragen
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.
