Geautomatiseerde, Kwantitatieve Cognitieve / Behavioral Screening van Muizen: Voor Genetica, Farmacologie, Animal Cognition and Undergraduate Instructie
26 februari 2014
Volledig geautomatiseerd systeem voor het meten fysiologisch zinvolle eigenschappen van de mechanismen bemiddelende ruimtelijk lokaliseren, temporele lokalisatie, duur, snelheid en waarschijnlijkheid schatting risicobeoordeling, impulsiviteit, en de nauwkeurigheid en precisie van het geheugen, om de effecten van genetische en farmacologische manipulaties op beoordelen fundamentele mechanismen van cognitie bij muizen.
Het algemene doel van het volgende experiment is om genetisch en farmacologisch gemanipuleerde muizen te screenen op storingen en basismechanismen van cognitie. Dit wordt bereikt door psychofysische metingen te maken van fysiologisch zinvolle kwantitatieve eigenschappen in een volledig geautomatiseerd, hoogdoorvoerig gedragsfenotyperingssysteem dat 24/7 werkt. De volgende stap is het analyseren en visualiseren van de binnenkomende gegevens in bijna realtime, wat geautomatiseerde realtime controle van het testen op muisbasis mogelijk maakt.
Vervolgens worden de ruwe gegevens, de testprotocolcode en alle tussenliggende statistieken gearchiveerd in een enkele gegevensstructuur. Om de gegevens openbaar beschikbaar te maken en verdere analyse te stimuleren, tonen de resultaten stamspecifieke veranderingen in de temporele dampfractie op basis van de switch-taak. Het belangrijkste voordeel van deze techniek ten opzichte van andere methoden, zoals het waterlabyrint, is dat het fysiologisch zinvolle resultaten oplevert, zeer hoge doorvoer en geen hanteren van de muizen.
Deze methode kan dus helpen bij het beantwoorden van sleutelvragen in het veld van cognitieve neurogenetica, zoals of er mutante stammen zijn met kwantitatief veranderde intervaltimingmechanismen? De implicaties van deze techniek reiken tot therapie of diagnose van genetische cognitieve tekorten, omdat het kan leiden tot de ontdekking van genen die kritische componenten van deze mechanismen specificeren. Personen die nieuw zijn in deze methode moeten de basis van MATLAB-programmering begrijpen en de kracht van kwantitatief geautomatiseerd psychofysisch testen begrijpen.
Adam en ik kregen voor het eerst het idee om dit systeem te creëren toen we de arbeidsintensieve en niet-kwantitatieve aard zagen van het testen dat werd uitgevoerd op genetisch gemanipuleerde muizen. Stel het gedragstestsysteem op in een standaard laboratoriumruimte met 10 kasten per kamer en acht testomgevingen per kast. Dit maakt het mogelijk om 80 muizen tegelijk te runnen. Elke testomgeving bestaat uit een polypropyleen muizenbuis verbonden door een acrylbuis met een muizentestbox.
De testbox heeft drie trechters, die worden gemonitord door infrarood stralen. De twee buitenste trechters hebben bevestigde pelletvoeders en kunnen voedselpellets leveren, terwijl de middelste trechter geen voedselpellets levert. Kabels die door een poort in een tussenschot lopen, verbinden de testomgevingen met de elektrische interfacekaarten en speciale computers in een andere ruimte, die de protocolbesturingsprogramma's uitvoeren.
Er is één computer vereist voor elke twee kasten. Deze computers zijn via een lokaal netwerk verbonden met een server die de software voor gegevensanalyse en visualisatie draait. Stel het lokaal netwerk zo in dat de server waarop de gegevensanalysesoftware is geïnstalleerd, toegang heeft tot de harde schijven van de computers die de testomgevingen besturen.
Stel vervolgens een bestandsynchronisatieaccount in voor gegevensopslag in de cloud. Voeg de TS-systeemmap en zijn submappen toe aan de MATLAB-zoekpad en zorg ervoor dat de TS-systeemmap een in de cloud gesynchroniseerde map is. Het TS-systeem is een open source softwarebibliotheek van meer dan 30 hoogwaardige functies geschreven in MATLAB die de creatie van complexe gegevensanalyse- en gegevensvisualisatiecode vergemakkelijken.
Roep in het TS-systeemtoolbox de functie Ts begin aan om de hiërarchische gegevensstructuur te maken waarin de ruwe gegevens en alle daaruit afgeleide resultaten door de andere functies in de TS-systeemtoolbox worden geplaatst. Roep vervolgens ts add protocol aan om controleparameters voor een experimenteel protocol op te geven om beslissingscode te automatiseren die zal bepalen om het protocol te beëindigen en door te gaan naar de volgende, en om de te gebruiken beslissingscriteria op te geven. Plaats nu de muizen in de 24/7 live-in testomgevingen, één muis per omgeving.
Noteer het ID-nummer van de muizen, het boxnummer en de letter die de experimentbesturingscomputer op het lokale netwerk identificeert en het IP-adres ervan. Roep vervolgens ts start session aan om de experimentele sessie te starten. Experimentele sessies duren één tot twee weken, gedurende welke tijd verschillende gedragstestprotocollen worden uitgevoerd.
Roep vervolgens op één controlecomputer de macro aan die alle door die computer bestuurde boxes zal starten. Deze macro werd gemaakt door TS start session. Herhaal dit op de andere controlecomputers.
Gegevensanalyse kan worden gedaan door nieuwe gegevensanalyse- en visualisatiecode te schrijven met behulp van de opdrachten in het TS-systeemtoolbox of door bestaande gegevensanalyse- en visualisatiecode in de Ts-bibliotheek te gebruiken of aan te passen. Zodra het experiment is begonnen, loopt het voornamelijk zelf, hoewel er gedurende de duur van het experiment enige monitoring vereist is. Controleer e-mail op waarschuwingen van het TIA-systeemgegevensanalyseprogramma die wijzen op mogelijke apparatuurstoringen zoals stroomstoringen, spontane besturing, computerreboots en pelletvoederstoringen.
Deze e-mailwaarschuwingen maken een tijdige reparatie van de storing twee tot vier keer per dag studie mogelijk. De prestatieplots die de TS-systeemgegevensanalysecode produceert, worden elke keer dat deze door de analysetimer wordt aangeroepen. Deze plots kunnen van overal ter wereld op elk moment worden gemonitord en indien nodig kan het experimentele protocol online vanaf de site worden herzien, vanwaar de muizen worden getest.
Gebruik ook TS browser om de gegevens en samenvattende statistieken in de hiërarchische gegevensstructuur te bestuderen zodra deze beschikbaar worden in bijna realtime cumulatieve onbalansplots voor verkregen pellets, die inkomen worden genoemd, worden in rood geplot en bezoekduur in zwart voor drie wilde muizen en drie L één heterozygoten. Er vond een schema-omkering plaats op het punt waar de hellingen naar beneden gingen, gemarkeerd door verticale rode stippellijnen voor drie van de muizen. De helling van de cumulatieve bezoekonbalansplot, de zwarte lijn, volgt nauw de helling van de cumulatieve inkomensonbalans.
De rode lijn, dit geeft een bijna perfecte overeenkomst aan van de verhouding van de gemiddelde bezoekduur tot de verhouding van de inkomens. Merk op hoe snel de verhouding van de bezoekduur zich aanpast aan de verandering in de verhouding van de inkomens op de punten van neergaande inflexie. Aan de andere kant slaag
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie presenteert een volledig geautomatiseerd systeem dat is ontworpen om belangrijke cognitieve eigenschappen te meten bij genetisch en farmacologisch gemanipuleerde muizen. Het systeem maakt high-throughput gedragstyping mogelijk, waardoor analyse en controle van gegevens in real-time kunnen plaatsvinden.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschappelijk gebied
- Neurowetenschappen
- Gedragswetenschappen
- Farmacologie
Achtergrond
- Het begrijpen van cognitieve mechanismen is cruciaal voor het beoordelen van de effecten van genetische en farmacologische interventies.
- Traditionele methoden vereisen vaak handelingen met de proefdieren, wat variabiliteit kan introduceren.
- Deze studie beoogt een efficiëntere en betrouwbaardere aanpak voor gedragstesten te bieden.
- Geautomatiseerde systemen kunnen de doorvoer verhogen en menselijke fouten bij de gegevensverzameling verminderen.
Doel van de studie
- Om cognitieve defecten bij gemanipuleerde muizen te screenen.
- Om ruimtelijke en temporele lokalisatie, geheugennauwkeurigheid en impulsiviteit te meten.
- Om de effecten van genetische en farmacologische veranderingen op de cognitie te analyseren.
Gebruikte methoden
- High-throughput systeem voor gedragsfenotypering, operationeel 24/7.
- Geautomatiseerde psychofysische metingen van cognitieve eigenschappen.
- Realtime data-analyse en controle op individueel muizniveau.
- Archivering van ruwe gegevens en testprotocollen voor publieke toegang.
Belangrijkste resultaten
- Identificatie van stam-specifieke veranderingen in de cognitieve prestaties.
- Demonstratie van de voordelen van het geautomatiseerde systeem ten opzichte van traditionele methoden.
- Het leveren van fysiologisch betekenisvolle resultaten met minimale handelingen.
- Het stimuleren van verdere analyse door de publieke beschikbaarheid van gegevens.
Conclusies
- Het geautomatiseerde systeem verbetert de efficiëntie van cognitieve testen bij muizen aanzienlijk.
- De resultaten geven aan dat genetische en farmacologische manipulaties effectief kunnen worden beoordeeld.
- Deze benadering kan leiden tot nieuwe inzichten in de mechanismen van cognitie.
Veelgestelde vragen
Relevantie voor de Industrie
Geautomatiseerde high-throughput gedragsfenotypering maakt een fysiologisch zinvolle, kwantitatieve beoordeling van cognitieve mechanismen mogelijk bij genetisch en farmacologisch gemanipuleerde muizen, zonder variabiliteit door handmatige manipulatie. Dit ondersteunt targetvalidatie en leadidentificatie door reproduceerbare real-time gegevens te leveren over intervaltiming, impulsiviteit en leerprocessen die cruciaal zijn voor het verminderen van risico's in drug discovery-pipelines voor het centraal zenuwstelsel. De schaalbaarheid van het systeem en de cloud-geïntegreerde analyses faciliteren cross-functionele samenwerking en bedrijfsbrede hergebruik in preklinische screeningsworkflows.
Strategische toepassingen in biofarmaceutische R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het mogelijk om genetische en farmacologische effecten op intervaltiming en besluitvormingspaden met kwantitatieve precisie te onderzoeken.
- Operationele waarde: Elimineert stress door hantering en waarnemingsbias, waardoor de betrouwbaarheid van de gegevens voor het testen van de doelhypothese wordt verbeterd.
- Predictieve waarde: Ondersteunt mechanische risicoreductie door stam-specifieke cognitieve veranderingen te identificeren die gekoppeld zijn aan genfunctie.
Screening & Assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Genereert gestandaardiseerde, volumineuze operante en Pavloviaanse conditioneringsgegevens voor de reproduceerbaarheid van assays.
- Operationele waarde: Maakt 24/7 continue screening van maximaal 80 muizen per laboratoriumopstelling mogelijk met minimale handmatige interventie.
- Assay-gereedheid: Software voor protocolbeheer en data-analyse maakt een snelle implementatie van matching-, autoshaping- en risicobeoordelingsprotocollen mogelijk.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Translationele Continuïteit: Meet circadiane anticipatie en impulsiviteit als vertaalbare biomarkers voor modellen van cognitieve stoornissen.
- Preklinische Modellering: Ondersteunt de validatie van ziekterelevante systemen via geautomatiseerde, longitudinale tracking van leervermogen en timingprecisie.
- Risicogebaseerde Vooruitgang: Maakt go/no-go-beslissingen mogelijk op basis van kwantitatieve verschuivingen in schakellatenties en het gedrag bij het matchen van inkomen per bezoek.
Integratie van pipeline en workflow
Het systeem wordt geïntegreerd in vroege discovery-workflows door kwantitatieve psychofysische resultaten te leveren die, via continue en geautomatiseerde gedragsmonitoring, bijdragen aan lead-optimalisatie en de selectie van preklinische kandidaten.
- Ontdekkingsbiologie: Ondersteunt hypothesetoetsing van genetische mechanismen die ten grondslag liggen aan temporele verwerking en impulsbeheersing via real-time psychofysische metingen.
- Screening: Levert gestandaardiseerde, high-throughput data van operante conditionering met geautomatiseerde protocolvoortgang op basis van de individuele prestaties van de muis.
- Analytica: Biedt quasi-real-time cumulatieve onbalansgrafieken en schakelingslatentie-distributies voor kwantitatieve vergelijking tussen genotypen en behandelingen.
- Translationeel onderzoek: Verbindt met preklinische validiteit door middel van de meting van voedselanticiperend gedrag en circadiaans geheugen als proxies voor klinische cognitieve eindpunten.
- Enterprise-hergebruik: Het open-source MATLAB-gebaseerde TS-systeem maakt schaalbare implementatie over verschillende locaties mogelijk met gedeelde protocollen en cloudgebaseerde dataharmonisatie.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Vermindert mechanistische ambiguïteit in cognitieve fenotypering door middel van gedragsmatige metrieken met een hoge resolutie en temporele resolutie.
- Operationele waarde: Verhoogt de doorvoer en reproduceerbaarheid door automatisering van voedertoediening, gegevensverzameling en protocolvoortgang.
- Strategische waarde: Verbetert de kapitaalefficiëntie door parallelle screening van genetische en farmacologische varianten mogelijk te maken met minimale supervisie door personeel.
- Impact op portfolio: Verbetert de risico-gecorrigeerde prioritering door het vroegtijdig identificeren van kwantitatieve biomarkers voor cognitieve disfunctie.
Overwegingen voor de implementatie
- Vereist expertise in MATLAB-programmering en het ontwerpen van gedragsprotocollen voor aanpassingen en probleemoplossing.
- Afhankelijk van een stabiel lokaal netwerk en infrastructuur voor bestandssynchronisatie voor gegevensopslag in de cloud en in het laboratorium.
- Vereist standaardisatie tussen teams van de software voor protocolbeheer en de data-analysepijplijnen voor reproduceerbare resultaten.
- Omvat overwegingen voor aanpassing bij het uitbreiden van protocollen buiten matching en impulsiviteit naar nieuwe cognitieve domeinen.
- Beperkt door de complexiteit van de initiële installatie en hardwarekosten, hoewel dit wordt gecompenseerd door langetermijnwinsten door automatisering bij grootschalige screeningscampagnes.
