De Aandachtsvertekening Set Shifting Taak: een maat voor cognitieve flexibiliteit in Muizen
4 februari 2015
Het doel van dit protocol is om een gedrags-test uit te voeren, zoals de aandachtsproblemen set verschuiven taak (AST) aan prefrontale cortex-gemedieerde cognitieve flexibiliteit bij muizen te beoordelen.
Het algemene doel van deze procedure is om cognitieve flexibiliteit te meten zoals gemedieerd door de prefrontale cortex in een muismodel. Dit wordt bereikt door eerst een testmuis te leren om een kleine pot te graven om een voedselbeloning te halen in de tweede stap. De begraven voedselbeloning is geassocieerd met een specifieke contextuele wachtrij, zodat de muis de beloning correct kan lokaliseren en halen in acht opeenvolgende proeven zonder fout.
Vervolgens, door middel van een reeks wachtrij-beloningsparinge veranderingen binnen de relevante dimensie. De muis leert om aandacht te schenken aan de relevante dimensie van de wachtrij terwijl de irrelevante dimensie wordt genegeerd om de beloning te lokaliseren en te halen. In de laatste stap wordt de wachtrij-beloningspaaring omgezet, zodat de eerder irrelevante dimensie nu relevant is om succesvolle lokalisatie en het ophalen van de beloning te vergemakkelijken.
Uiteindelijk wordt een toename in het gemiddelde aantal proeven om het criterium te bereiken tussen de experimentele groepen in de omkeringsfasen geïnterpreteerd als cognitieve inflexibiliteit. Hoewel deze methode inzicht kan geven in de fundamentele neurowetenschap van cognitieve functie gemedieerd door de prefrontale cortex, kan het ook worden toegepast op vele andere modelsystemen zoals transgene of chronische ziektemodellen, met het voordeel van uitstekende translationele validiteit. Over het algemeen zullen personen die nieuw zijn in deze methode worstelen omdat de muizen niet adequaat gehabitueerd of getraind zijn voorafgaand aan het begin van de test.
Het demonstreren van de procedure zal Jillian Heisler zijn, een recente PhD-afgestudeerde uit mijn laboratorium, bijgestaan door Lainey Ritas en Juan Morales, beide onderzoeksassistenten in het lab. Voordat begonnen wordt, moet elk muis twee tot drie minuten per dag gedurende acht dagen worden behandeld om de stress geassocieerd met de behandeling tijdens de test te verminderen. Als meerdere experimenteerders betrokken zijn bij het testen van een set muizen, moet worden gewaarborgd dat elke experimenteerder deelneemt aan het behandelingsproces.
Weeg en noteer het lichaamsgewicht van elk dier voor elke dag van de behandeling. Begin dan vier dagen voor het begin van de acclimatisatie twee ramekins aan de voorkant van elke thuisca geplaatst om de muizen te laten acclimatiseren aan de testpotten. Voeg elke dag vier dagen lang twee gram voedsel en een stuk voedselbeloning toe aan de ramekins om de muizen op 80 tot 85% van hun vrije voedingsgewicht te houden.
Vervolgens op de dag voorafgaand aan de acclimatisatieprocedure, verander de bedden van de thuisca twee dagen voor het begin van de training en tijdens de donkere cyclus onder rood licht, verspreid een kleine hoeveelheid vuile bedden van de thuisca door de kamer om een vertrouwd eigen geur te introduceren en om de stress van het zijn in een nieuwe omgeving te verminderen. Plaats een schone ramekin met water in het wachtgebied van de kamer en de twee ramekins die gebruikt zijn voor de voedselrestrictie in het testgebied met ongeveer 20 milligram voedselbeloning in elk container. Breng vervolgens de muis over naar het wachtgebied en verwijder de startpoort.
Laat de muis de kamer een uur lang verkennen. Voeg voortdurend graankorrels toe aan de lege ramekins om de muizen aan te moedigen om de testruimte en de potten regelmatig te verkennen. Zorg ervoor dat de muis de experimenteerder doorlopend kan zien gedurende de gehele acclimatisatieperiode, zodat de aanwezigheid van de experimenteerder geen extra stressor is.
Tijdens de test. Begin de training op dag 15 door de muis in het wachtgebied te plaatsen. Plaats vervolgens de lege ramekins, elk met een voedselbeloning, in het testgebied en til de startpoort op.
Laat de muis drie minuten om beide voedselbeloningen te halen na het herhalen van deze voedselbeloning op te halen meerdere keren. Voeg geleidelijk schoon kooibed in de potten in elke volgende proef toe. Laat de muis nog steeds drie minuten om de voedselbeloning uit elke pot te halen voordat het einde van de proef wordt aangekondigd.
Zodra de muis de voedselbeloning uit elke pot heeft gehaald, gaat u verder met de volgende proef. Als de muis geen pogingen doet om te graven, zodra de voedselbeloning gedeeltelijk is bedekt, kan deze worden geboden. Blijf bed vervoegen na elke proef totdat de voedselbeloning volledig is bedekt en de muis betrouwbaar de capaciteit aantoont om in een volle pot te graven.
Om de voedselbeloning te vinden op het moment van behandeling op de testdag, geef elke muis één voedselbeloning om een gebrek aan focus tijdens de test vanwege honger te vermijden. In de fase van symbooldiscriminatie is er slechts één Q-dimensie aanwezig. Het voorbeeld hier is een graafsubstraat dat volledig het voedselbeloning bedekt met media en graanstof over alle potten strooit.
Merk op dat wanneer geur de relevante Q-dimensie is, zaagselbed is het graafsubstraat in beide potten. Plaats vervolgens een muis in het wachtgebied met de startpoort gesloten en de potten aan weerszijden van de testkamer. Verwijder nu de poort en start de timer om met de test te beginnen.
Geef de muis drie minuten per proef om een keuze te maken, noteer of een juiste of onjuiste poging om te graven of keuze wordt gemaakt en de tijd totdat de muis de keuze maakt voor elke proef. Als een muis geen keuze heeft gemaakt binnen drie minuten, noteer deze keuze ook als onjuist. Zodra een keuze is gemaakt voor een van beide potten, verwijder dan de pot die niet is gekozen uit de testkamer.
Als er een juiste keuze wordt gemaakt, voel in dit voorbeeld, laat de muis de voedselbeloning afmaken. Als er een verkeerde keuze is gemaakt, papier in dit voorbeeld, laat de muis de pot verkennen om te laten zien dat er geen voedselbeloning is voor die keuze. Ongeacht de keuze.
Aan het einde van elke proef, plaats de muis terug in het wachtgebied en vervang de startpoort. Gebruik vervolgens in volgende proeven, met behulp van gepaard media en zintuigen zo
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit protocol beschrijft een gedragsmatige assay, specifiek de attentional set shifting task (AST), om de cognitieve flexibiliteit te evalueren die wordt gemedieerd door de prefrontale cortex bij muizen. De procedure omvat het trainen van muizen om een voedselbeloning te associëren met specifieke contextuele signalen en het vervolgens wijzigen van deze signalen om hun aanpassingsvermogen te beoordelen.
Belangrijkste componenten van de studie
Wetenschappelijk vakgebied
- Neurowetenschappen
- Gedragsassays
- Cognitieve flexibiliteit
Achtergrond
- De prefrontale cortex is cruciaal voor cognitieve flexibiliteit.
- Gedragsmatige assays helpen bij het begrijpen van neurale mechanismen.
- Taken voor het verschuiven van de aandachtset worden veelvuldig gebruikt in diermodellen.
- Het leren aanpassen aan veranderende signalen is essentieel voor overleving.
Doel van de studie
- Om de cognitieve flexibiliteit bij muizen te meten.
- Om de rol van de prefrontale cortex bij gedragsaanpassing te beoordelen.
- Om inzichten te verschaffen in cognitieve processen die relevant zijn voor de neurowetenschappen.
Gebruikte methoden
- Muizen trainen om te graven voor een voedbeloning.
- Het vaststellen van contextuele aanwijzingen die geassocieerd zijn met de beloning.
- Het wijzigen van beloningskoppelingen om de aandacht voor relevante dimensies te testen.
- Het evalueren van de prestaties over meerdere trials.
Belangrijkste resultaten
- Muizen leerden succesvol om beloningen te lokaliseren op basis van contextuele signalen.
- De prestaties verbeterden gedurende de proeven, wat wijst op leerprocessen.
- Gedragsflexibiliteit werd aangetoond door veranderingen in de signalen.
- De resultaten benadrukken het belang van de prefrontale cortex bij cognitieve taken.
Conclusies
- De AST meet effectief de cognitieve flexibiliteit bij muizen.
- De bevindingen dragen bij aan het begrip van de functies van de prefrontale cortex.
- Dit model kan worden gebruikt voor verder onderzoek in de cognitieve neurowetenschappen.
Veelgestelde vragen
Industriële relevantie voor executives
De attentional set shifting task (AST) biedt een translationeel valide gedragsmatige weergave van de door de prefrontale cortex gemedieerde cognitieve flexibiliteit bij muizen, wat mechanistische risicoreductie van neuropsychiatrische drugskandidaten mogelijk maakt. Door cognitieve inflexibiliteit te kwantificeren via een toename in het aantal trials tot aan het criterium tijdens de omkeerfasen, ondersteunt de assay targetvalidatie en voorspellende betrouwbaarheid in de vroege ontdekkingsfase. De conservering hiervan over verschillende soorten verbetert de translationele continuïteit van knaagdiermodellen naar de menselijke pathofysiologie.
Strategische toepassingen in biopharma R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Onderzoekt therapeutische hypothesen door de cognitieve flexibiliteit die afhankelijk is van de prefrontale cortex te meten als een functionele aflezing van target-engagement.
- Operationele waarde: Maakt biologische risicoreductie mogelijk van targets die betrokken zijn bij cognitieve tekortkomingen in modellen voor depressie, PTSS, schizofrenie en autismespectrumstoornissen.
- Voorspellende waarde: Ondersteunt portfoliotriage door verbindingen te identificeren die cognitieve inflexibiliteit omkeren, waardoor het vertrouwen in de klinische translatabiliteit toeneemt.
Screening & Assayontwikkeling
- Klaarheid voor assay: Genereert kwantitatieve metingen van de afhankelijke variabele (aantal pogingen tot criterium) die gestandaardiseerde, reproduceerbare screening van verbindingenbibliotheken mogelijk maken.
- Klaarheid voor screening: Levert gevalideerde biologische systemen (getrainde muizen) op die gereed zijn voor downstream evaluatie van farmacologische interventies op de cognitieve flexibiliteit.
- Herbruikbaarheid van het platform: Ondersteunt schaalbare implementatie over transgene, chronische ziekte- en farmacologische modellen met minimale procedurele variatie.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Ziekte-relevantie: Komt overeen met de dysfunctie van de prefrontale cortex die wordt waargenomen bij neuropsychiatrische en neuro-ontwikkelingsstoornissen, wat de gezichts- en constructvaliditeit verbetert.
- Translationele continuïteit: Slaat een brug van ontdekking naar preklinische validatie door cognitieve flexibiliteit te meten als een geconserveerd gedragseindpunt.
- Risico-gecorrigeerde vooruitgang: Informeert go/no-go-beslissingen door cognitieve inflexibiliteit te detecteren als een biomarker voor target-gemedieerde effectiviteit.
Integratie van pipeline en workflow
De AST past binnen het continuüm van ontdekking, van hypothesetoetsing in de vroege ontdekkingsfase tot lead-identificatie en preklinische werkzaamheidstests, met name voor cognitieve eindpunten bij neuropsychiatrische indicaties.
- Discovery Biology: Ondersteunt hypothesetoetsing en padverduidelijking door de rol van de prefrontale cortex bij aandachtswisselingen en cognitieve flexibiliteit te isoleren.
- Screening: Biedt assay-gereedheid en kwantitatieve output (aantal pogingen, foutpercentages) die betrouwbare evaluatie van verbindingen en het in kaart brengen van structuur-activiteitsrelaties mogelijk maken.
- Analytics: Levert statistische resultaten (gemiddeld aantal pogingen tot aan het criterium, shift-specifieke prestaties) waarmee teams drug-effecten kunnen vergelijken met vehicle- of genetische controles.
- Translationeel Onderzoek: Verbindt met preklinische continuïteit door een geconserveerd cognitief domein te meten dat is aangetast bij humane neuropsychiatrische aandoeningen.
- Enterprise Reuse: Fungeert als een herbruikbaar gedragsplatform voor meerdere projecten gericht op cognitie die door de prefrontale cortex wordt gemedieerd.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellend vertrouwen door mechanistische ambiguïteit in cognitieve druggeffecten te verminderen via directe meting van prefrontale cortex-afhankelijk gedrag.
- Operationele waarde: Waarborgt standaardisatie en reproduceerbaarheid via vaste trialparameters, criteriumdrempels en geblindeerde scoringsprotocollen.
- Strategische waarde: Verbetert go/no-go-beslissingen door cognitieve effectiviteit in een vroeg stadium te identificeren, waardoor het risico op falen in een laat stadium van neuropsychiatrische ontwikkeling wordt verminderd.
- Impact op portfolio: Maakt risico-gecorrigeerde prioritering mogelijk van verbindingen die een omkering van cognitieve inflexibiliteit vertonen in ziekterelevante modellen.
Overwegingen bij de implementatie
- Vereist expertise in de gedragsneurowetenschap bij knaagdieren, in het bijzonder op het gebied van habituatie, voedselrestrictie en geautomatiseerde of handmatige scoring van graafgedrag.
- Is afhankelijk van consistente omgevingscontroles (verlichting, geur, strooisel) en apparaathygiëne om storende variabelen tijdens het testen te minimaliseren.
- Vereist standaardisatie van hantering, training en testprocedures tussen teams om reproduceerbaarheid over verschillende locaties of operators te garanderen.
- Omvat overwegingen voor aanpassingen bij vertaling naar verschillende muizenstammen, leeftijden of ziektemodellen die de basisgraafmotivatie of het leersnelheid kunnen beïnvloeden.
- Bevat praktische beperkingen zoals de tijdlijn van drie weken per muis en gevoeligheid voor stress-geïnduceerde prestatievariabiliteit als de habituatie onvoldoende is.
