$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Odkrycie biologicznych mechanizmów leżących u podstaw zaburzeń neurorozwojowych (NDD) jest jednym z głównych wyzwań w dziedzinie neuronauki1. Sprostanie temu wyzwaniu wymaga paradygmatów behawioralnych i systemów eksperymentalnych, które typizują zachowanie gryzoni w standardowy i bezstronny sposób. Wpływowe badanie opublikowane ponad dekadę temu przez Moya i współpracowników2 przedstawiło test trzykomorowy. Od tego czasu test ten jest szeroko stosowany do badania zachowań społecznych w modelach NDD gryzoni. Ten test ocenia dwie wrodzone tendencje gryzoni: 1) do pozostawania w pobliżu bodźca społecznego nad obiektem (towarzyskość, zwana również preferencją społeczną [SP]) oraz 2) preferowanie bliskości nowego bodźca społecznego nad znanym (preferencja nowości społecznej [SNP])3,4. Kilka późniejszych badań sugerowało metody automatycznej analizy testu trójkomorowego przy użyciu metod komputerowych5,6.
Ten test nadal cierpi z powodu kilku zastrzeżeń. Po pierwsze, bada głównie preferencje dotyczące miejsc społecznych, a nie motywację podmiotu do bezpośredniej interakcji z bodźcem społecznym, chociaż niektóre grupy mierzą również czas badania węchu (wąchania), albo ręcznie7 lub za pomocą komercyjnych systemów komputerowych8,9,10. Po drugie, test trójkomorowy jest najczęściej używany do pomiaru całkowitego czasu spędzonego przez badanego w każdej komorze i zaniedbuje dynamikę behawioralną. Wreszcie, opiera się tylko na jednym aspekcie zachowania społecznego, którym jest czas spędzony przez badanego w każdej komorze (lub czas węchania, jeśli jest mierzony).
Tutaj prezentujemy nowatorski i niedrogi system eksperymentalny, który jest alternatywą dla aparatury trzykomorowej. Pozwala również na wykonywanie tych samych testów behawioralnych przy jednoczesnym rozwiązywaniu wyżej wymienionych zastrzeżeń. Przedstawiony system behawioralny automatycznie i bezpośrednio mierzy badawcze zachowanie gryzonia w stosunku do dwóch bodźców. Dodatkowo analizuje dynamikę zachowania w sposób niezależny od obserwatora. Co więcej, system ten mierzy wiele parametrów behawioralnych i analizuje je zarówno na poziomie indywidualnym, jak i populacyjnym; W ten sposób wspiera rygorystyczną analizę zachowań społecznych i ich dynamiki podczas każdego testu. Co więcej, losowe przestawianie komór w przeciwległych rogach areny podczas różnych etapów testów neutralizuje wszelkie efekty pamięci przestrzennej lub preferencji. System ten może być również wykorzystywany do innych testów dyskryminacji, takich jak dyskryminacja ze względu na płeć. Niestandardowa aparatura jest łatwa do wyprodukowania, a system analizy jest publicznie dostępny jako kod open source, co pozwala na jego wykorzystanie w dowolnym laboratorium. Wykazujemy zdolność tego systemu do pomiaru wielu parametrów zachowań społecznych w szczepach gryzoni o różnych kolorach futra podczas testów preferencji społecznych i preferencji nowości społecznych. Weryfikujemy również zdolność systemu do ujawniania zmodyfikowanej dynamiki zachowań społecznych u gryzoni po manipulacjach, takich jak przycinanie wąsów.
Oprogramowanie TrackRodent: w MATLAB (2014a-2019a) napisano trzy algorytmy do śledzenia obiektu eksperymentalnego i jego interakcji z bodźcami. Wszystkie algorytmy zostały zdeponowane w serwisie GitHub, znalezionym pod adresem . Głównym celem wszystkich czterech algorytmów jest śledzenie konturów ciała osoby badanej w celu wykrycia bezpośredniego kontaktu z obszarami bodźców.
Algorytm oparty na ciele: ten algorytm ma trzy wersje, które śledzą kontury ciemnej myszy bez przewodów na białym tle (BlackMouseBodyBased), białej myszy na ciemnym tle (WhiteMouseBodyBased) lub białego szczura na ciemnym tle (WhiteRatBodyBased). Graficzny interfejs użytkownika (GUI) oprogramowania wymaga, aby eksperymentator wybrał eksperyment przy użyciu myszy lub szczurów, a następnie wybrał właściwy kod. Dla każdej wersji algorytmu istnieją dwa opcjonalne kody: jeden, który przedstawia proces śledzenia na ekranie podczas wykonywania analizy, i drugi, który tego nie robi (stąd działa szybciej i jest określany jako "szybki"). Na przykład nazwy odpowiednich kodów algorytmu BlackMouseBodyBased to: "BlackMouseBodyBased23_7_14" i "BlackMouseBodyBased23_7_14_Fast". Wszystkie algorytmy kończące się na "fast" nie pokazują śledzenia online, a użytkownicy muszą bezpośrednio zapisać dane w pliku z wynikami (plik .mat). Wszystkie algorytmy oparte na ciele wymagają ustawienia pojedynczego progu ("dolnego progu" w graficznym interfejsie użytkownika oprogramowania) w celu wykrycia ciała obiektu.
Algorytm oparty na kierunkowości głowy: drugi algorytm, który jest dostępny tylko dla czarnych myszy, jest oparty na algorytmie opartym na ciele, oprócz określania kierunkowości głowy. Algorytm ten wykrywa interakcje głowy podmiotu z obszarami "bodźców", unikając w ten sposób fałszywych alarmów, które mogą powstać w wyniku losowych kontaktów podmiotu z tymi obszarami. Dla tego algorytmu zdefiniowano dwa progi wykrywania konturów ciała myszy: wysoki próg, który obejmuje jaśniejszy ogon czarnych myszy, i niski próg, który obejmuje ciało bez ogona. Następnie algorytm dopasowuje elipsoidę do wykrytych granic przy użyciu dolnego progu i definiuje położenie głowy i ogona myszy (bez rozróżnienia między nimi). Ostateczna dyskryminacja między ogonem a głową opiera się na granicach wyznaczonych przez wyższy próg.
Przewodowy algorytm zwierzęcia: trzeci algorytm ma na celu zminimalizowanie artefaktów wynikających z (np. przewodu elektrycznego lub światłowodu) podłączonych do zwierzęcia, umożliwiając analizę zachowania zwierzęcia podłączonego do. Ten algorytm ma kody tylko dla czarnych myszy i białych szczurów. Kod dla szczurów wymaga od eksperymentatora zdefiniowania zarówno dolnego, jak i wysokiego progu, podczas gdy kod myszy wymaga tylko niskiego progu.