Operacyjne wewnątrz-/zewnątrzwymiarowe zadanie zmiany ustawień dla myszy
22 stycznia 2016
Zaburzenia poznawcze związane z uwagą są podstawową cechą wielu chorób psychicznych. W tym miejscu przedstawiamy opracowanie nowatorskiego automatycznego systemu do skutecznego badania zdolności zmiany ustawień uwagi, funkcji wykonawczych i innych zdolności poznawczych u myszy o wysokiej trafności translacyjnej do badań na ludziach.
Ogólnym celem tego eksperymentu jest stworzenie zautomatyzowanego zadania, które służy do oceny funkcji wykonawczych u myszy, a także naśladuje oryginalne ludzkie testy neuropsychologiczne. Ta metoda może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie neuronauki poznawczej. Na przykład, jak selektywne, poznawcze lub farmakologiczne leczenie może wpływać na funkcje poznawcze wyższego rzędu związane z zaburzeniami psychicznymi.
Głównymi zaletami tej techniki jest to, że jest ona całkowicie zautomatyzowana. Unika wszelkich źródeł subiektywizmu. Jest bardzo elastyczny i uzyskujemy szereg wyników, które są bardzo selektywne.
Implikacje tej techniki rozciągają się w kierunku diagnozy i leczenia dysfunkcji wykonawczych w zaburzeniach psychicznych, ponieważ pozwala ona na duże badania przesiewowe leków i genetyki, które są istotne dla objawów poznawczych w zaburzeniach psychicznych. Wizualna demonstracja tej metody ma kluczowe znaczenie, ponieważ prawidłowa konfiguracja tego zadania ma kluczowe znaczenie dla pomyślnego wyniku eksperymentu. Przygotuj myszy do eksperymentu, aklimatyzując je do pojedynczego pomieszczenia i lekko pozbawiając ich pożywienia przed badaniem, jak opisano w dołączonym protokole tekstowym.
Również przed badaniem należy upewnić się, że każda komora aparatu ma dwa otwory na nos wyposażone w wiązki zdjęć w podczerwieni, a pomiędzy nimi magazyn żywności z wiązkami fotograficznymi, w którym dozownik granulek dostarcza wzmocnienie żywności. Następnie przygotuj zmienne bodźce, które różnią się w trzech różnych wymiarach percepcyjnych. Lista sugerowanych bodźców znajduje się w Tabeli 1 dołączonego protokołu tekstowego.
Wybierz pięć par wzorców dla każdego wymiaru. Aby dostarczyć bodźce węchowe do otworów w nosie, użyj olfaktometru rozcieńczenia. Ustaw jeden olfaktometr, aby kontrolować dwa otwory na nos, a następnie załaduj go, napełniając butelki zapachowe zapachami rozcieńczonymi od jednego do dwudziestu w oleju mineralnym.
Podłącz pompę powietrza do wlotu olfaktometru, a podciśnienie do wylotów zamontowanych na urządzeniu do szturchania nosa. Następnie podłącz wylot do dostarczania zapachu do każdego wlotu szturchnięcia nosa i dostosuj natężenie przepływu do 1,5 litra na minutę. W celu uzyskania bodźców wizualnych umieść diody elektroluminescencyjne na każdym otworze w nosie i zabezpiecz je w metalowym panelu komory.
Podłącz każdą diodę do interfejsu wyjściowego. Aby uzyskać bodźce dotykowe, umieść zmienne tekstury podłogi na przesuwanym wsporniku pod otworem o wymiarach trzy na trzy centymetry przed każdym otworem na nos. Zamontuj różne tekstury, aby można je było przesuwać za pomocą ramek pod podłogą.
Przed testowaniem należy postępować zgodnie z sesjami treningowymi opisanymi w dołączonych protokołach tekstowych, aby przyzwyczaić myszy do komory testowej i procedury. Na każdym etapie rzeczywistego testu zmierz czas potrzebny myszy na dokonanie wyboru w każdej prezentacji, a także czas potrzebny na dokonanie ośmiu prawidłowych wyborów z dziesięciu kolejnych prób w celu ukończenia każdego etapu. Zatrzymaj codzienną sesję po 40 minutach lub jeśli mysz nie udzieli żadnej odpowiedzi przez pięć kolejnych minut.
Zakończ sesję i kontynuuj następnego dnia, trzymając mysz na tym samym etapie, na którym została przerwana. W przypadku prostego testu dyskryminacji zapoznaj myszy z zapachem, światłem lub teksturą, które są istotne we wszystkich zadaniach, aż do przesunięcia międzywymiarowego. W tym przykładzie przedstawione są dwa zapachy, wanilia i lawenda, a wanilia jest wybrana jako prawidłowa odpowiedź.
Dla dyskryminacji złożonej wprowadź drugi wymiar, taki jak światło, który nie wskazuje, gdzie znajduje się prawidłowa odpowiedź. Spraw, aby stan światła nie miał znaczenia dla wyniku i utrzymuj wanilię jako prawidłową odpowiedź. Przetestuj tę dyskryminację, aby wanilia była sparowana zarówno ze światłem niebieskim, jak i żółtym w kolejnych testach.
Aby odwrócić różnicę złożoną, niech zwierzęta nauczą się, że poprzednio prawidłowy bodziec jest teraz nieprawidłowy. W tym przykładzie wybierz lawendę jako poprawną odpowiedź, a wanilia jest teraz nieprawidłowym wyborem. Ponownie połącz właściwy zapach zarówno z niebieskim, jak i żółtym światłem w kolejnych testach.
Następnie wybierz przesunięcie wewnątrzwymiarowe, w którym następuje całkowita zmiana w projekcie. Użyj truskawek i cynamonu jako zapachów i zmień na pomarańczowe i białe światła. Upewnij się, że osoby badane postępują zgodnie z tym samym odpowiednim wymiarem, aby znaleźć prawidłową odpowiedź, którą jest truskawka.
Połącz zapach zarówno z pomarańczowym, jak i białym światłem w kolejnych testach. Następnie poproś myszy, aby dokonały odwrócenia przesunięcia wewnątrzwymiarowego i zmieniły właściwy zapach na cynamon. Ponownie połącz zapach zarówno z pomarańczowym, jak i białym światłem.
Dla przesunięcia wewnątrzwymiarowego użyj tych samych warunków co poprzednio, ale zamień wzorcowe pary na nowe zapachy i światła. Teraz dokonaj przesunięcia międzywymiarowego, wprowadzając tekstury jako nowy istotny wymiar. Dodaj gruboziarnisty papier ścierny do otworu pod jednym z otworów na nos i drobny papier ścierny pod drugim otworem.
W tym samym czasie podaruj im dwa nowe zapachy, takie jak cytryna i morela. Ustaw otwór odpowiednim gruboziarnistym papierem ściernym jako prawidłową odpowiedź. W kolejnych testach połącz gruboziarnisty papier ścierny zarówno z zapachem cytryny, jak i moreli.
Na koniec odwróć prawidłową odpowiedź, aby drobny papier ścierny wskazywał położenie otworu z prawidłową reakcją. W kolejnych testach połącz drobny papier ścierny zarówno z zapachem cytryny, jak i moreli. W przypadku protokołu dwuwymiarowego powtórz procedurę utknięcia w zestawie aż do przesunięcia międzywymiarowego.
Zamiast przełączać się w tym momencie na teksturę i zapach, przełącz odpowiedni wymiar, aby światło było istotne, a zapach nieistotny. Ustaw nowe przesunięcie międzywymiarowe tak, aby światła były teraz czerwone i zielone, a zielone światło działało teraz jako prawidłowa odpowiedź. Zapach jest teraz nieistotnym wymiarem.
Przetestuj zielone światło w połączeniu z obydwoma zapachami w kolejnych etapach. Do odwrócenia użyj tych samych zapachów, ale przełącz się tak, aby czerwone światło było teraz prawidłową reakcją. Sparuj czerwone światło z obydwoma zapachami w kolejnych etapach.
Gdy mysz zakończy sesję, przetrzyj konfigurację 70% etanolem, aby przygotować ją na następną mysz. Zawsze wykonuj testy w tej samej kolejności, ale zmieniaj bodźce w różnych testach tak, aby każdy z wybranych bodźców był jednakowo reprezentowany w badaniu. Upewnij się również, że w równym stopniu równoważysz wymiary percepcyjne używane w każdej grupie eksperymentalnej i pomiędzy nimi.
Dyskryminacja wzrokowa, dotykowa i zapachowa w tym nowym aparacie wymagała podobnej ilości czasu i podobnej liczby prób, aby osiągnąć kryterium, co sugeruje, że zwierzęta są w stanie dokonywać prostych dyskryminacji niezależnie od prezentowanego wymiaru. Podczas korzystania z protokołu utknięcia w zestawie, analiza wydajności myszy ujawnia, że efekt dyskryminacji u tych myszy potrzebował więcej prób i więcej czasu, aby rozwiązać etap przesunięcia pozawymiarowego w porównaniu z dyskryminacją złożoną, przesunięciem wewnątrzwymiarowym, przesunięciem wewnątrzwymiarowym 2 i etapami odwrócenia przesunięcia pozawymiarowego. Dotyczyło to również protokołu dwuwymiarowego.
Po opanowaniu eksperyment ten można przeprowadzić w ciągu 10 do 12 dni, wliczając w to całe przygotowanie i sesję treningową.
Przegląd
Niniejsze badanie przedstawia nowatorski zautomatyzowany system zaprojektowany do oceny przełączania zestawów uwagi oraz funkcji wykonawczych u myszy, zapewniający wysoką trafność translacyjną w odniesieniu do ludzkich badań poznawczych. Metoda ta ma na celu pogłębienie zrozumienia dysfunkcji poznawczych w zaburzeniach psychiatrycznych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka poznawcza
- Zaburzenia psychiatryczne
- Ocena behawioralna
Wstęp
- Przełączanie zestawu uwagi jest kluczowe dla zrozumienia elastyczności poznawczej.
- Nieprawidłowości poznawcze są powszechne w różnych stanach psychiatrycznych.
- Istniejącym metodom często brakuje automatyzacji i obiektywizmu.
- Celem niniejszego badania jest wypełnienie tej luki za pomocą nowego, zautomatyzowanego podejścia.
Cel badania
- Opracowanie zautomatyzowanego zadania do oceny funkcji wykonawczych u myszy.
- Naśladowanie ludzkich testów neuropsychologicznych w celu usprawnienia badań translacyjnych.
- Ułatwienie prowadzenia szeroko zakrojonych przesiewów leków i badań genetycznych dotyczących objawów poznawczych.
Zastosowane metody
- Zautomatyzowana aparatura testowa z otworami do wkładania nosa oraz wzmocnieniem pokarmowym.
- Wykorzystanie bodźców węchowych, wizualnych i dotykowych do zróżnicowanych ocen.
- Sesje treningowe w celu aklimatyzacji myszy do środowiska testowego.
- Pomiar czasu reakcji i dokładności podczas prób.
Główne wyniki
- Zautomatyzowany system pomyślnie ocenił przełączanie zestawów uwagi.
- Wyniki wskazały na znaczną elastyczność poznawczą u myszy.
- Metoda wykazała wysoką niezawodność i obiektywizm.
- Potencjalne zastosowania w diagnostyce i leczeniu dysfunkcji wykonawczych.
Wnioski
- To zautomatyzowane podejście usprawnia badanie funkcji poznawczych u myszy.
- Stanowi ono cenne narzędzie do badań nad zaburzeniami psychiatrycznymi.
- Otrzymane wyniki wspierają dalsze poszukiwania metod leczenia zaburzeń poznawczych.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
To zautomatyzowane zadanie operacyjne zmiany zestawu (set-shift) wypełnia krytyczną lukę w przedklinicznych badaniach neuropsychiatrycznych, zapewniając obiektywną, wysokoprzepustową platformę do oceny elastyczności poznawczej u myszy. Poprzez ścisłe naśladowanie ludzkiego paradygmatu ID/ED, umożliwia ono translacyjne przesiewanie związków i modeli genetycznych istotnych dla dysfunkcji wykonawczych w zaburzeniach takich jak schizofrenia i ADHD. System wspiera redukcję ryzyka mechanistycznego oraz zwiększa pewność prognostyczną we wczesnej fazie odkryć poprzez ilościowe określanie tworzenia zestawu uwagi, zmiany zestawu oraz uczenia się odwracania z wysoką elastycznością bodźców w różnych wymiarach percepcyjnych.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie hipotez terapeutycznych dotyczących obwodów kory przedczołowej i dopaminergicznej modulacji elastyczności poznawczej.
- Wartość operacyjna: Zapewnia zautomatyzowane, ilościowe odczyty zmiany zestawu uwagi (attentional set-shifting), co redukuje zmienność i zwiększa odtwarzalność wyników między laboratoriami.
- Wartość prognostyczna: Wspiera walidację celów terapeutycznych poprzez pomiar zmian w wydajności set-shiftingu indukowanych lekami, pomagając w podejmowaniu decyzji go/no-go dla związków aktywnych w OUN.
Przesiewanie i opracowanie testu
- Gotowość do analizy: Trójwymiarowy system bodźców (węchowych, wzrokowych, dotykowych) umożliwia elastyczne projektowanie testów w ramach różnych kampanii przesiewowych.
- Skalowalność: W pełni zautomatyzowane działanie pozwala na integrację z centralnymi placówkami badań behawioralnych w celu prowadzenia wielkoskalowych przesiewów genetycznych i farmakologicznych.
- Elastyczność bodźców: Duża liczba wskazówek w każdym wymiarze wspiera złożone rozróżnianie i redukuje błędy uczenia się, co zwiększa wiarygodność testu.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Znaczenie chorobowe: Bezpośrednio modeluje deficyty w przesuwaniu zestawu uwagi (attentional set-shifting) obserwowane w zaburzeniach psychiatrycznych, co wspiera walidację translacyjną.
- Ciągłość przedkliniczna: Umożliwia podłużną ocenę od wczesnego etapu odkrywania do walidacji przedklinicznej przy użyciu spójnych punktów końcowych behawioralnych.
- Postęp skorygowany o ryzyko: Wyniki w etapach przesunięć pozawymiarowych (extra-dimensional shift) stanowią punkt końcowy o charakterze biomarkera, służący do przewidywania skuteczności poznawczej badanych terapii.
Integracja potoku i przepływu pracy
Zadanie to wpisuje się w kontinuum procesu odkrywania leków – od walidacji celu po identyfikację związku wiodącego – oferując standaryzowany test behawioralny, który łączy badanie podstawowych mechanizmów z przesiewaniem fenotypowym. Jego automatyzacja oraz mierzalne wyniki umożliwiają integrację z wielomodalnymi potokami oceny w procesie poszukiwania leków neuropsychiatrycznych.
- Biologia odkrywcza: Ułatwia testowanie hipotez dotyczących obwodów neuronalnych leżących u podstaw elastyczności poznawczej, umożliwiając wyjaśnienie szlaków sygnałowych i ograniczanie ryzyka związanego z wyborem celu terapeutycznego.
- Przesiewanie: Dostarcza powtarzalnych, ilościowych wskaźników wydajności (np. liczba prób do osiągnięcia kryterium, latencja odpowiedzi), odpowiednich dla formatów wysokoprzepustowego przesiewania treści (high-content screening).
- Analityka: Generuje dane dotyczące wydajności specyficzne dla danego etapu, co pozwala na porównywanie genotypów, terapii i warunków doświadczalnych z wykorzystaniem uznanych krzywych uczenia się.
- Badania translacyjne: Są spójne z klinicznymi wynikami ID/ED, wspierając dostrajanie biomarkerów oraz walidację międzygatunkową punktów końcowych funkcji poznawczych.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Zaprojektowane jako platforma wielokrotnego użytku do powtarzalnych testów w różnych badaniach, co zmniejsza obciążenie związane z rewalidacją i umożliwia podłużne śledzenie kohort.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną w walidacji punktów uchwytu poprzez redukcję niejednoznaczności mechanistycznej w fenotypach poznawczych.
- Wartość operacyjna: Standaryzacja poprzez automatyzację minimalizuje błędy operatora i zwiększa odtwarzalność między laboratoriami.
- Wartość strategiczna: Poprawia efektywność kapitałową dzięki umożliwieniu wczesnego wykrywania deficytów poznawczych, co redukuje odsetek niepowodzeń w późnych fazach rozwoju leków psychiatrycznych.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację związków skorygowaną o ryzyko w oparciu o profile elastyczności poznawczej, dostarczając informacji dla decyzji o dalszym rozwoju projektów w obszarze OUN.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymagana jest wiedza z zakresu neuronauki behawioralnej oraz protokołów warunkowania instrumentalnego w celu prawidłowego przeszkolenia i wykonania procedury.
- Zależność od specjalistycznej aparatury, w tym systemów do wkładania nosa (nose poke), systemów dostarczania bodźców (olfaktometr, macierze LED, slajdy z teksturami) oraz modułów wzmocnienia pokarmowego.
- Konieczna jest standaryzacja harmonogramów treningowych, kontrbalansowanie bodźców oraz jednolitość kryteriów wydajności między zespołami w celu zapewnienia porównywalności danych.
- Adaptacja metody do różnych szczepów myszy lub tła genetycznego może wymagać korekt w zakresie motywacji (np. poziomu deprywacji pokarmowej) oraz wrażliwości sensorycznej.
- Ograniczenia praktyczne obejmują złożoność początkowej konfiguracji oraz konieczność rygorystycznego kontrbalansowania w celu zapobiegania stronniczości bodźców, zgodnie z opisem w protokole.
