Operacyjne wewnątrz-/zewnątrzwymiarowe zadanie zmiany ustawień dla myszy
January 22nd, 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
To badanie przedstawia nowy zautomatyzowany system zaprojektowany do oceny zmiany uwagi i funkcji wykonawczych u myszy, zapewniając wysoką wartość translacyjną dla badań poznawczych u ludzi. Metoda ma na celu zwiększenie zrozumienia dysfunkcji poznawczych w zaburzeniach psychiatrycznych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka poznawcza
- Zaburzenia psychiatryczne
- Ocena zachowania
Tło
- Zmiana uwagi jest kluczowa dla zrozumienia elastyczności poznawczej.
- Anomalie poznawcze są powszechne w różnych zaburzeniach psychiatrycznych.
- Istniejące metody często brakuje automatyzacji i obiektywności.
- To badanie ma na celu wypełnienie tej luki nowym zautomatyzowanym podejściem.
Cel badania
- Rozwój zautomatyzowanego zadania do oceny funkcji wykonawczych u myszy.
- Naśladowanie ludzkich testów neuropsychologicznych dla lepszej badania translacyjnej.
- Ułatwienie dużej skali badań leków i genetycznych dotyczących objawów poznawczych.
Stosowane metody
- Zautomatyzowane urządzenie testujące z otworami do wpychanego nosa i wzmocnieniem pokarmem.
- Zastosowanie bodźców węchowych, wzrokowych i dotykalnych dla zróżnicowanej oceny.
- Sesje treningowe mające na celu przyzwyczajenie myszy do środowiska testowego.
- Pomiar czasów reakcji i dokładności podczas testów.
Główne wyniki
- Zautomatyzowany system z powodzeniem oceniał zmianę uwagi.
- Wyniki wskazały na znaczną elastyczność poznawczą u myszy.
- Metoda wykazała wysoką niezawodność i obiektywność.
- Potencjalne zastosowania w diagnostyce i leczeniu dysfunkcji wykonawczych.
Wnioski
- To zautomatyzowane podejście poprawia badanie funkcji poznawczych u myszy.
- Daje cenną narzędzie do badań nad zaburzeniami psychiatrycznymi.
- Wyniki wspierają dalsze badania nad poznawczymi metodami leczenia.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
This automated operant set-shift task addresses a critical gap in preclinical neuropsychiatric research by providing an objective, high-throughput platform for assessing cognitive flexibility in mice. By closely mimicking the human ID/ED paradigm, it enables translational screening of compounds and genetic models relevant to executive dysfunction in disorders such as schizophrenia and ADHD. The system supports mechanistic de-risking and predictive confidence in early discovery by quantifying attentional set formation, shifting, and reversal learning with high stimulus flexibility across perceptual dimensions.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses involving prefrontal cortical circuits and dopaminergic modulation of cognitive flexibility.
- Operational Value: Provides automated, quantitative readouts of attentional set-shifting that reduce variability and increase reproducibility across laboratories.
- Predictive Value: Supports target validation by measuring drug-induced changes in set-shifting performance, aiding in go/no-go decisions for CNS-active compounds.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: The three-dimensional stimulus framework (olfactory, visual, tactile) allows for flexible assay design across diverse screening campaigns.
- Scalability: Fully automated operation enables integration into behavioral core facilities for large-scale genetic and pharmacological screens.
- Stimulus Flexibility: High number of cues per dimension supports complex discriminations and reduces learning biases, enhancing assay robustness.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Directly models attentional set-shifting deficits observed in psychiatric disorders, supporting translational validity.
- Preclinical Continuity: Enables longitudinal assessment from early discovery through preclinical validation using consistent behavioral endpoints.
- Risk-Adjusted Advancement: Performance on extra-dimensional shift stages provides a biomarker-like endpoint for predicting cognitive efficacy of investigational therapies.
Pipeline & Workflow Integration
The task fits within the discovery continuum from target validation to lead identification, offering a standardized behavioral assay that bridges basic mechanism and phenotypic screening. Its automation and quantifiable outputs support integration into multi-modal assessment pipelines for neuropsychiatric drug discovery.
- Discovery Biology: Facilitates hypothesis testing of neural circuits underlying cognitive flexibility, enabling pathway clarification and target de-risking.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative performance metrics (e.g., trials to criterion, response latency) suitable for high-content screening formats.
- Analytics: Generates stage-specific performance data that allow comparison across genotypes, treatments, and experimental conditions using established learning curves.
- Translational Research: Aligns with clinical ID/ED outcomes, supporting biomarker alignment and cross-species validation of cognitive endpoints.
- Enterprise Reuse: Designed as a reusable platform for repeated testing across studies, reducing revalidation burden and enabling longitudinal cohort tracking.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence in target validation by reducing mechanistic ambiguity in cognitive phenotypes.
- Operational Value: Standardization through automation minimizes operator bias and increases inter-laboratory reproducibility.
- Strategic Value: Improves capital efficiency by enabling early detection of cognitive liabilities, reducing late-stage attrition in psychiatric drug development.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of compounds based on cognitive flexibility profiles, informing advancement decisions in CNS portfolios.
Implementation Considerations
- Requires expertise in behavioral neuroscience and operant conditioning protocols for proper training and execution.
- Dependence on specialized apparatus including nose poke systems, stimulus delivery (olfactometer, LED arrays, texture slides), and food reinforcement modules.
- Necessitates cross-team standardization of training schedules, stimulus counterbalancing, and performance criteria to ensure data comparability.
- Adaptation across mouse strains or genetic backgrounds may require adjustments in motivation (e.g., food deprivation levels) and sensory sensitivity.
- Practical limitations include initial setup complexity and the need for rigorous counterbalancing to prevent stimulus bias, as noted in the protocol.
