Obiektywny i powtarzalny test uczenia się węchu i dyskryminacji u myszy
March 22nd, 2018
Tutaj szkolimy myszy w zadaniu uczenia asocjacyjnego, aby przetestować rozróżnianie zapachów. Protokół ten pozwala również na badania nad zmianami strukturalnymi w mózgu wywołanymi uczeniem się.
Ogólnym celem tego protokołu zachowania jest wyszkolenie myszy tak, aby kojarzyły jeden zapach z nagrodą, a inny zapach z karą. Ta metoda może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie neurobiologii, takie jak uczenie się, plastyczność synaptyczna i dyskryminacja sensoryczna. Główną zaletą tej techniki jest to, że po wytrenowaniu myszy wykonują setki prób w ciągu kilku godzin w celu uzyskania solidnego próbkowania statystycznego.
Implikacje tej techniki rozciągają się w kierunku terapii lub diagnozy chorób neurodegeneracyjnych, ponieważ nasilenie dysfunkcji węchu jest predyktorem późniejszego pogorszenia funkcji poznawczych u ludzi. Chociaż ta metoda może zapewnić wgląd w węch, można ją również zastosować do innych systemów, takich jak widzenie lub słuch. Wizualna demonstracja tej metody ma kluczowe znaczenie, ponieważ początkowe kroki zarówno konfiguracji komory behawioralnej, jak i korzystania z oprogramowania są trudne do nauczenia się ze względu na różne porty połączeniowe i etapy szkolenia.
Aby rozpocząć, zmontuj komorę myszy z podłogą komory. Trzymaj pudełko treningowe w słabo oświetlonym miejscu o małym natężeniu ruchu, aby uniknąć rozpraszania uwagi. Następnie wywierć każdy port wodny z małym otworem na górze, aby igła o rozmiarze 18 mogła dozować wodę do portu.
Napełnij szklaną fiolkę środkiem zapachowym rozpuszczonym w oleju mineralnym i mocno dokręć nakrętkę. Następnie podłącz igłę o rozmiarze 18 do silikonowej rurki. Przebić szklaną nakrętkę fiolki i podłączyć drugi koniec silikonowej rurki do wlotu portów zapachowych.
Następnie umieść każdą silikonową rurkę w zaworze zapachowym. Podłącz przewód podciśnieniowy do portów zapachowych. Przymocuj dwie 10-mililitrowe strzykawki do metalowego pręta przytrzymującego i podłącz rurkę do strzykawek.
Następnie podłącz drugą stronę rurki do igły o rozmiarze 18. Włóż igłę do wywierconego otworu w otworze nośnym w komorze myszy i podłącz drugi koniec rurki do zaworu wody. Napełnij dwie 10-mililitrowe strzykawki wodą pitną dla gryzoni.
Następnie podłącz miernik przepływu powietrza do wlotu powietrza i utrzymuj przepływ powietrza na poziomie od trzech do pięciu litrów na minutę. Podłącz dwa zawory wodne, dwa zawory zapachowe, dwa porty wodne, port zapachowy i zasilanie do systemu interfejsu USB. I na koniec podłącz skrzynkę interfejsu USB do zasilania.
Następnie wyreguluj ssanie próżniowe, aby uniknąć zanieczyszczenia krzyżowego zapachów między próbami, i użyj rurki specyficznej dla zapachu, aby podłączyć fiolki z nazapachem do komory. Aby przygotować myszy do treningu, zacznij ograniczać wodę na poziomie 40 mililitrów na kilogram dziennie. Waż myszy codziennie, aby upewnić się, że przekraczają 80% masy wyjściowej i utrzymuj wszystkie czynniki środowiskowe na stałym poziomie przez cały protokół, w tym temperaturę, hałas i zabłąkane zapachy.
Wyczyść klatkę przed przeniesieniem do niej każdej myszy. Spryskaj i przetrzyj komorę 70% etanolem, aby zminimalizować rozpraszanie zapachu myszy. W przypadku pierwszego etapu szkolenia skonfiguruj pole zachowania z portem wodnym pośrodku i bez dostępu do wszystkich portów bocznych.
Umieść mysz w komorze i zamknij ją. Następnie rozpocznij program pierwszego etapu. Uznaj ten etap za zakończony, gdy mysz wykona 100 prób w ciągu 60 minut.
Wyjmij mysz z komory po 60 minutach lub po zakończeniu 100 prób. W przypadku drugiego etapu szkolenia skonfiguruj ten i każdy kolejny etap z dwoma portami wodnymi po bokach i portem zapachowym pośrodku. Umieść mysz w komorze i zamknij ją.
Następnie rozpocznij program drugiego etapu. Uznaj ten etap za zakończony, gdy w ciągu 60 minut wykona się co najmniej 40 prób, z co najmniej 25% nagród w postaci wody otrzymanych w ciągu pięciu sekund od pchnięcia centralnego nosa portem. Usuń mysz po zakończeniu tego etapu.
W przypadku trzeciego etapu szkolenia podłącz zapach S-plus do kontrolera dostarczania zapachów. Umieść mysz w komorze i zamknij ją. Następnie rozpocznij program trzeciego etapu.
Uznaj ten etap za zakończony, gdy w ciągu 60 minut pojawi się więcej niż 60 nagród, i usuń mysz, gdy etap będzie konkurencyjny. W przypadku szkolenia etapu cztery-A ustaw konfigurację pudełka taką samą, jak w poprzednim etapie trzecim. Następnie podłącz zarówno zapach S-plus, jak i S-minus do regulatora dostarczania zapachów.
Umieść mysz w komorze i zamknij ją. Następnie rozpocznij program etapu czwartego-A. Gdy mysz wykona 40 prób, przełącz program tak, aby losowo dostarczał zapachy.
Usuń mysz po zakończeniu etapu. W przypadku szkolenia na poziomie czwartym-B ten etap powinien być identyczny z etapem czwartym-A. Jednak kara za przerwę w grze za próbę zdobycia wody po zapachu S-minus wynosi cztery sekundy.
Podłącz zarówno zapach S-plus, jak i S-minus do kontrolera dostarczania zapachów. Umieść mysz w komorze. Zamknij komorę myszy i rozpocznij stage program four-B.
Uznaj ten etap za zakończony, gdy w ciągu 60 minut przeprowadzono ponad 100 prób, z dokładnością większą niż 85%W przypadku testu go/no-go ustaw konfigurację pudełka taką samą, jak w poprzednim etapie czwartym-B. Podłącz zarówno zapach S-plus, jak i S-minus do kontrolera dostarczania zapachów. Następnie umieść mysz w komorze.
Rozpocznij etap programu go/no-go, a następnie wystaw mysz, która nauczyła się zadania uczenia się węchu, na nowe pary chemicznie podobnych zapachów. Gdy myszy nauczą się zadania uczenia się węchu, mogą kojarzyć nowe pary zapachów z nagrodą i karą. Te wyszkolone myszy zwykle zaczynają z około 50% dokładnością w zadaniu go/no-go.
Procent poprawności można wykreślić za pomocą bloku próbnego jako krzywą uczenia się dla nowych par zapachów. W ciągu 10 prób blokowych myszy są w stanie prawidłowo rozróżnić zapachy, z dokładnością większą niż 85%. To pokazuje, że nasz protokół z powodzeniem wyszkolił myszy typu dzikiego, aby kojarzyły jeden zapach z nagrodą w postaci wody, a inny z karą za przerwę
.Gdy myszy nauczą się zadania, pary zapachów można modyfikować, aby zwiększyć lub zmniejszyć trudność zadania. Na przykład zmniejszenie stężenia pary zapachów zwiększa trudność zadania. Myszy są również w stanie zapamiętać poprzednio wyuczone pary zapachów.
Po odczekaniu siedmiu dni od nauczenia się zadania, test przypominania pokazuje, że myszy typu dzikiego mogą szybko zapamiętać wcześniej poznane skojarzenia zapachowe. Próbując wykonać tę procedurę, należy pamiętać, aby upewnić się, że pożądane substancje zapachowe są prawidłowo podłączone do pudełka behawioralnego. Jest to szczególnie ważne, jeśli wielu eksperymentatorów używa różnych zapachów.
Zgodnie z tą procedurą można wykonać inne metody, takie jak mapowanie zapachów, aby odpowiedzieć na dodatkowe pytania, takie jak: Jak uczenie się wpływa na sposób, w jaki informacje sensoryczne są reprezentowane przez mózg? Po opracowaniu technika ta utorowała drogę naukowcom z dziedziny neurobiologii do zbadania zmian neuronalnych w układzie węchowym myszy wywołanych uczeniem się. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak nauczyć myszy kojarzyć jeden zapach z nagrodą, a inny zapach z karą.
Nie zapominaj, że praca z ostrymi igłami może być niezwykle niebezpieczna, a podczas wykonywania tej procedury należy zawsze zachować środki ostrożności, takie jak prawidłowa utylizacja ostrych narzędzi.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Przegląd
To badanie bada dyskryminację zapachów przy użyciu zadania uczenia się asocjacyjnego u myszy, koncentrując się na zmianach strukturalnych indukowanych nauką w mózgu. Technika bada kluczowe pytania z zakresu neurobiologii, takie jak dyskryminacja sensoryczna i plastyczność synaptyczna.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neurobiologia
- Węch
- Uczenie się behawioralne
Tło
- Protokoły uczenia się asocjacyjnego są kluczowe w badaniu funkcji poznawczych.
- Dyskryminacja zapachów odgrywa kluczową rolę w przetwarzaniu sensorycznym ssaków.
- Zrozumienie zachowania węchowego u myszy może być związane z pogorszeniem funkcji poznawczych u ludzi.
- Ta metoda może być dostosowana do innych systemów sensorycznych, takich jak widzenie i słuch.
Cel badania
- Nauczyć myszy skojarzenia zapachów z nagrodami i karami.
- Zbadać przetwarzanie węchowe i jego implikacje dla chorób neurodegeneracyjnych.
- Opracować solidny test behawioralny do analizy statystycznej uczenia się.
Zastosowane metody
- Myszy są trenowanie w specjalnie skonfigurowanej komorze behawioralnej.
- Trening obejmuje różne etapy, oceniając dokładność w dyskryminacji zapachów.
- Nie wspominano o przepływach wielo-omikowych.
- Kluczowe kroki obejmują ograniczenie wody, aby zarządzać motywacją i kryteriami zakończenia etapu.
- Procedury obejmują staranne ustalenie systemów dostarczania zapachów i protokołów kondycjonowania.
Główne wyniki
- Myszy z powodzeniem uczą się skojarzenia różnych zapachów z nagrodami lub karą.
- Trening pozwala na wysoką statystyczną próbkowanie poprzez wielokrotne próby.
- Dokładność w dyskryminacji zapachów zbliża się do 85% po przeszkoleniu.
- Wyniki sugerują, że uczenie się węchowe można skutecznie ocenić za pomocą tego protokołu.
Wnioski
- Protokół pokazuje niezawodną metodę badania uczenia się asocjacyjnego w węchu.
- To podejście może dać wgląd w strategię terapeutyczną dla chorób neurodegeneracyjnych.
- Wyniki zwiększają zrozumienie mechanizmów dyskryminacji sensorycznej u ssaków.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
This protocol enables high-throughput, quantitative assessment of olfactory learning and discrimination in mice, providing a robust behavioral readout for target validation in neuroscience drug discovery. By supporting mechanistic de-risking of olfactory circuit function and plasticity, it informs early-stage hypothesis testing for compounds targeting neurodegenerative or sensory processing disorders. The assay’s reproducibility and scalability facilitate cross-functional alignment between discovery biology and translational research teams.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses related to olfactory learning, synaptic plasticity, and sensory discrimination mechanisms.
- Operational Value: Supports biological de-risking by quantifying odor association learning and memory retention in a controlled, reproducible system.
- Predictive Value: Generates quantitative behavioral data (e.g., accuracy rates, learning curves) that aid in portfolio triage and go/no-go decisions for CNS-targeted compounds.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Produces validated biological systems (trained mice) capable of hundreds of automated trials daily, enabling reliable compound evaluation.
- Standardization: Ensures reproducibility through strict environmental controls, water restriction protocols, and stage-based training criteria.
- Scalability: Facilitates high statistical sampling and longitudinal studies, supporting assay adaptation for dose-response or time-course screening.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Aligns with human olfactory dysfunction as a predictive biomarker of cognitive decline, supporting translational continuity from mouse models to clinical risk assessment.
- Mechanistic De-risking: Enables study of activity-dependent neuronal survival and plasticity, linking behavior to downstream biochemical, electrophysiological, or imaging readouts.
- Risk-Adjusted Advancement: Supports decisions on compound effects on learning-induced neural changes, reducing late-stage biological risk in sensory or neurodegenerative programs.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum from early target validation through preclinical validation, particularly for projects focused on olfactory processing, sensory discrimination, or neurodegenerative disease mechanisms.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by measuring how odor learning alters neural structure and function.
- Screening: Delivers quantitative, reproducible outputs (trial accuracy, learning curves) that enable comparison across experimental conditions or genetic models.
- Analytics: Provides statistical learning curves and discrimination thresholds that help teams assess compound effects on sensory processing and memory.
- Translational Research: Connects to preclinical validation through alignment with human olfactory biomarkers predictive of cognitive decline.
- Enterprise Reuse: Functions as a reusable behavioral platform for iterative testing across multiple compounds, genotypes, or environmental manipulations.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation by reducing mechanistic ambiguity in olfactory learning and plasticity pathways.
- Operational Value: Delivers standardization, reproducibility, and scalability through automated trial performance and strict procedural controls.
- Strategic Value: Improves capital efficiency by enabling early de-risking of CNS targets and reducing failure risk in later stages.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of compounds based on effects on learning, memory, and sensory discrimination.
Implementation Considerations
- Requires expertise in behavioral neuroscience, olfactory system anatomy, and operant conditioning techniques.
- Depends on specialized instrumentation including odor delivery systems, water valves, vacuum lines, and USB interface controllers.
- Necessitates cross-team standardization of environmental controls (odor, noise, temperature) and training protocols to ensure reproducibility.
- Involves adaptation considerations when transferring protocols across mouse strains, ages, or odorant physicochemical properties.
- Includes practical limitations such as setup complexity, needle hazards, and the need for consistent animal handling to avoid distraction or stress confounds.
