Gromadzenie samodzielnie zainicjowanych danych behawioralnych szczurów w celu scharakteryzowania deficytów po udarze
15 marca 2024
Prezentowany jest system do pozyskiwania danych z samodzielnie zainicjowanych indywidualnych sesji behawioralnych w klatce kolonii społecznej. Skuteczność tego systemu wykazano za pomocą zautomatyzowanej oceny zasięgu, umożliwiającej scharakteryzowanie poudarowych zaburzeń motorycznych, potencjalnych zmian behawioralnych związanych z motywacją, zmian okołodobowych i innych innowacyjnych zmiennych zależnych.
Badania te mają na celu rozwiązanie typowych ograniczeń w eksperymentach behawioralnych poprzez umożliwienie zwierzętom życia w wzbogaconych pomieszczeniach kolonijnych. Celem jest ułatwienie samodzielnie zainicjowanych testów i szkoleń behawioralnych oraz pokazanie, w jaki sposób takie podejście może generować ważne zindywidualizowane dane, w tym zmienne zależne po udarze, zarówno typowe, jak i nowe. Istnieje kilka wyzwań dla naukowców przeprowadzających eksperymenty behawioralne, w tym poświęcanie czasu na trening behawioralny i minimalizowanie wszelkich potencjalnych zakłóceń związanych z obchodzeniem się z gryzoniami przez ludzi i pozbawianiem jedzenia, ćwiczeń i interakcji społecznych.
Miejmy nadzieję, że wyniki tego protokołu pokazują użyteczność stosowania zautomatyzowanych, wolnych od człowieka i/lub wzbogaconych ekologicznie podejść do zbierania danych behawioralnych. Mamy nadzieję, że zachęci to innych badaczy do wykorzystania tak wysokoprzepustowych metod do badania nowych zmiennych i szeregu paradygmatów eksperymentalnych. Aby rozpocząć, zdobądź wstępnie zmontowany kołowrót dla szczurów lub ORT.
Podłącz identyfikację radiową lub czytnik RFID do ORT, a następnie przymocuj antenę RFID do rurki ORT. Podłącz ort między aparatem behawioralnym a klatką kolonii. Zainstaluj system RFID, aby odczytywać zwierzęta przechodzące przez ORT.
Wprowadź tę samą wielkość kohorty szczurów do klatki kolonijnej. Trenuj szczura, aby regularnie wchodził do aparatu behawioralnego przez ORT. Następnie wprowadź uchwyt sondy do wprawnego aparatu wysięgnika.
W programie Arduino, aby ustawić uchwyt na najwyższą czułość, należy przejść do RAT. H i zdefiniuj próg siły wymagany do zainicjowania ściągania. Cofaj dźwignię codziennie o 0,25 do 0,5 milimetra, aż osiągniesz ostateczną pozycję od jednego do 1,25 centymetra na zewnątrz komory.
Zainicjuj program treningu percentylowego, aby stopniowo zwiększać siły ciągnące wymagane do aktywacji uchwytu. Gdy szczur niezawodnie osiągnie końcowy zakres kryterium 120 gramów, należy usunąć program treningowy percentyla i ustalić kryterium aktywacji uchwytu na 120 gramów. Odzyskaj szczura wywołanego udarem w tradycyjnej klatce przez trzy do siedmiu dni.
Po wyzdrowieniu należy umieścić szczura w klatce dla kolonii z ORT podłączonym do wykwalifikowanego aparatu do wysięgnika. Wykonaj testy behawioralne przy wymaganiach dotyczących ciągnięcia 120 gramów, aż do momentu zebrania wystarczających danych do oceny deficytów po udarze. W ocenach zasięgu zaobserwowano znaczące różnice we wskaźniku sukcesu, średniej sile na pociągnięcie i pociągnięciu na atak szczurów po wywołaniu udaru.
Udar nie wpłynął na inicjacje sesji. Kobiety konsekwentnie inicjowały więcej sesji niż mężczyźni, bez zmian w częstości po udarze. W przeciwieństwie do tego, większość szczurów wykazywała wydłużony czas trwania komory, prawdopodobnie z powodu zmniejszonego wskaźnika powodzenia ataku.
Udar wpłynął na okołodobowy wzorzec rozkładu sesji w ciągu dnia zarówno u mężczyzn, jak i kobiet. Przed udarem zwierzęta angażowały się w to zadanie głównie na początku cyklu światła, a u samic tuż przed nadejściem cyklu ciemnego. Po udarze zarówno mężczyźni, jak i samice przesunęli się w kierunku stopniowo zwiększającego się zaangażowania przez cały cykl świetlny.
Translacyjne badania nad udarem mózgu wykorzystują obecnie różne kluczowe testy behawioralne, ale większość z nich wymaga pracochłonnych i indywidualnych testów oraz okazjonalnego treningu ze zwierzętami. Ponadto zmienne samoinicjujące są rzadko rejestrowane, ponieważ testy obejmują głównie eksperyment lub zainicjowane sesje i zadania. W porównaniu z typowymi podejściami do treningu behawioralnego i testowania, protokół ten ma kilka zalet.
Rozwiązuje problemy związane z obchodzeniem się z człowiekiem, zmniejsza codzienną pracę badaczy, umożliwia kilka źródeł wzbogacenia, a nawet zapewnia nowatorskie pomiary zmiennych okołodobowych i inicjacyjnych.
Przegląd
Niniejsza praca przedstawia system pozyskiwania danych z sesji zachowań inicjowanych samodzielnie w warunkach klatki kolonijnej. Wykazano w niej skuteczność zautomatyzowanej oceny umiejętności sięgania w celu charakterystyki deficytów motorycznych po udarze oraz innych zmian behawioralnych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Nauki behawioralne
- Zautomatyzowany zbiór danych
Wstęp
- Tradycyjne eksperymenty oparte na analizie zachowań często napotykają pewne ograniczenia.
- Wzbogacone warunki utrzymania kolonii mogą sprzyjać bardziej naturalnym zachowaniom.
- Bezpośredni kontakt z człowiekiem może wprowadzać zmienne zakłócające w badaniach behawioralnych.
- Metody zautomatyzowane mogą zwiększyć trafność danych oraz przepustowość badań.
Cel badania
- Aby umożliwić przeprowadzanie testów behawioralnych inicjowanych samodzielnie przez gryzonie.
- Aby uzyskać wiarygodne, zindywidualizowane dane dotyczące zmiennych po udarze.
- Aby promować metody wysokoprzepustowe w badaniach behawioralnych.
Zastosowane metody
- Wykorzystanie gotowego zestawu urządzenia typu one rat turnstile (ORT).
- Zautomatyzowana ocena sprawności chwytania (skilled reach assessment) w celu gromadzenia danych.
- Testy behawioralne w środowisku wzbogaconym ekologicznie.
- Minimalizacja kontaktu człowieka ze zwierzętami podczas eksperymentów.
Główne wyniki
- Wykazano wykonalność zautomatyzowanych ocen behawioralnych.
- Zidentyfikowano potencjalne zmiany behawioralne związane z motywacją.
- Opisano dobowe wariacje w zachowaniu.
- Wskazano użyteczność metod gromadzenia danych bez udziału człowieka.
Wnioski
- Zautomatyzowane systemy mogą zwiększyć trafność danych behawioralnych.
- Testowanie inicjowane samodzielnie przez badanych może dostarczyć nowych spostrzeżeń behawioralnych.
- Zachęcenie badaczy do stosowania metod wysokoprzepustowych.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Zautomatyzowane, samostymulowane testy behawioralne w wzbogaconym środowisku kolonijnym umożliwiają wysokoprzepustową, obiektywną kwantyfikację deficytów pozudarowych w przedklinicznych modelach szczurzych. Podejście to ogranicza wpływ czynników zakłócających wywołanych przez człowieka oraz nakład pracy, dostarczając danych o większej wartości prognostycznej i translacyjnej dla procesu odkrywania leków ukierunkowanych na OUN. Metoda ta usprawnia podejmowanie decyzji w zakresie portfela projektów, dostarczając wiarygodnych, zindywidualizowanych punktów końcowych behawioralnych do walidacji celów terapeutycznych i ograniczania ryzyka mechanistycznego.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Umożliwia obiektywną ocenę deficytów ruchowych i behawioralnych po udarze w celu walidacji funkcjonalnej celu terapeutycznego.
- Wspiera ograniczanie ryzyka mechanistycznego poprzez kwantyfikację zarówno tradycyjnych, jak i nowych zmiennych behawioralnych.
- Zwiększa pewność prognostyczną w zakresie oddziaływania na cel w OUN dzięki zindywidualizowanym danym o wysokiej rozdzielczości.
Przesiewanie i opracowanie testu
- Przygotowuje zwalidowane, powtarzalne systemy behawioralne do późniejszego przesiewania związków.
- Standaryzuje wyniki ilościowe, takie jak siła pociągnięcia, analiza serii ruchów oraz wskaźniki inicjacji.
- Umożliwia skalowalny, zautomatyzowany zbiór danych w celu wiarygodnej oceny kandydatów terapeutycznych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Uzgadnia punkty końcowe zachowań z modelami istotnymi dla danej choroby w celu opracowania translacyjnych biomarkerów.
- Zapewnia ciągłość od wczesnej fazy odkrywania po walidację przedkliniczną poprzez minimalizację błędu ludzkiego.
- Wspiera decyzje o dalszym rozwoju projektów w oparciu o analizę ryzyka dzięki solidnym zbiorom danych behawioralnych obejmującym różne stany chorobowe.
Integracja potoków i przepływów pracy
Ten zautomatyzowany system testów behawioralnych integruje procesy od wczesnej fazy odkrywania, poprzez identyfikację związków wiodących, aż po walidację przedkliniczną w potokach badawczych nad OUN.
- Biologia odkrywcza: Umożliwia testowanie hipotez dotyczących deficytów funkcjonalnych po udarze oraz trajektorii powrotu do zdrowia.
- Screening: Zapewnia powtarzalne, ilościowe odczyty behawioralne do oceny związków chemicznych.
- Analityka: Umożliwia statystyczne porównanie wskaźników sukcesu, parametrów siły oraz wzorców okołodobowych w różnych kohortach.
- Badania translacyjne: Łączy wyniki przedkliniczne z punktami końcowymi w badaniach klinicznych poprzez modelowanie naturalnych zachowań i procesu rekonwalescencji.
- Zastosowania w przedsiębiorstwie: Oferuje skalowalną, wielokrotnego użytku platformę dla różnorodnych paradygmatów behawioralnych i wskazań neurologicznych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną i redukuje niejednoznaczność mechanistyczną w walidacji celów terapeutycznych w OUN.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje i automatyzuje gromadzenie danych behawioralnych, poprawiając odtwarzalność i przepustowość.
- Wartość strategiczna: Wspiera świadome decyzje typu go/no-go oraz efektywność kapitałową poprzez minimalizację czynników zakłócających związanych z obecnością człowieka.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację aktywów CNS z uwzględnieniem ryzyka w oparciu o wiarygodne punkty końcowe behawioralne.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w zakresie neuronauki behawioralnej oraz zautomatyzowanych systemów akwizycji danych.
- Wymaga klatek dla kolonii z obsługą RFID oraz aparatu do testowania chwytania (skilled reach apparatus) z możliwością pomiaru siły.
- Wymaga standaryzacji protokołów behawioralnych i analizy danych pomiędzy zespołami.
- Możliwość adaptacji do różnych modeli gryzoni i wskazań neurologicznych poprzez dostosowanie protokołu.
- Ograniczona kontrolą eksperymentalną nad ekspozycją i czasem, co odnotowano w badaniach walidacyjnych.
