Opracowanie pudełka behawioralnego do oceny hamowania prepulsu i aktywności neuronalnej w psychiatrycznych modelach zwierzęcych
22 lipca 2025
Protokół ten przedstawia skrzynkę behawioralną opartą na mikrokontrolerze do oceny hamowania przedimpulsowego (PPI) poprzez zbieranie danych o przyspieszeniu z czujnika znajdującego się pod skrzynką. Dane te oceniają deficyty bramkowania sensorycznego u społecznie izolowanych szczurów, z dodatkową metodą synchronizacji danych z aktywnością neuronalną w celu przyspieszenia badań neurofizjologicznych nad zaburzeniami zachowania.
Protokół ten przedstawia prostą metodę oceny zwierzęcych modeli schizofrenii, przeznaczoną dla badaczy behawioralnych bez wiedzy z zakresu programowania lub elektroniki. Stworzyliśmy opłacalne pudełko behawioralne do oceny hamowania prepulsowego u szczurów dotkniętych problemami neurorozwojowymi wynikającymi z dystresu we wczesnym okresie życia. Ostatnie postępy w psychiatrycznych modelach zwierzęcych wykorzystujących test hamowania prepulsowego koncentrują się na zrozumieniu deficytów bramkowania sensorycznego obserwowanych w zaburzeniach takich jak schizofrenia.
Obejmuje to modyfikacje genetyczne, neuroobrazowanie i interwencje farmakologiczne w celu zbadania zakłóceń hamowania prepulsów, co ostatecznie poprawi diagnostykę i terapie. Mamy nadzieję, że nasz protokół spopularyzuje badania nad hamowaniem prepulsowym w zwierzęcych modelach schizofrenii, a laboratoria, które badają molekularne, behawioralne i fizjologiczne aspekty choroby, mogą go wykorzystać, aby przyczynić się do zrozumienia tego złożonego zaburzenia psychicznego. Na początek zrób akrylowe przezroczyste pudełko, aby pomieścić swobodnie zachowującego się szczura wyposażonego w przewodową scenę główną.
Użyj samoprzylepnych gumowych podkładek, aby odizolować akrylowe pudełko od wibracji i zabezpiecz akcelerometr poniżej bez kontaktu z innymi częściami. Za pomocą lutownicy taśmowy bezpośrednio do czterech otworów na płytce akcelerometru. VCC, GND, SCL i SDA.
Oczyść środek akrylu i płaską płytę czołową akcelerometru. Następnie podłącz przeciwległy koniec taśmowego do mikrokontrolera, podłączając VCC do 3,3 V, GND do GND, SCL do SCL i SDA do SDA. Następnie zbuduj dźwiękoszczelną komorę z drzwiami frontowymi, używając 80-centymetrowych krawędzi z płyty pilśniowej o średniej gęstości o grubości 15 milimetrów.
Ustaw głośnik 20 centymetrów nad akrylową skrzynką, upewniając się, że scena czołowa i mają pełny zakres ruchu. Podłącz wyjście audio z komputera do płytki mikrokontrolera. Za pomocą uniwersalnej magistrali szeregowej podłącz płytkę mikrokontrolera do komputera.
Następnie otwórz zintegrowane oprogramowanie środowiska programistycznego dla płytki mikrokontrolera na komputerze. Po wybraniu odpowiedniej płytki mikrokontrolera, portu COM i szybkości transmisji, otwórz szkic pliku, skompiluj i prześlij kod na płytkę mikrokontrolera. Kliknij port szeregowy monitora, aby sprawdzić przychodzące dane.
Następnie zamknij oprogramowanie środowiska programistycznego. Teraz umieść cyfrowy miernik poziomu dźwięku w akrylowym pudełku, w którym zostanie umieszczone zwierzę. Odtwarzaj bodźce akustyczne i dostosuj zakres wykrywania na mierniku poziomu dźwięku, aby skalibrować poziomy bodźców wysyłanych przez komputer.
Następnie otwórz preferowane oprogramowanie typu open source do pobierania i zapisywania danych z portu szeregowego. Skonfiguruj ustawienia oprogramowania, w tym port COM, płytkę mikrokontrolera i szybkość transmisji. Kliknij przycisk Połącz, aby odczytać nieprzetworzone dane lub widok wykresu.
Następnie kliknij przycisk Zapisz, aby rozpocząć rejestrowanie danych z eksperymentów. Po wszczepieniu matrycy elektrod do mózgu szczura, ostrożnie połącz scenę główną z implantem łącznika na czaszce szczura. Następnie włącz neuronalny system akwizycji danych i potwierdź, że odbiera on dane z bodźców akustycznych za pośrednictwem mikrokontrolera lub generatora TTL podłączonego do detektora dźwięku lub mikrofonu.
Włącz skonfigurowany wcześniej rejestrator portów szeregowych typu open source. Teraz użyj oprogramowania do akwizycji elektrofizjologii do zbierania danych elektrofizjologicznych i akcelerometru. Wystaw zwierzę na działanie białego szumu tła przez siedem minut, z losową prezentacją wszystkich rodzajów impulsów, powtarzając każdy typ impulsu 10 razy.
Po zakończeniu sesji nagrywania wyłącz oprogramowanie do akwizycji. Następnie ostrożnie odłącz łącznik sceny czołowej od implantu na czaszce zwierzęcia. Aby przeprowadzić analizę elektrofizjologiczną i behawioralną, zaimportuj surowe dane zawierające aktywność mózgu, przyspieszenie i bodźce akustyczne do platformy przetwarzania sygnałów.
Wyodrębnij EPICS skoncentrowane na każdym bodźcu akustycznym. Następnie znormalizuj środki, aby umożliwić porównanie między zwierzętami. Ustaw odpowiedź na pojedynczy impuls jako odpowiedź maksymalną i znormalizuj odpowiedzi odruchowe na inne impulsy względem tej wartości.
Na koniec zdefiniuj amplitudę przerażenia dla impulsu 5 jako 100% i przedstaw odpowiedzi na inne impulsy w funkcji amplitudy impulsu 5. Analiza potencjału pola lokalnego wykazała brak znaczącej modulacji mocy w korze przedlimbicznej i podlimbicznej po stymulacji, podczas gdy obszary takie jak brzuszny obszar nakrywki, ciało migdałowate, jądro półleżące i hipokamp wykazały zmniejszoną gęstość widma mocy w pasmach delta, theta i alfa, z zauważalną modulacją beta. Zarówno akcelerometry komercyjne, jak i akcelerometry typu "zrób to sam" wykazały spójne dane oparte na amplitudzie i czasie, przy czym odczyty wyjściowe i amplitudy reakcji na zaskoczenie wykazały ścisłe dopasowanie między urządzeniami.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Ten protokół opisuje skrzynkę behawioralną opartą na mikrokontrolerach, zaprojektowaną do oceny inhibicji prepulsowej (PPI) u szczurów izolowanych społecznie, mającą na celu wycenę niedoborów bram sensorycznych związanych z zaburzeniami psychiatrycznymi, takimi jak schizofrenia. Synchronizując dane z akcelerometrów z aktywnością neuronów, to badanie ma na celu poszerzenie badań neurofizjologicznych skupionych na zrozumieniu zaburzeń behawioralnych.
Kluczowe komponenty badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka behawioralna
- Modele zaburzeń psychiatrycznych
- Neurofizjologia
Tło
- Badanie testu inhibicji prepulsowej historycznie stosowanego w badaniach nad schizofrenią.
- Podkreśla znaczenie bram sensorycznych i ich niedoborów w schorzeniach psychiatrycznych.
- Koncentruje się na zagadnieniach neurorozwojowych wynikających ze stresu wczesnego życia.
- Miarem jest poprawa zrozumienia interakcji między zachowaniem a neurofizjologią.
Cel badania
- Opracowanie przyjaznego dla użytkownika protokołu integrującego ocenę behawioralną z pozyskiwaniem danych neuronowych.
- Zachęcanie do szerszego wykorzystania modelu inhibicji prepulsowej w badaniach nad schizofrenią.
- Poprawa diagnostyk i podejść terapeutycznych dla niedoborów bram sensorycznych.
Stosowane metody
- Wykorzystano skrzynkę behawioralną opartą na mikrokontrolerach do zbierania danych z czujników przyspieszenia u szczurów swobodnie zachowujących się.
- Model koncentruje się na szczurach izolowanych społecznie, aby badać efekty istotne dla schizofrenii.
- Obejmują budowę dźwiękoszczelnych komór i podłączenie różnych komponentów elektronicznych.
- Zbieranie danych obejmuje miary behawioralne i elektrofizjologiczne podczas ekspozycji na bodźce.
Główne wyniki
- Wykryto znaczącą modulację mocy w określonych obszarach mózgu po stymulacji, co pokazuje naszą zdolność do rejestrowania zmian neurofizjologicznych.
- Zespoły akcelerometrów zarówno komercyjne, jak i DIY zapewniły niezawodne pomiary reakcji przestrachu.
- Wyrównanie odczytów początkowych i amplitud przestrachu między urządzeniami wskazuje na wysoką spójność w obsłudze danych.
Wnioski
- To badanie ułatwia zrozumienie przetwarzania sensorycznego w modelach zwierzęcych istotnych dla schizofrenii i innych zaburzeń behawioralnych.
- Dzięki oferowaniu dostępnego podejścia eksperymentalnego, protokół może być przyjęty do dalszego badania interakcji behawioralnych i fizjologicznych.
- Wyniki podkreślają znaczenie uwzględnienia zarówno ocen behawioralnych, jak i neuronowych w badaniach związanych z psychiatrią.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
Prepulse inhibition (PPI) testing in animal models provides a translational bridge for evaluating sensory gating deficits relevant to neuropsychiatric drug discovery. This protocol enables synchronized behavioral and neural activity measurements, supporting mechanistic de-risking and predictive confidence in early-stage target validation for psychiatric indications. The approach facilitates scalable, reproducible phenotyping critical for portfolio triage and cross-functional R&D alignment.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of sensory gating mechanisms implicated in schizophrenia and related disorders.
- Supports functional target validation by linking behavioral phenotypes to neural circuit activity.
- Facilitates mechanistic de-risking through quantitative assessment of neural and behavioral endpoints.
- Provides predictive confidence for advancing neuropsychiatric targets in the discovery pipeline.
Screening & Assay Development
- Delivers standardized, reproducible behavioral readouts for compound screening in disease-relevant models.
- Prepares validated animal systems for downstream pharmacological or genetic intervention studies.
- Enables quantitative measurement of startle and PPI responses for robust assay development.
- Supports platform scalability and reuse across neuropsychiatric research programs.
Translational & Preclinical Research
- Aligns animal model outputs with clinical sensory gating biomarkers for translational continuity.
- Enables risk-adjusted advancement decisions by integrating behavioral and electrophysiological data.
- Supports disease-relevant system validation for preclinical candidate selection.
- Provides mechanistic insight into neural circuit dysfunction underlying psychiatric phenotypes.
Pipeline & Workflow Integration
This protocol positions PPI testing and neural activity recording at the intersection of early discovery, lead identification, and preclinical validation for neuropsychiatric drug development.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification for sensory gating deficits.
- Screening: Provides reproducible, quantitative behavioral and neural readouts for compound evaluation.
- Analytics: Enables normalization and statistical comparison of startle and PPI responses across experimental groups.
- Translational Research: Bridges preclinical findings with clinical sensory gating endpoints.
- Enterprise Reuse: Offers a modular, cost-effective platform adaptable to diverse neuropsychiatric research needs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in neuropsychiatric target validation.
- Operational Value: Standardizes behavioral and neural data collection for reproducibility and scalability.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions and enhances capital efficiency in early-stage portfolios.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization and advancement of neuropsychiatric assets.
Implementation Considerations
- Requires expertise in behavioral neuroscience and electrophysiological data analysis.
- Needs instrumentation for synchronized behavioral and neural recording, including accelerometers and data acquisition systems.
- Demands cross-team standardization of stimulus calibration and data normalization protocols.
- Adaptable to various rodent models and psychiatric phenotypes with protocol modifications.
- Practical limitations include environmental control and technical calibration for consistent data quality.
