Interaktywny system do badania zachowań konfrontacyjnych u gryzoni w czasie rzeczywistym
16 maja 2025
Tutaj prezentujemy protokół do wykrywania i ilościowego określania zachowań drapieżników w modelu myszy. Platforma ta zapewnia nowy paradygmat badawczy do badania dynamiki i mechanizmów neuronalnych drapieżnych zachowań pościgowych u myszy i zapewni ustandaryzowaną platformę do badania zachowań pościgowych.
Drapieżne zachowania pościgowe obejmują różne procesy fizjologiczne, ale brakuje odpowiedniej metody badawczej. Badania te mają na celu zaproponowanie ustandaryzowanej metody badania neuronalnych mechanizmów zachowań zwierząt wywoływanych przez bodźce sensoryczne, zwłaszcza w pogoni za drapieżnikiem i ofiarą. Technologie takie jak optogenetyka, elektrofizjologia i obrazowanie mózgu są powszechnie wykorzystywane do rozwoju nauki w tej dziedzinie. Optogenetyka umożliwia precyzyjną kontrolę aktywności neuronalnej, a elektrofizjologia rejestruje sygnały neuronalne. Głównym wyzwaniem jest niekontrolowaność żywych ofiar, takich jak świerszcze, co utrudnia obserwację i zdefiniowanie pościgu w standardowych eksperymentach. Zachowania drapieżne można podzielić na cztery etapy: poszukiwanie, pogoń, atakowanie i konsumpcja. W ostatnich latach dwa ostatnie etapy były szeroko badane, podczas gdy zachowania związane z poszukiwaniem i pogonią rzadko były zaangażowane. Protokół ten zapewnia elastyczną i kontrolowaną sztuczną zdobycz do powtarzających się eksperymentów i modelowania, maksymalizuje symulację naturalnego polowania z interakcją w czasie rzeczywistym i niskimi opóźnieniami oraz oferuje skalowalny sprzęt i oprogramowanie, które są opłacalne i łatwe w użyciu.
[Narrator] Aby rozpocząć, zamontuj kamerę internetową na poprzeczce nad całą platformą, aby monitorować w czasie rzeczywistym pozycje myszy i robotycznej przynęty na arenie poniżej i przesyłać obrazy do komputera. Zaprojektuj dużą okrągłą arenę o średnicy 800 milimetrów i wysokości 300 milimetrów, składającą się z kwadratowego panelu akrylowego na dole i akrylowej rurki jako obramowania. Umieść cztery równomiernie rozmieszczone ikony, kwadrat, trójkąt, koło i krzyż, na wewnętrznych ścianach areny, aby służyły jako wizualne wskazówki. Przymocuj niebieską naklejkę do powierzchni magnesu, aby ułatwić identyfikację i lokalizację. Użyj okrągłego magnesu neodymowego z granulkami żywności jako przynęty robotycznej. Następnie zamontuj dwuwymiarowy suwak o efektywnym skoku 1,000 milimetrów pod areną. Zainstaluj kolejny magnes neodymowy na nośniku suwaka, aby służył jako magnes ciągnący do zdalnego przesuwania zrobotyzowanej przynęty za pomocą siły magnetycznej. Napęd magnesu biegunowego za pomocą serwomotorów, które są sterowane przez płytkę STM32 i obwód przełączający. Napisz diagram trybu kontroli prędkości. Ustaw serwomotor w trybie kierunku prędkości, w którym wysoki lub niski poziom sygnału koduje kierunek do przodu lub do tyłu, a częstotliwość wyjścia fali PWM koduje prędkość. Aby przesunąć zrobotyzowaną przynętę na środek areny, uruchom program resetowania. Odizoluj mysz na krawędzi areny za pomocą przegrody. Następnie ustaw nazwę eksperymentu i ścieżkę do pliku. Następnie ustaw prędkość poruszania się zrobotyzowanej przynęty na 5 centymetrów na sekundę w programie głównym. Kliknij Uruchom i sprawdź w wyskakującym oknie wideo, czy mysz i przynęta robotyczna są stabilnie rozpoznawane. Zdejmij przegrodę i uruchom minutnik, aby obserwować drapieżne zachowanie myszy przez 20 minut. Umieść mysz z powrotem w klatce i pozwól na 24-godzinny okres rekonwalescencji ze swobodnym dostępem do jedzenia i wody. Po każdej próbie habituacji dokładnie wyczyść arenę przy użyciu 75% alkoholu i wody. Przenieś zrobotyzowaną przynętę na środek areny, uruchamiając program resetowania, jak pokazano wcześniej, i odizoluj mysz za pomocą przegrody na krawędzi areny. Po ustawieniu nazwy eksperymentu, ścieżki pliku i prędkości poruszania się zrobotyzowanej przynęty, kliknij Uruchom w oprogramowaniu i obserwuj okno wideo, aby zapewnić stabilne wykrywanie zarówno myszy, jak i zrobotyzowanej przynęty. Zdejmij przegrodę i uruchom timer. Jeśli mysz przechwyci zrobotyzowaną przynętę w ciągu 60 sekund, zamknij główny program i pozwól myszy skonsumować wszystkie granulki jedzenia przed powrotem do klatki. Przywróć mysz do klatki bez żadnej nagrody ani kary, jeśli mysz nie złapie robotycznej przynęty w ciągu 60 sekund. Zadania związane z drapieżnictwem prowadzono z różną prędkością, a wyniki pokazują, że czas do pierwszego schwytania przynęty przez robota znacznie się skrócił we wszystkich próbach zamieszkiwania, co wskazuje na szybkie uczenie się u myszy. Myszy miały większą skuteczność chwytania przy 15 centymetrach na sekundę niż przy 30 centymetrach na sekundę, wykazując trudność zależną od prędkości. Jednak czas drapieżnictwa ustabilizował się poniżej 15 sekund po wielokrotnych próbach, niezależnie od prędkości przynęty. Wyraźne fazy poszukiwania i pościgu zaobserwowano również we wzorcach ruchowych myszy. Zachowanie podczas pościgu było niezawodnie indukowane przy różnych prędkościach przynęty, co przejawiało się w zmniejszeniu odległości i zwiększeniu prędkości podczas pościgu. Zadania związane z drapieżnictwem były również przeprowadzane przy użyciu różnych strategii ucieczki. Jednak strategia ucieczki beta nie wpłynęła na wskaźniki sukcesu drapieżnictwa. Czas drapieżnictwa został skrócony i ustabilizowany poniżej 15 sekund przy obu strategiach ucieczki. Myszy wykazywały konsekwentne zachowania pościgowe w ramach obu strategii ucieczki.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
To badanie przedstawia protokół wykrywania i ilościowego określania zachowania drapieżczego u myszy. Metoda ma na celu standaryzację badań nad mechanizmami neuronowymi leżącymi u podstaw tego zachowania, ułatwiając dalsze zbadanie dynamiki drapieżcy-ofiara.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Biologia behawioralna
- Modele zwierzęce
Tło
- Zachowanie drapieżcze obejmuje złożone procesy fizjologiczne.
- Istniejące metody badania tego zachowania są często nieodpowiednie.
- Wyzwania obejmują niemożność kontroli nad żywymi ofiarami w eksperymentach.
- To badanie wprowadza elastyczny i kontrolowany sztuczny system ofiar.
Cel badania
- Zaproponowanie standaryzowanej metody badania zachowania drapieżczego u myszy.
- Zbadanie mechanizmów neuronowych wyzwanych bodźcami zmysłowymi.
- Ulepszenie zrozumienia dynamiki interakcji drapieżca-ofiara.
Stosowane metody
- Opracowanie okrągłej arenę na kontrolowane eksperymenty.
- Użycie kamery internetowej do monitorowania w czasie rzeczywistym myszy i przynęty.
- Zastosowanie robotycznego systemu przynęt z wykorzystaniem magnesów i serwomechanizmów.
- Obserwacja zachowania myszy podczas zadań drapieżczych przy różnych prędkościach.
Główne wyniki
- Myszy wykazywały szybkie uczenie się w chwytaniu robotycznych przynęt w trakcie kolejnych prób.
- Czas drapieżczy osiągał stabilność poniżej 15 sekund niezależnie od prędkości przynęty.
- Wzorach ruchu myszy zidentyfikowano odrębne fazy poszukiwania i pościgu.
- Konsekwentne zachowanie pościgowe obserwowano w różnych strategiach ucieczki.
Wnioski
- Protokół zapewnia niezawodną metodę badania zachowania drapieżczego.
- Wyniki wskazują na zależność trudności w zadaniach drapieżczych od prędkości.
- To badanie poprawia zrozumienie mechanizmów neuronowych w drapieżczym zachowaniu.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
Standardizing the quantification of confrontational pursuit behavior in rodents addresses a critical gap in behavioral neuroscience and early discovery biology. This real-time interactive system enables reproducible, high-throughput investigation of neural mechanisms underlying complex behaviors, supporting predictive confidence in target validation and mechanistic de-risking. The platform's controllability and scalability position it as a reusable asset for cross-functional R&D teams focused on neurobehavioral phenotyping and translational model development.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables precise interrogation of neural circuits involved in sensory-driven pursuit behaviors.
- Supports functional target validation by linking behavioral outputs to neural manipulations.
- Facilitates mechanistic de-risking through standardized, repeatable behavioral assays.
- Improves predictive confidence for advancing neurobehavioral targets in the portfolio.
Screening & Assay Development
- Provides a validated, controllable behavioral system for downstream pharmacological or genetic screening.
- Delivers quantitative, reproducible kinematic outputs such as speed and trajectory.
- Enables assay standardization and scalability for comparative compound evaluation.
- Supports platform reuse across multiple behavioral paradigms and experimental conditions.
Translational & Preclinical Research
- Aligns rodent behavioral outputs with disease-relevant phenotypes for translational continuity.
- Enables risk-adjusted advancement decisions by quantifying behavioral endpoints linked to neural mechanisms.
- Supports biomarker discovery through integration with electrophysiology or imaging data.
- Facilitates continuity from early discovery through preclinical validation in neuropsychiatric and neurodegenerative models.
Pipeline & Workflow Integration
This interactive system integrates into the discovery continuum from early mechanistic studies to preclinical model validation, enabling hypothesis-driven research and robust behavioral phenotyping.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by enabling controlled manipulation of pursuit behavior.
- Screening: Provides assay readiness and reproducibility for evaluating genetic or pharmacological interventions.
- Analytics: Generates quantitative behavioral metrics for statistical comparison across experimental groups.
- Translational Research: Bridges discovery and preclinical phases by modeling disease-relevant behaviors in a standardized system.
- Enterprise Reuse: Offers a scalable, cost-effective platform adaptable to diverse neurobehavioral research needs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in neurobehavioral target validation.
- Operational Value: Enhances standardization, reproducibility, and throughput of behavioral assays.
- Strategic Value: Enables informed go/no-go decisions and capital-efficient portfolio management.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of neurobehavioral programs.
Implementation Considerations
- Requires expertise in behavioral neuroscience and experimental design.
- Needs instrumentation including computer vision, robotic control, and data acquisition systems.
- Demands cross-team standardization for protocol harmonization and data comparability.
- Adaptable to various rodent models and behavioral paradigms with minimal hardware modification.
- Practical limitations include the need for initial system setup and operator training.
