Automatizada, Quantitative Cognitiva / Screening Comportamental de Ratos: Para Genética, Farmacologia, Cognição Animal e Instrução Graduação

O objetivo geral do experimento a seguir é rastrear camundongos manipulados genética e farmacologicamente quanto a disfunções e mecanismos básicos de cognição. Isso é conseguido fazendo medições psicofísicas de propriedades quantitativas fisiológicas significativas em um sistema de fenotipagem comportamental de alto rendimento totalmente automatizado. A próxima etapa é analisar e representar graficamente os dados recebidos quase em tempo real, o que permite o controle automatizado em tempo real dos testes mouse a mouse.

Em seguida, os dados brutos, o código do protocolo de teste e todas as estatísticas intermediárias são arquivados em uma única estrutura de dados. A fim de disponibilizar os dados publicamente e incentivar análises adicionais, os resultados mostram alterações específicas de deformação na fração de vapor temporal com base na tarefa de comutação. A principal vantagem dessa técnica sobre outros métodos, como o labirinto aquático, é que ela oferece resultados fisiologicamente significativos, rendimento muito alto e nenhum manuseio dos camundongos.

Portanto, esse método pode ajudar a responder a questões-chave no campo da neurogenética cognitiva, como existem cepas mutantes que alteraram quantitativamente os mecanismos de temporização do intervalo? As implicações dessa técnica se estendem à terapia ou ao diagnóstico de déficits cognitivos genéticos, pois podem levar à descoberta de genes que especificam componentes críticos desses mecanismos. Indivíduos novos neste método precisam entender os fundamentos da programação MATLAB e entender o poder dos testes psicofísicos automatizados quantitativos.

Adam e eu tivemos a ideia de criar este sistema pela primeira vez quando vimos a natureza trabalhosa e não quantitativa dos testes que estavam sendo feitos em camundongos geneticamente manipulados. Isso permite que 80 mouses sejam executados ao mesmo tempo. Cada ambiente de teste consiste em uma banheira de polipropileno conectada por um tubo de acrílico a uma caixa de teste de camundongo.

A caixa de teste possui três tremonhas, que são monitoradas por feixes infravermelhos. As duas tremonhas externas têm alimentadores de pellets acoplados e podem entregar pellets de alimentos, enquanto o funil do meio não entrega pellets de alimentos. Os cabos que passam por uma porta em uma parede de festa, conectam os ambientes de teste às placas de interface elétrica e computadores dedicados em outra sala, que executam os programas de controle de protocolo.

É necessário um computador para cada dois gabinetes. Esses computadores são conectados por meio de uma rede local a um servidor que executa o software de análise de dados e gráficos. Configure a rede local para que o servidor no qual o software de análise de dados está instalado possa acessar os discos rígidos dos computadores que controlam os ambientes de teste.

Em seguida, estabeleça uma conta de sincronização de arquivos para armazenamento de dados na nuvem. Adicione a pasta do sistema TS e suas subpastas ao caminho de pesquisa do MATLAB e certifique-se de que a pasta do sistema TS seja uma pasta sincronizada na nuvem. O sistema TS é uma biblioteca de software de código aberto com mais de 30 funções de alto nível escritas em MATLAB que facilitam a criação de análise de dados complexos e código gráfico de dados.

Na caixa de ferramentas do sistema TS, chame a função Ts para criar a estrutura de dados hierárquica na qual os dados brutos e todos os resultados derivados deles serão colocados pelas outras funções na caixa de ferramentas do sistema TS. Em seguida, chame ts add protocol para especificar parâmetros de controle para um protocolo experimental para especificar o código de decisão que automatizará a decisão de encerrar o protocolo e passar para o próximo e especificar os critérios de decisão a serem usados. Agora, coloque os mouses nos ambientes de teste 24 horas por dia, 7 dias por semana, um mouse por ambiente.

Observe o número de identificação dos mouses, o número da caixa e a letra que identifica o computador de controle do experimento na rede local e seu endereço IP. Na próxima chamada, ts start session para iniciar a sessão experimental. As sessões experimentais duram de uma a duas semanas, durante as quais vários protocolos de teste comportamental diferentes são executados.

Em seguida, em um computador de controle chame a macro que iniciará todas as caixas controladas por esse computador. Essa macro foi criada pela sessão inicial do TS. Repita isso nos outros computadores de controle.

A análise de dados pode ser feita escrevendo um novo código de análise de dados e gráfico usando os comandos na caixa de ferramentas do sistema TS ou usando ou modificando a análise de dados existente e o código gráfico fornecido na biblioteca Ts. Uma vez iniciado, o experimento é executado sozinho, embora algum monitoramento seja necessário durante toda a duração do experimento. Monitore o e-mail para alertas do programa de análise de dados do sistema TIA, indicando possíveis avarias do equipamento, como falhas de energia, controle espontâneo, reinicializações do computador e mau funcionamento do alimentador de pellets.

Esses alertas por e-mail permitem um reparo oportuno do mau funcionamento duas a quatro vezes ao dia estudo. Os gráficos de desempenho que o código de análise de dados do sistema TS produz toda vez que é chamado pelo temporizador de análise. Essas parcelas podem ser monitoradas de qualquer lugar do mundo a qualquer momento e, se necessário, o protocolo experimental pode ser revisado on-line remotamente do local onde os camundongos estão sendo testados.

Use também o navegador TS para estudar os dados e estatísticas resumidas na estrutura hierárquica de dados à medida que se tornam disponíveis em gráficos de desequilíbrio cumulativo quase em tempo real para pellets obtidos referidos como renda são plotados em vermelho e a duração da visita é plotada em preto para três camundongos do tipo selvagem e três heterozigotos Lone. Uma inversão de cronograma ocorreu no ponto em que as encostas viraram para baixo, marcadas por linhas vermelhas verticais para três dos camundongos. A inclinação do desequilíbrio de visita cumulativa plota a linha preta acompanha de perto a inclinação do desequilíbrio de renda cumulativa.

A linha vermelha, isso indica uma correspondência quase perfeita da proporção entre a duração média das visitas e a proporção das receitas. Observe a rapidez com que a proporção das durações das visitas se ajusta à mudança na proporção das rendas nos pontos de inflexão descendente. Por outro lado, outro camundongo não conseguiu combinar durante as segundas sessões de alimentação, conforme mostrado pela inclinação zero da visita cumulativa.

Gráfico de desequilíbrio de duração em preto, enquanto a inclinação do desequilíbrio de renda em vermelho é substancialmente positiva. No entanto, durante a terceira fase de alimentação, as inclinações são paralelas, o que significa que este camundongo começou abruptamente no início desta fase para combinar sua taxa de visita com a taxa de renda. Claramente, portanto, era capaz de fazê-lo, mas não o fez por algum motivo durante parte do teste.

Isso ilustra a importância de visualizar todo o curso do desempenho, em vez de confiar inteiramente em algumas estatísticas resumidas. Este camundongo correspondeu precisamente durante a primeira relação de renda, mas quando foi invertido, o camundongo não reverteu totalmente outro camundongo superado durante a terceira fase de alimentação. Ou seja, o desequilíbrio médio de visitas foi maior do que o desequilíbrio médio de renda e não se ajustou totalmente à reversão do desequilíbrio de renda.

Observe, no entanto, que todos os seis camundongos, tanto os três tipos selvagens quanto os três heterozigotos, combinaram com precisão durante a primeira fase de alimentação de quatro horas e mostraram uma resposta abrupta à reversão da razão de renda. Isso demonstra o funcionamento intacto nos heterozigotos de muitos mecanismos básicos de cognição, como duração, estimativa, número, estimativa da taxa de estimativa, localização espacial e a capacidade de lembrar quantidades abstratas simples. Na neurogenética cognitiva, é tão importante determinar o que ainda está funcionando normalmente quanto descobrir o que não está funcionando ou tem alguma alteração quantitativa interessante em seu funcionamento.

Ciclos cumulativos ou uma visita à tremonha um, seguida por uma visita à tremonha dois, seguida por um retorno à tremonha um, são plotados em função do tempo da sessão. Aqui, as verticais verdes tracejadas marcam o início das fases de alimentação. A marca vertical vermelha sólida.

O deslocamento da alimentação com que o rato começa a circular entre os funis é uma medida do que pode ser chamado de ousadia ou tendência a explorar. Cinco dos seis mostraram alguma exploração antes do início da primeira fase de alimentação e começaram abruptamente a circular entre os funis assim que começou. Um camundongo, no entanto, não mostrou nenhum comportamento exploratório, nem um único ciclo até a metade da segunda fase de alimentação, ponto em que começou abruptamente a circular entre os funis.

A análise de experimentos de condicionamento instrumental e clássico produz registros cumulativos de velocidades de iniciação de tentativas. Esses experimentos mediram a taxa de aprendizado, ou seja, o número de pares antes do aparecimento do comportamento condicionado. As linhas tracejadas verticais marcam o teste de aquisição em cada registro.

O teste de aquisição é o primeiro teste em que há um aumento significativo na velocidade de início do teste, desde que a nova velocidade mais alta seja maior que a velocidade no primeiro segmento. Essa provisão de escada é necessária porque às vezes há uma diminuição significativa antes do primeiro aumento significativo. As distribuições cumulativas das latências de início do estudo são mostradas aqui.

O ponto acima do eixo X no qual a linha horizontal em 0,5 cruza a distribuição cumulativa é a latência mediana para iniciar um teste. Os registros cumulativos das diferenças entre a taxa de cutucada durante o funil de alimentação e a taxa de cutucada durante o intervalo entre tentativas anterior são mostrados aqui. Inicialmente, a inclinação desse registro é zero ou negativa porque o mouse cutuca menos durante a iluminação do funil do que durante o intervalo entre tentativas.

A inclinação torna-se positiva quando o rato começa a cutucar a tremonha iluminada em antecipação à entrega iminente da apelação. Os pontos sólidos marcam o ponto em que a inclinação se torna positiva, que é o teste em que a resposta condicionada aparece pela primeira vez de forma confiável nesses gráficos. As linhas azuis são funções de distribuição cumulativa empírica que mostram a distribuição cumulativa das latências de comutação para um mouse em três configurações diferentes da latência de alimentação no funil longo.

As finas curvas vermelhas que se sobrepõem quase exatamente às funções empíricas são os seis parâmetros que as funções belgas se ajustam a esses dados. As linhas vermelhas pesadas são as funções de densidade de probabilidade correspondentes para as distribuições de mistura de belga. Encurtar a latência de alimentação longa fez com que o mouse encurtasse a média de suas latências de switch e aumentasse sua precisão.

Também causou o aparecimento de alguns interruptores impulsivos, como mostrado pela saliência na cauda esquerda da função de densidade de probabilidade no gráfico inferior. A medida dessa impulsividade é a fração da mistura atribuída ao componente de Weibel pela versão de melhor ajuste da distribuição da mistura de Weibel Gauss. Nesta análise, os testes curtos são marcados com pequenas vantagens vermelhas na parte inferior do gráfico, enquanto as tentativas longas são marcadas com pequenas vantagens vermelhas na parte superior do gráfico.

A mudança na densidade das listras vermelhas resultantes na parte inferior e superior indica a mudança na frequência relativa das tentativas curtas e longas. As latências do switch são marcadas por pequenos círculos abertos. Observe que quando o vermelho na parte inferior se torna mais denso, o que significa que as tentativas curtas são mais prováveis, os pequenos círculos se deslocam para cima e quando o vermelho no topo se torna mais denso, o que significa um aumento na probabilidade de tentativas longas, os círculos se deslocam para baixo.

As linhas azuis são as medianas das distribuições. Um gráfico raster de 24 horas de eventos comportamentais e ambientais durante um período de teste de 90 dias é mostrado aqui. Os pontos pretos registram cutucadas e os pontos vermelhos e verdes registram as entregas de pellets nos dois funis de alimentação.

Os primeiros triângulos pretos registram as luzes apagadas, enquanto os segundos triângulos pretos registram as luzes na primeira coluna de triângulos cianos registram o início do intervalo de alimentação do crepúsculo, que ocorre uma hora antes do próprio anoitecer, e a segunda coluna de triângulos ciano registra o deslocamento do intervalo de alimentação do crepúsculo, que ocorre três horas após o apagar das luzes. Esses triângulos magenta registram o início não sinalizado dos intervalos de alimentação do amanhecer, que ocorre duas horas antes do acendimento das luzes, e a última coluna de triângulos magenta registra os deslocamentos das alimentações do amanhecer. Os inícios da atividade antecipatória da alimentação antes da alimentação ao anoitecer são marcados com asteriscos azuis entre seis e 15 dias.

Após o início dos testes, os camundongos começam a exibir atividade de cutucar antecipatória de alimentos cerca de uma hora antes do intervalo de alimentação do crepúsculo, indicando o estabelecimento de uma memória circadiana. Heterozigotos contendo uma mutação no gene L um mostram maior precisão de tempo de intervalo do que seus controles de ninhada do tipo selvagem. Esta figura representa as distribuições cumulativas das estimativas de precisão para os controles do tipo selvagem como linhas sólidas e seus companheiros de serapilheira zigóticos como linhas tracejadas quando executados em blocos de tentativas com intervalos cada vez mais estreitos entre as traves temporais, o que é mostrado pelas diferenças de cor.

Em contraste, os heterozigotos portadores da mutação bat faced ou BFC mostram menor precisão de tempo de intervalo do que seus controles selvagens e selvagens. Depois de dominar essa técnica, o teste pode ser feito em menos de um dia ou até algumas semanas. A correspondência leva apenas um dia de comida.

O aprendizado antecipatório leva duas ou três semanas.