Um operante intra / extra-dimensional Set-shift-Tarefa para ratos
January 22nd, 2016
Anormalidades cognitivas que mudam de atenção são uma característica central de muitas doenças psiquiátricas. Aqui, apresentamos o desenvolvimento de um novo sistema automático para o estudo efetivo das habilidades de mudança de atenção, funções executivas e outras habilidades cognitivas em camundongos com alta validade translacional para estudos humanos.
O objetivo geral deste experimento é criar uma tarefa automatizada que seja usada para avaliar as funções executivas em camundongos e também imite os testes neuropsicológicos humanos originais. Este método pode ajudar a responder a questões-chave no campo da neurociência cognitiva. Por exemplo, como o tratamento seletivo, cognitivo ou farmacológico pode afetar as funções cognitivas de ordem superior relevantes para transtornos psiquiátricos.
As principais vantagens dessa técnica são que ela é totalmente automatizada. Evita qualquer fonte de subjetividade. É muito flexível e obtemos uma série de resultados que são muito seletivos.
A implicação dessa técnica se estende ao diagnóstico e ao tratamento de disfunções executivas em transtornos psiquiátricos, pois permite grandes exames genéticos e de drogas que são relevantes para os sintomas cognitivos em transtornos psiquiátricos. A demonstração visual desse método é fundamental, pois a configuração correta dessa tarefa é crucial para um resultado bem-sucedido do experimento. Prepare os camundongos para o experimento aclimatando-os a um único alojamento e privando-os ligeiramente de comida antes do teste, conforme descrito no protocolo de texto que acompanha.
Também antes do teste, certifique-se de que cada câmara do aparelho tenha dois orifícios de cutucar o nariz equipados com feixes fotográficos infravermelhos e, entre eles, um carregador de alimentos com feixes fotográficos onde um dispensador de pellets fornece o reforço alimentar. Em seguida, prepare estímulos mutáveis que variam em três dimensões perceptivas diferentes. Uma lista de estímulos sugeridos pode ser encontrada na Tabela Um do protocolo de texto que acompanha.
Escolha cinco pares de exemplares para cada dimensão. Para fornecer estímulos olfativos nos orifícios do nariz, use um olfatômetro de diluição. Configure um olfatômetro para controlar dois orifícios de cutucar o nariz e, em seguida, carregue-o enchendo os frascos de perfume com aromas de odor diluídos de um a vinte em óleo mineral.
Conecte a bomba de ar à entrada do olfatômetro e o vácuo às saídas montadas no dispositivo de cutucar o nariz. Em seguida, conecte a saída para entrega de odor a cada entrada de puxão nasal e ajuste a vazão para 1,5 litros por minuto. Para estímulos visuais, coloque diodos emissores de luz em cima de cada orifício de perfuração do nariz e prenda-os no painel de metal da câmara.
Conecte cada diodo à interface de saída. Para estímulos táteis, coloque texturas de piso mutáveis em um suporte deslizante sob uma abertura de três por três centímetros na frente de cada orifício de nariz. Monte as diferentes texturas para que possam ser movidas usando molduras sob o piso.
Antes do teste, certifique-se de seguir as sessões de treinamento conforme descrito nos protocolos de texto que acompanham para habituar os camundongos à câmara e ao procedimento de teste. Em cada estágio durante o teste real, meça o tempo que o mouse leva para fazer uma escolha em cada apresentação, bem como quanto tempo leva para fazer oito escolhas corretas em dez tentativas consecutivas para concluir cada estágio. Pare a sessão diária após 40 minutos ou se um mouse não conseguir dar qualquer resposta por cinco minutos consecutivos.
Encerre a sessão e continue no dia seguinte, com o mouse no mesmo estágio em que parou. Para o teste de discriminação simples, apresente aos camundongos um odor, luz ou textura que seja relevante em todas as tarefas até a mudança extradimensional. Neste exemplo, dois odores, baunilha e lavanda, são apresentados, e a baunilha é selecionada como a resposta correta.
Para a discriminação composta, introduza uma segunda dimensão, como a luz, que não indica onde a resposta correta está localizada. Torne o status de luz irrelevante para o resultado e mantenha a baunilha como a resposta correta. Teste essa discriminação para que a baunilha seja emparelhada com a luz azul e a luz amarela em testes subsequentes.
Para a reversão da discriminação composta, faça com que os animais aprendam que o estímulo anteriormente correto agora está incorreto. Para este exemplo, selecione lavanda como a resposta correta, com baunilha agora sendo a escolha incorreta. Novamente, emparelhe o perfume correto com a luz azul e a luz amarela em testes subsequentes.
Depois disso, selecione um deslocamento intradimensional, no qual ocorre uma mudança total no projeto. Use morango e canela como odores e mude para luzes laranja e brancas. Certifique-se de que os sujeitos do teste sigam a mesma dimensão relevante para encontrar a resposta correta, que é morango.
Combine o perfume com as luzes laranja e branca em testes subsequentes. Em seguida, faça com que os camundongos realizem a reversão da mudança intradimensional e mudem o cheiro correto para canela. Mais uma vez, combine o perfume com as luzes laranja e branca.
Para uma mudança intradimensional, use as mesmas condições de antes, mas mude os pares exemplares com os novos odores e luzes. Agora, execute a mudança extradimensional introduzindo texturas como uma nova dimensão relevante. Adicione uma lixa grossa na abertura sob um dos orifícios do nariz e uma lixa fina sob a segunda abertura.
Ao mesmo tempo, apresente-os com dois novos odores, como limão e damasco. Defina o furo com a lixa grossa correspondente como a resposta correta. Combine a lixa grossa com os aromas de limão e damasco em testes subsequentes.
Por fim, inverta a resposta correta para que a lixa fina indique a posição do furo com a resposta correta. Combine a lixa fina com os aromas de limão e damasco em testes subsequentes. Para o protocolo bidimensional, repita o procedimento preso até o deslocamento extradimensional.
Em vez de mudar para textura e odor neste ponto, mude a dimensão relevante para que a luz seja relevante e o odor seja irrelevante. Configure a nova mudança extradimensional para que as luzes agora estejam vermelhas e verdes, com a luz verde agora agindo como a resposta correta. O odor agora é a dimensão irrelevante.
Teste a luz verde emparelhada com ambos os odores nos estágios subsequentes. Para a reversão, use os mesmos odores, mas mude para que a luz vermelha seja agora a resposta correta. Emparelhe a luz vermelha com os dois odores nos estágios subsequentes.
Assim que um mouse terminar a sessão, limpe a configuração com 70% de etanol para prepará-la para o próximo mouse. Sempre execute os testes na mesma ordem, mas altere os estímulos em vários testes para que cada um dos estímulos escolhidos seja igualmente representado no estudo. Além disso, certifique-se de contrabalançar igualmente as dimensões perceptivas usadas dentro e entre cada grupo experimental.
As discriminações visuais, táteis e de odor neste novo aparato exigiram uma quantidade semelhante de tempo e um número semelhante de tentativas para atingir o critério, sugerindo que os animais são capazes de realizar discriminações simples, independentemente da dimensão apresentada. Ao usar o protocolo preso no conjunto, a análise do desempenho dos camundongos revela que o efeito de discriminação em que os camundongos precisaram de mais tentativas e mais tempo para resolver o estágio de mudança extradimensional em comparação com a discriminação composta, a mudança intradimensional, o deslocamento intradimensional 2 e os estágios de reversão de mudança extradimensional. Isso também era verdade no protocolo bidimensional.
Uma vez dominado, este experimento pode ser feito em 10 a 12 dias, incluindo toda a preparação e a sessão de treinamento.
Visão Geral
Este estudo apresenta um sistema automatizado inovador projetado para avaliar o deslocamento de conjuntos de atenção e funções executivas em ratos, fornecendo alta validade translacional para estudos cognitivos humanos. O método visa melhorar a compreensão das disfunções cognitivas em transtornos psiquiátricos.
Componentes-Chave do Estudo
Área da Ciência
- Neurociência Cognitiva
- Transtornos Psiquiátricos
- Avaliação Comportamental
Fundamentos
- O deslocamento de conjuntos de atenção é crucial para entender a flexibilidade cognitiva.
- Anormalidades cognitivas são prevalentes em várias condições psiquiátricas.
- Métodos existentes frequentemente carecem de automação e objetividade.
- Este estudo visa preencher essa lacuna com uma nova abordagem automatizada.
Propósito do Estudo
- Desenvolver uma tarefa automatizada para avaliar funções executivas em ratos.
- Imitar testes neuropsicológicos humanos para melhor pesquisa translacional.
- Facilitar triagens em larga escala de medicamentos e genéticos relevantes para sintomas cognitivos.
Métodos Utilizados
- Aparelho de teste automatizado com orifícios para roçar o nariz e reforço alimentar.
- Uso de estímulos olfativos, visuais e táteis para avaliações variadas.
- Sessões de treinamento para aclimatar os ratos ao ambiente de teste.
- Medição de tempos de resposta e precisão durante as tentativas.
Principais Resultados
- O sistema automatizado avaliou com sucesso o deslocamento de conjuntos de atenção.
- Os resultados indicaram flexibilidade cognitiva significativa em ratos.
- O método demonstrou alta confiabilidade e objetividade.
- Implicações potenciais para o diagnóstico e tratamento de disfunções executivas.
Conclusões
- Esta abordagem automatizada melhora o estudo de funções cognitivas em ratos.
- Fornece uma ferramenta valiosa para pesquisas sobre transtornos psiquiátricos.
- Os resultados apoiam uma exploração adicional de tratamentos cognitivos.
Perguntas Frequentes
Executive Industry Relevance
This automated operant set-shift task addresses a critical gap in preclinical neuropsychiatric research by providing an objective, high-throughput platform for assessing cognitive flexibility in mice. By closely mimicking the human ID/ED paradigm, it enables translational screening of compounds and genetic models relevant to executive dysfunction in disorders such as schizophrenia and ADHD. The system supports mechanistic de-risking and predictive confidence in early discovery by quantifying attentional set formation, shifting, and reversal learning with high stimulus flexibility across perceptual dimensions.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses involving prefrontal cortical circuits and dopaminergic modulation of cognitive flexibility.
- Operational Value: Provides automated, quantitative readouts of attentional set-shifting that reduce variability and increase reproducibility across laboratories.
- Predictive Value: Supports target validation by measuring drug-induced changes in set-shifting performance, aiding in go/no-go decisions for CNS-active compounds.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: The three-dimensional stimulus framework (olfactory, visual, tactile) allows for flexible assay design across diverse screening campaigns.
- Scalability: Fully automated operation enables integration into behavioral core facilities for large-scale genetic and pharmacological screens.
- Stimulus Flexibility: High number of cues per dimension supports complex discriminations and reduces learning biases, enhancing assay robustness.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Directly models attentional set-shifting deficits observed in psychiatric disorders, supporting translational validity.
- Preclinical Continuity: Enables longitudinal assessment from early discovery through preclinical validation using consistent behavioral endpoints.
- Risk-Adjusted Advancement: Performance on extra-dimensional shift stages provides a biomarker-like endpoint for predicting cognitive efficacy of investigational therapies.
Pipeline & Workflow Integration
The task fits within the discovery continuum from target validation to lead identification, offering a standardized behavioral assay that bridges basic mechanism and phenotypic screening. Its automation and quantifiable outputs support integration into multi-modal assessment pipelines for neuropsychiatric drug discovery.
- Discovery Biology: Facilitates hypothesis testing of neural circuits underlying cognitive flexibility, enabling pathway clarification and target de-risking.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative performance metrics (e.g., trials to criterion, response latency) suitable for high-content screening formats.
- Analytics: Generates stage-specific performance data that allow comparison across genotypes, treatments, and experimental conditions using established learning curves.
- Translational Research: Aligns with clinical ID/ED outcomes, supporting biomarker alignment and cross-species validation of cognitive endpoints.
- Enterprise Reuse: Designed as a reusable platform for repeated testing across studies, reducing revalidation burden and enabling longitudinal cohort tracking.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence in target validation by reducing mechanistic ambiguity in cognitive phenotypes.
- Operational Value: Standardization through automation minimizes operator bias and increases inter-laboratory reproducibility.
- Strategic Value: Improves capital efficiency by enabling early detection of cognitive liabilities, reducing late-stage attrition in psychiatric drug development.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of compounds based on cognitive flexibility profiles, informing advancement decisions in CNS portfolios.
Implementation Considerations
- Requires expertise in behavioral neuroscience and operant conditioning protocols for proper training and execution.
- Dependence on specialized apparatus including nose poke systems, stimulus delivery (olfactometer, LED arrays, texture slides), and food reinforcement modules.
- Necessitates cross-team standardization of training schedules, stimulus counterbalancing, and performance criteria to ensure data comparability.
- Adaptation across mouse strains or genetic backgrounds may require adjustments in motivation (e.g., food deprivation levels) and sensory sensitivity.
- Practical limitations include initial setup complexity and the need for rigorous counterbalancing to prevent stimulus bias, as noted in the protocol.
