Разработка поведенческого бокса для оценки предимпульсного торможения и нейронной активности в моделях психиатрических животных
July 22nd, 2025
Этот протокол представляет собой поведенческий блок на основе микроконтроллера для оценки предимпульсного торможения (PPI) путем сбора данных об ускорении от датчика, расположенного под блоком. Эти данные оценивают дефицит сенсорного гейтинга у социально изолированных крыс с добавлением метода синхронизации данных с нейронной активностью для продвижения нейрофизиологических исследований поведенческих расстройств.
Этот протокол описывает простой метод оценки животных моделей шизофрении, предназначенный для исследователей поведения без опыта программирования или электроники. Мы создали экономически эффективную поведенческую коробку для оценки препульсового торможения у крыс, страдающих проблемами неврологического развития, вызванными дистрессом в раннем возрасте. Последние достижения в области психиатрических животных моделей с использованием теста на препульсное торможение сосредоточены на понимании дефицита сенсорного гейтирования, наблюдаемого при таких расстройствах, как шизофрения.
Это включает в себя генетические модификации, нейровизуализацию и фармакологические вмешательства для исследования преимпульсных нарушений торможения, что в конечном итоге улучшает диагностику и лечение. Мы надеемся, что наш протокол популяризирует изучение преимпульсного торможения на животных моделях шизофрении, а лаборатории, изучающие молекулярные, поведенческие и физиологические аспекты заболевания, смогут использовать его для внесения вклада в понимание этого сложного психического расстройства. Для начала сделайте акриловую прозрачную коробку, в которой будет размещена свободно ведущая себя крыса, оснащенная проволочной головной сценой.
Используйте самоклеящиеся резиновые прокладки, чтобы изолировать акриловую коробку от вибраций и закрепить акселерометр внизу без контакта с другими частями. С помощью паяльника припаяйте ленточный кабель непосредственно к четырем отверстиям на плате акселерометра. VCC, GND, SCL и SDA.
Очистите центр акрила и плоскую лицевую доску акселерометра. Затем подключите противоположный конец ленточного кабеля к микроконтроллеру, подключив VCC к 3,3 вольта, GND к GND, SCL к SCL и SDA к SDA. Далее сооружаем звукоизолирующую камеру с фронтальной дверью, используя 80-сантиметровые кромки из древесноволокнистой плиты средней плотности толщиной 15 миллиметров.
Расположите динамик на высоте 20 сантиметров над акриловым корпусом, обеспечив полный диапазон движения головного устройства и кабеля. Подключите аудиовыход компьютера к плате микроконтроллера. С помощью кабеля универсальной последовательной шины подключите плату микроконтроллера к компьютеру.
Затем откройте программное обеспечение интегрированной среды разработки для платы микроконтроллера на компьютере. После выбора соответствующей платы микроконтроллера, COM-порта и скорости передачи данных откройте файл скетча, скомпилируйте и загрузите код на плату микроконтроллера. Нажмите на последовательный порт монитора, чтобы проверить наличие входящих данных.
Затем закройте программное обеспечение среды разработки. Теперь поместите цифровой измеритель уровня звука в акриловую коробку, куда будет помещено животное. Воспроизведение акустических стимулов и регулировка диапазона обнаружения на измерителе уровня звука для калибровки уровней стимулов, отправляемых компьютером.
Затем откройте предпочитаемое программное обеспечение с открытым исходным кодом для получения и сохранения данных с последовательного порта. Настройте параметры программного обеспечения, включая COM-порт, плату микроконтроллера и скорость передачи данных. Нажмите кнопку Подключиться, чтобы прочитать необработанные данные или вид диаграммы.
Затем нажмите кнопку Сохранить, чтобы начать запись данных экспериментов. После вживления электродной решетки в мозг крысы аккуратно подсоедините головной сценарий к соединительному имплантату на черепе крысы. Затем включите нейронную систему сбора данных и убедитесь, что она получает данные от акустических стимулов либо через микроконтроллер, либо через TTL-генератор, подключенный к аудиодетектору или микрофону.
Включите регистратор последовательных портов с открытым исходным кодом, настроенный ранее. Теперь используйте программное обеспечение для сбора данных электрофизиологии для сбора данных электрофизиологии и акселерометра. Подвергайте животное воздействию белого фонового шума в течение семи минут, со случайным предъявлением всех типов импульсов, повторяя каждый тип импульсов по 10 раз.
По окончании сеанса записи выключите программное обеспечение для сбора данных. Затем осторожно отсоедините разъем для подставки от имплантата на черепе животного. Чтобы выполнить электрофизиологический и поведенческий анализ, импортируйте необработанные данные, содержащие активность мозга, ускорение и акустические стимулы, в платформу обработки сигналов.
Извлеките эпики, сосредоточенные на каждом акустическом стимуле. Затем нормализуйте средние значения, чтобы можно было сравнивать животных. Установите отклик на один импульс в качестве максимального отклика и нормализуйте рефлекторные отклики на другие импульсы относительно этого значения.
Наконец, определите амплитуду испуга для импульса 5 как 100% и представьте реакцию на другие импульсы в зависимости от амплитуды импульса 5. Анализ потенциала локального поля не показал существенной модуляции мощности в прелимбической и инфралимбической коре головного мозга после стимуляции, в то время как такие области, как вентральная тегментальная область, миндалевидное тело, прилежащее ядро и гиппокамп, показали снижение плотности спектра мощности в дельта-, тета- и альфа-диапазонах с заметной бета-модуляцией. Как коммерческие, так и самодельные акселерометры продемонстрировали согласованные амплитудные и временные данные, при этом базовые показания и амплитуды реакции на испуг показали тесное выравнивание между устройствами.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Обзор
Этот протокол описывает поведенческую бокс, основанную на микроконтроллере, предназначенную для оценки ингибиции предпульса (PPI) у социально изолированных крыс, целью которого является оценка дефицита сенсорного гейтинга, связанного с психическими расстройствами, такими как шизофрения. Синхронизируя данные акселерометра с нейрональной активностью, это исследование стремится продвинуть исследования по нейрофизиологии, сосредоточенные на понимании поведенческих расстройств.
Ключевые компоненты исследования
Область науки
- Поведенческая нейронаука
- Модели психических расстройств
- Нейрофизиология
Предисловие
- Исследует тест на ингибицию предпульса, исторически используемый в исследованиях шизофрении.
- Подчеркивает важность сенсорного гейтинга и его дефицита при психических состояниях.
- Сосредоточено на нейроразвитии, возникающем из стресса раннего возраста.
- Целью является улучшение понимания взаимодействий между поведением и нейрофизиологией.
Цель исследования
- Разработать удобный протокол, который интегрирует оценку поведения с сбором нейрональных данных.
- Поощрять более широкое использование модели ингибиции предпульса в исследованиях шизофрении.
- Улучшить диагностику и терапевтические подходы для дефицита сенсорного гейтинга.
Используемые методы
- Используется поведенческая бокс на основе микроконтроллера для сбора данных с датчиков ускорения у свободно ведущихся крыс.
- Модель сосредоточена на социально изолированных крысах для изучения эффектов, актуальных для шизофрении.
- Включает создание звукоизолирующих камер и подключение различных электронных компонентов.
- Сбор данных включает поведенческие и электрофизиологические показатели во время воздействия стимулов.
Основные результаты
- Выявлена значительная модуляция мощности в определенных областях мозга после стимуляции, демонстрируя нашу способность отмечать нейрофизиологические изменения.
- Как коммерчески доступные, так и собственного изготовления акселерометры обеспечили надежные измерения реакций испуга.
- Совпадение базовых показателей и амплитуды испуга по разным устройствам указывает на высокую стабильность в обработке данных.
Выводы
- Это исследование способствует пониманию сенсорной обработки в животных моделях, имеющих отношение к шизофрении и другим поведенческим расстройствам.
- Предлагая доступный экспериментальный подход, протокол может быть использован для дальнейшего исследования взаимодействий поведенческих и физиологических факторов.
- Результаты подчеркивают важность включения как поведенческих, так и нейрональных оценок в исследования, связанные с психиатрией.
Часто задаваемые вопросы
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.
