Kvantifiera social motivation i möss med användning av Operant Conditioning

Abstract

I detta protokoll, är social motivation mäts i möss genom ett par operant paradigm konditione. För att utföra experimenten har två kamrar transferlådor utrustade med två operanta spakarna (vänster och höger) och en livsmedelsbehållare i en kammare, som sedan delades från den andra kammaren genom en automatiserad giljotindörr täckt av ett trådgaller. Olika stimulans möss, roteras över testdagar, fungerade som en social stimulans bakom trådgaller, och var bara synliga efter öppnandet av giljotindörren. Test möss utbildade för att spaken tryck för att öppna dörren och få tillgång till stimulans partner för 15 sek. Antalet hävarmspressar krävs för att få den sociala belöningen gradvis ökat på ett fast schema av 3. testsessioner avslutades efter testmöss slutade spak trycka i 5 minuter i följd. Den sista förstärkta förhållande eller brytpunkt kan användas som ett kvantitativt mått på social motivation. För det andra paradigmet, test möss utbildade för att skilja mellan vänster och höger spak pressar för att erhålla antingen ett livsmedel belöning eller social belöning. Möss belönades för varje 3 tryckningar på respektive spak. Antalet mat och sociala förmåner kan jämföras som ett mått på värdet placeras på varje belöning. Förhållandet mellan varje belöning typ kan också jämföras mellan musstammar och förändringen i detta förhållande kan övervakas inom testsessioner för att mäta mättnadskänsla med en viss belöning typ. Båda dessa operant paradigm konditione är mycket användbara för kvantifiering av social motivation i musmodeller av autism och andra störningar i socialt beteende.

Introduction

Under de senaste åren, har kopplingen mellan genetiska och miljömässiga faktorer som störningar i socialt beteende inklusive autismspektrumstörning, lett till utvecklingen av musmodeller som syftar till att undersöka vilken roll dessa faktorer i socialt beteende. Detta har skapat en efterfrågan på nya tekniker för karakterisering av socialt beteende hos möss inklusive ett kvantitativt mått på social motivation ^1.

Det finns flera etablerade paradigm som kan användas för att visa social motivation hos möss, men; de har alla allvarliga begränsningar på deras förmåga att kvantifiera styrkan hos den motiverat beteende. Till exempel några av de tidigaste beteende bedömningar ingår enkla observationer av sociala interaktioner mellan två gnagare som aldrig har träffat. Flera beteenden inklusive närmar sig, efter, sniffa, och grooming mäts ofta, och kan ge ett index på social motivation. Dessa studier var ursprungligen utförtshos råttor ^2-5, och sedan anpassade för användning i möss ^6,7. Tillvänjning / dishabituation socialt erkännande paradigm där försöksdjuret utsätts upprepade gånger till samma stimulans djur (tillvänjning) och sedan utsätts för en ny djur (dishabituation) också ett mått på social motivation ^8. Eftersom etiketterna föreslår, kommer typiska djur visar en vana beteende svar på de upprepade förekomsten av samma stimulans djur men kommer att visa dishabituation, eller en återgång till baslinjen, när de utsätts för nya djur. Den tillvänjning svar visar sannolikt en nedgång i motivation test musen för att interagera med den stimulans musen. Sociala val paradigm möjliggör en testmus att välja mellan en tom kammare och en stimulans mus begränsas till en annan kammare har också använts för att bedöma social motivation. Ett försök inleds vanligen genom att placera testmus i ett neutralt, central kammare. Vissa versioner av denna uppgift innebär tethering stimulans musen till en kammare ^9. En modifiering av denna uppgift sysselsatte användning av en tråd hölje över stimulans möss undvika uppbindning av stimulans djur ^10. På senare tid har ett socialt betingad plats preferens uppgift utvecklats där möss rade att associera visuellt distinkta kammare med antingen närvaro eller frånvaro av en arbetsmarknadens parter, och fick sedan utforska de tomma kamrarna efter konditionering ^11. Mer tid i kammaren där sociala liga tidigare inträffade anses vara ett index för social motivation.

Alla ovanstående paradigm ge värdefulla uppgifter om den sociala fenotypning av möss. Men medan man kan observera om en mus visar en "önskan" att söka social interaktion i ovanstående paradigm, är svårt att mäta styrkan i denna "längtan", dvs., Social motivation,. Styrkan i motiverade beteende hartraditionellt mätts hos gnagare genom att skapa ett scenario där de måste arbeta i syfte att få tillgång till källan för deras motivation. Detta innebär vanligtvis utbildnings gnagare i ett operant paradigm som involverar mat som motiverande faktor. Emellertid har denna metod använts tidigare för att undersöka social motivation hos råttor, men antingen som innebär tillgång till en sexpartner för hanråttor eller, för kvinnor, tillgång till sina egna valpar (granskas i Matthews et al., 2005) ^12,13.

Före utvecklingen av sociala motivation paradigm som beskrivs nedan, det fanns bara en annan studie som undersökte social motivation utanför sexuell motivation att använda en operant paradigm med möss ^12. I denna serie av experiment utavlade Swiss Webster-möss utbildade för att trycka på en spak för att få tillgång till en samkönad conspecific. I ett experiment för att en signifikant minskad latens börja reagera för tillträde till mål-mouse visades i individuellt inrymda möss jämfört med koncern inrymt möss tyder på en ökad motivation att söka social tillgång i dessa socialt isolerade möss. I ett annat experiment av samma studie gjordes en jämförelse mellan saltlösning och oxytocinantagonist (atosiban) infunderade möss. Intressant, de läkemedels infunderas möss visade en signifikant ökad latens för att börja svara för tillträde till målet musen tyder minskad motivation för en social belöning i dessa möss.

Medan dessa experiment utgör en ädel försök att kvantifiera social motivation hos möss med användning av operant betingning, de var också mycket begränsad och kraftigt förbättras med hjälp av de metoder som beskrivs nedan. Till exempel, en skenbar grundläggande brist i det första experimentet beskrivet ovan (försök 2 av själva studien) var forskarnas användning av endast två mål-möss altern över testdagar. Tidigare forskning har visat att socialt erkännande i hålls i gruppmöss kan pågå i åtminstone 7 dagar leder till minskad social utredning med upprepad exponering för samma mål ^14. Men försvinner socialt erkännande i individuellt inrymda råttor och möss inom 1 - 2 tim så att sociala utredningstider kvar på baslinjenivåer om en upprepad exponering för samma mål är åtminstone 2 timmar efter den första exponeringen ^15-17. Den reducerade latens av individuellt inrymda möss för att börja svara för social tillgång redovisas i Matthews et al. Experiment kan ha varit en följd av bristen på socialt erkännande av målet möss över testdagar ^12. Denna potentiella FÖRBRYLLA styrs i nedanstående metoder med hjälp av ett nytt mål musen på varje testdag. Också i båda experimenten från Matthews et al., Ovan beskrivna studien fanns det inga rapporterade skillnader i det totala antalet hävarmspressar gjorts mellan grupper. Det är möjligt att en skillnad i total hävarmspressar kunde ha varaen upptäckt om forskarna utnyttjat en successivt ökande förhållande av svaren för att belöna som används i vår forskning som skisseras nedan. Dessutom var tillgången till målet mus som styrs manuellt av den som utför experimentet, genom att lyfta upp en ask som täckte målet. Användningen av en automatiskt styrd giljotindörr för åtkomst till mål-mus eliminerar risken för artefakt på grund av närvaron av den som utför experimentet. I själva verket, för att helt automatisera de sociala motivation operant paradigm, var forskningsutrustning anpassade enligt nedan.

Protocol

Denna forskning godkändes av Azusa Pacific University Institutional Animal Care och användning kommittén. Alla som deltar i djurförsök genomfördes i enlighet med rekommendationerna i Guide för skötsel och användning av försöksdjur från National Institutes of Health.

1. Modifiera Apparater för social motivation och Valence jämförelseprovning Paradigm

1. För att testa möss i operanta uppgifter socialt beteende, ändra mittkanalmodultransferlådor. Dessa transporttjänster lådor mäter 44 cm x 17.3 cm och är gjorda av plexiglas och rostfritt stål.
2. Ändra en programmerbar giljotindörr genom att montera en trådgaller i ansiktet av dörrkarmen. Den trådgaller bör tillåta begränsad social kontakt, men inte tillåta mössen att passera från en kammare till den andra.
3. Använda programmerbara giljotindörr, dela varje låda i två kammare: varje mäter cirka 22 cm x 17.3 cm. Utse en kammare som the testkammaren och den andra som mål kammaren.
4. Placera mus spakarna i testkammaren på väggen mittemot giljotindörren. Placera en vätskebehållare skopa mat mellan de två mus spakarna.
5. Program musen spakarna till antingen öppna giljotindörren eller lägga fram ett flytande livsmedel belöning, beroende på test paradigm.
6. Anslut en handhållen knappen till apparaten och program för att öppna giljotindörren (för manuell formning av testmöss).
7. Montera varje pendel låda med en åtta-kanal I / R-styr att övervaka aktiviteten i metallgallergolv för varje kammare. Montera en USB digital videokamera ovanför testkammaren och anslut den till en dator. Bifoga hela apparaten i en melaminljuddämpande skåp.
8. Kör operant program med skräddarsydda program skrivna i laboratoriet.

2. Forma Möss för social motivation Paradigm

1. Placera en testmus i test cHamber och en ålder och kön-matchade stimulans musen i målkammaren.
2. Träna testmus att trycka spakarna för att öppna giljotindörren med hjälp av metoden för formning eller förstärkning av successiva approximationer till önskad operant respons. Under denna formningsförfarande, leverera förstärkning manuellt genom att trycka på handhållna knappen programmerad att styra giljotindörren.
   Obs: Förstärkning består av öppna giljotindörren för 15 sekund, varigenom tillgång till stimulus musen genom trådgaller.
3. Beakta musen i testkammaren med hjälp av kameran monterad ovanför testkammaren.
4. Träna varje mus i en serie av 30 min dagliga möten tills de visar åtminstone 10 operanta svar (hävarmspressar) i 3 av 5 testsessioner i rad. Rotera möss genom shuttle lådor använder slumpmässiga uppdrag.
5. Om möss inte når detta kriterium efter 30 dagliga träningspass, ta bort möss från försöket och designate som icke-studerande.
   Obs: Antalet dagliga träningspass kan förlängas efter den 30 beroende på forskar preferenser.
6. Alternera stimulans möss som användes under formning, så att en annan mus används varannan dag.
7. Rena transferlådor mellan varje träningspass med hjälp av 70% etanol. Dessutom, efter slutförandet av att testa varje dag, ren all utrustning som använder en desinficerande tvättmedel.

3. Testa möss i den sociala Motivation Paradigm

1. Placera en utbildad testmus i testkammaren och en ålders- och könsmatchade stimulans musen i målet kammaren. Under provningen, använder en pool av minst 10 stimulans möss tilldela varje testmus så att stimulans möss bara upprepas efter 10 dagliga testpass. Använd inte stimulans möss som användes under formning för testning.
2. Programmera giljotindörren att öppnas på en progressiv förhållande schema för förstärkning så att antalet operanta reresponser (hävarmspressar) nödvändiga för att uppnå sociala belöning på 15 sek tillgång till målet musen ökar aritmetiskt av en fast ränta på 3 varje försök.
3. Programmera testsessioner för att avsluta när testmus stoppar spaken trycka under fem minuter.
4. Spela det senast avslutade (förstärkt) förhållande som brytpunkten. Använd denna beroende åtgärd som ett index för social motivation. Testa varje mus under 20 på varandra följande dagliga sessioner eller åtminstone 10 testsessioner efter asymptotiska prestandanivåer iakttas.
5. Torka transferlådor mellan varje testsession med 70% etylalkohol och efter slutförandet av att testa varje dag med en desinficerande tvättmedel.

4. Valence Jämförelse av social Versus Food Belöning

1. Efter alla möss slutföra social motivation paradigm, testa dessa samma möss i en uppgift som syftar till att jämföra valens av den sociala belöningen med den hos ett livsmedel belöning.
2. Program en spakatt öppna giljotindörren och presentera den sociala belöning för 15 sek och programmera den motsatta spaken för att presentera en flytande livsmedel belöning för 15 sek.
   Obs: Den flytande belöning livsmedel som används i detta protokoll bestod av kondenserad mjölk sötad med 0,2% sackaros. Bered tillräckliga mängder (typiskt 500 ml) för att upprepat presentera frukterna av 0,02 ml till varje mus.
3. Tilldela testmöss alternerande spak / belöning oförutsedda att kontrollera för potentiella hävstångs fördomar bland möss. Således, tilldela hälften av mössen i varje testgrupp till en vänster spak / mat belöning och högra spaken / social belöning beredskaps- och den andra hälften till en vänster spak / social belöning och högra spaken / mat belöning oförutsedda händelser.
4. Träna mössen för valens jämförelse av sociala kontra mat belöning.
   1. Placera en testmus i testkammaren och placera en ålders- och könsmatchade stimulans musen i målet kammaren.
   2. Gör bara en spak / belöna beredskaps aktiv under varje träningspass. Träning bestårav sex 1 timme sessioner som alternerar mellan oförutsedda varje dag. Alternativa stimulans möss tilldelas varje testmus varannan social belöning session.
   3. Behåll de möss på deras behag chow diet under träning och testning med maten belöning. Mat brist är onödigt för operant betingning i möss med användning av kondenserad mjölk och sackaroslösning ^18.
5. Testa möss för jämförelse valens sociala kontra mat belöning.
   1. Programmera schema för förstärkning i ett fast förhållande av 3: 1, så att var tredje spak press förstärks, utan endast genom sin respektive tillhörande belöning.
   2. Program testsessioner för att köra i 60 minuter.
   3. Placera en testmus i testkammaren och placera en ålders- och könsmatchade stimulans musen i målet kammaren. Obs: Samma pool av 10 stimulans möss används i social motivation uppgiften kan användas igen, men tilldelas test möss med användning av en 10-dagars rotation.
   4. Test mössen i 20 dagliga sessioner efter 6 dagars utbildning eller för åtminstone 10 dagliga sessioner efter observation av asymptotiska prestandanivåer. De primära beroende åtgärder för detta paradigm är det totala antalet hävarmspressar för varje belöning typ.
   5. Återigen, torka transferlådor mellan testsessioner med hjälp av 70% etanol och efter varje testdag med hjälp av en desinficerande tvättmedel.

Representative Results

Detta protokoll har använts för att jämföra prosocialt C57BL / 6J inavlade musstam med BTBR inavlad musstam som tidigare har rapporterats att visa minskar i socialt beteende ^10,18. Det har också använts för att karakterisera social motivation i olika knockout musstammar hypotes ha antingen ökad eller minskad social motivation. Tidigare publicerade resultat som jämför C57BL / 6J och BTBR inavlade musstammar visas i figur 1. Dessa resultat visade minskad social motivation för BTBR mössen jämfört med C57BL / 6J-möss. Den Valence Jämförelse paradigmet också visat minskad mat motivation för BTBR möss tyder på en total minskning av motiverat beteende för denna stam (Figur 1B).

Figur 2A presenterar några opublicerade preliminära data som jämför vildtyp syskon på C57BL / 6 bakgrund stam med heterozygot och homozygooss knockout syskon med nedsatt eller frånvarande proteinprodukt från en gen (gen X) hypotes att främja social motivation. Figur 2B presenterar några opublicerade preliminära data som jämför vildtyp syskon på C57BL / 6 bakgrund stam till heterozygot knockout syskon med nedsatt proteinprodukt från en gen (gen Y) hypotes att minska social motivation. De preliminära uppgifterna från var och en av dessa studier stödjer respektive hypotes och ytterligare påvisa värdet av de beskrivna operant social motivation paradigm.

Figur 1. Tidigare publicerade resultat från de sociala motivation och valensjämförelse paradigm. (A) Den genomsnittliga brytpunkt av individuellt inrymt (IH) B6-möss, hålls i grupp (GH) B6-möss, och hålls i grupp BTBR möss över de senaste 10 dagarna av testning i social motivation uppgiften. Det fannstotalt 9 möss i varje grupp. Individuellt och hålls i grupp B6-möss fördes i likhet men det fanns en signifikant skillnad mellan grupp inrymt B6 och BTBR möss (t = 2,741, df = 16, p = 0,015). (B) Det genomsnittliga antalet livsmedels belöningar och sociala belöningar för de hålls i grupp B6 och BTBR möss över de senaste 10 mötena i valens jämförelse paradigm. Båda mus grupper erhålls betydligt fler livsmedel belöningar än sociala förmåner (BTBR: t = 3,551, df = 8, p = 0,007; B6: t = 9,478, df = 8, p <0,001). Men BTBR mössen förvärvat betydligt färre livsmedels belöningar än B6-möss och även det minsta antalet sociala belöningar (t = 3,321, df = 16, p = 0,004). Figur modifierad från referens ^18.

Figur 2. Representativa resultat från opublicerad forskning som utnyttjar social motivation paradigm. (A) Medel brytpunkt (senast förstärkt ratio) uppnås innan mössen slutade spaken trycka i 5 minuter. För gen X, var en totalt 12 WT, 7 HET, och 6 KO möss testas i social motivation paradigm. ANOVA avslöjade en signifikant skillnad mellan genotyper (F = 7,18, df = 2, 22, p = 0,004). Post hoc Tukey HSD test visade att KO-möss utförde betydligt under WT kontroller. (B) För gen Y, totalt 8 HET och 6 WT möss testades. En oberoende sampel t-test visade en signifikant skillnad mellan genotyper (t = 2,26, df = 8,97, p = 0,05). * Indikerar signifikant skillnad från WT möss på .05 alfanivå.

Discussion

De operant social motivation paradigm som beskrivs i den här artikeln är kraftfulla verktyg för karakterisering av socialt beteende i musmodeller av mänskliga sjukdomar. Snarare än att låta en testmus att passivt välja ett socialt möte, dessa paradigm kräver ansträngning från testmus för att få en social belöning. Mängden arbete som en testmus är villig att producera för att få social belöning ger ett kvantitativt mått på social motivation. Dessutom, genom valens jämförelse paradigm, motiverade beteende kan jämföras mellan olika belöningstyper. Båda dessa operant paradigm kan användas för att bedöma sexuella och föräldra motiv samt genom att presentera den lämpliga stimulansen på den motsatta sidan av giljotindörren.

Utvecklingen av dessa sociala motivation paradigm involverade felsökning av flera viktiga variabler. Till exempel genom pilotstudier den tid som den sociala belöningen is presenteras sänktes från 30 sek till 15 sek. Även den här gången är tillräcklig för sociala interaktioner mellan test- och stimulans möss, kan framtida forskning optimera mängden tid för social belöning. På samma sätt var det successivt ökande förhållandet mellan hävarmspressar till sociala förmåner sänks från en fast ränta på 5 till 3 baserat på pilotforskning.

Antalet dagar som krävs för att nå asymptotiskt spaken trycka beteende ursprungligen bedömdes genom 30 dagar av dagliga testpass. Det konstaterades att de flesta möss når asymptote i 7 dagar så antalet testsessioner sänktes till 20. Daglig prestanda inte varierar dock så genomsnitt data under de senaste 10 dagarna säkerställer asymptotisk prestanda och samtidigt ge en bättre index för sann medel prestanda än färre testdagar. Forskare bör övervaka sina uppgifter för att säkerställa att asymptotisk prestanda nås inom 10 testdagar eller ändra protokollet vid behov.

Training sessioner också sänks från en timme till 30 minuter. Antalet utbildningar som krävs är beroende på musstam och vissa möss kan godtyckligt betecknas som nonlearners efter ett fast antal träningspass ^18. Antalet utbildningsdagar som krävs för att nå kriteriet för avancemang till test paradigm ger en annan index för social motivation och är därför värd att spåra. Forskarna kanske också vill experimentera med olika mat belöning alternativ för valens jämförelse paradigm. Det är dock viktigt att testmöss initialt tränas med hjälp av en rent social belöning och sedan testas i social motivation paradigm innan valens jämförelse paradigm.

Dessa operant social motivation paradigm kan modifieras och förbättras genom att mäta ytterligare variabler än de som anges i ovanstående protokoll. Exempelvis kan läget för varje mus i sin respektive kammare spåras med currently tillgänglig kommersiell programvara. Dessutom kan specifika beteenden inklusive nos-mot-nos kontakt eller ultraljud läten görs under sociala interaktioner. Forskare kan ytterligare experiment med justeringar av de förhållanden som användes i den sociala motivationen paradigm eller med prov som involverar avsaknad av en social partner eller ens jämförelser som omfattar andra stimuli bakom giljotindörren såsom en video av en conspecific eller ens en marionett. För valens jämförelse paradigm, analyser av val dynamik i studierna kan ge ytterligare information om förändringar i motivationen på grund av mättnad för en viss belöning typ ^18.

Även om dessa operant sociala motivation paradigm ger en välbehövlig verktyg för att kvantifiera social motivation hos möss, har de vissa begränsningar. Först dessa paradigm kräver möss har den kognitiva förmågan att göra inlärda associationer mellan spaken pressning och social belöning. Vissa musmodeller kanhar underskott i både kognitiva och sociala förmågor som gör det svårt att bedöma social motivation att använda dessa paradigm. För det andra, är den typ av sociala mötet begränsad som mössen endast tillåtet att interagera över ett trådgaller. Men möss är fortfarande lyckats med att engagera sig i många typiska sociala beteenden, framför allt, näsa-till-näsa undersökningar. En sista begränsning av dessa metoder är att de är arbetsintensiva och kräver mycket tid att slutföras. Utbildningen och testning genom båda paradigm kräver minst två månaders dagliga sessioner. Vissa möss kan ta mycket längre tid att lära sig spak trycka förening sträcker erforderligt antal sessioner. Medan paradigm verkligen inte kvalificerar som hög kapacitet tekniker, är de uppgifter som de genererar mycket värdefulla och värda investeringar som krävs arbetskraft. Men för att ge en mer fullständig karakterisering av sociala beteende av en viss musmodell, rekommenderas att dessa paradigm vara ossed tillsammans med andra etablerade metoder för att mäta socialt beteende hos möss.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Modular Shuttle Box	Med Associates Inc.	ENV-010MC
Auto-Guillotine Door	Med Associates Inc.	ENV-010B
Mouse Levers	Med Associates Inc.	ENV-3010M
Liquid Dipper with Food Receptacle	Med Associates Inc.	ENV-202M-S
Eight-Channel I/R Controller	Med Associates Inc.	ENV-253C
Melamine Sound-Attenuating Cubicle	Med Associates Inc.	ENV-016MD
MED-PC IV Software Program	Med Associates Inc.	MED-PC IV
Microsoft Lifecam Camera	Microsoft
Wire Grid			Wire grids can be purchases from a hardward store. We cut wire grids from stainless steel mouse cage tops.
70% Ethyl Alcohol			Used to clean shuttle boxes between mice. Specific brand is unnecessary.
Evaportated Milk	Carnation		0.02 ml combined with 0.2% sucrose for each reward per mouse. We always purchase the same brand for better consistency.
Sucrose			Any brand of pure granular sugar will due as it is dissolved in the evaporated milk.