Kvantifisere Sosial Motivasjon i Mus Bruke Operant Conditioning

Abstract

I denne protokollen, sosial motivasjon måles i mus gjennom et par operant conditioning paradigmer. For å utføre forsøkene ble to-kamret skyt esker utstyrt med to operant spaker (venstre og høyre) og en matvarebeholder i et kammer som deretter ble delt fra det andre kammer ved en automatisk dør giljotinen er dekket av et trådnett. Forskjellige stimulans mus, rotert på tvers av testdager, tjente som en sosial stimulus bak trådnettet, og var bare synlig etter åpningen av giljotinen døren. Test mus ble opplært til spaken pressen for å åpne døren og få tilgang til den stimulans partner for 15 sek. Antallet spaken presser som kreves for å oppnå sosial belønning gradvis økt etter en fast tidsplan for 3. Testing økter endte etter testmus stoppet spaken trykke i 5 påfølgende minutter. Den siste forsterkede forholdet eller stoppunkt kan anvendes som et kvantitativt mål på sosial motivasjon. For det andre paradigmet, test mus ble trenet til å skjelne mellom venstre og høyre håndtakpressinger for å oppnå enten en mat belønning eller sosial belønning. Musene ble belønnet for hver 3 presser i de respektive spaken. Antallet av mat og sosiale belønninger kan sammenlignes som en måling av verdien blir lagt på hver belønning. Forholdet mellom hver belønning typen kan også bli sammenlignet mellom musestammer og endringen i dette forholdet kan bli overvåket i løpet av testsesjoner å måle metning med en gitt belønning type. Begge disse operant betinging paradigmer er svært nyttig for kvantifisering av sosial motivasjon i musemodeller av autisme og andre forstyrrelser av sosial atferd.

Introduction

I de senere årene har kobling av genetiske og miljømessige faktorer til forstyrrelser av sosial atferd inkludert autisme spektrum lidelse, førte til utviklingen av musemodeller utviklet for å undersøke hvilken rolle disse faktorene i sosial atferd. Dette har skapt et behov for nye teknikker for karakterisering av sosial atferd hos mus inkludert et kvantitativt mål for sosial motivasjon ^1.

Det er flere etablerte paradigmer som kan brukes til å demonstrere sosial motivasjon i mus, men; de har alvorlige begrensninger på deres evne til å kvantifisere styrken på motivert oppførsel. For eksempel, noen av de tidligste atferdsvurderingene inkludert enkle observasjoner av sosiale interaksjoner mellom to gnagere som aldri har møtt. Flere atferd inkludert nærmer seg, etter, sniffing, og grooming måles ofte, og kan gi en indeks for sosial motivasjon. Disse studiene ble opprinnelig gjennomførti rotter ^2-5, og senere tilpasset for bruk i mus ^6,7. Tilvenning / dishabituation sosiale gjenkjennelses paradigmer som testen dyret utsettes gjentatte ganger for den samme stimulus dyr (tilvenning) og deretter utsatt for en ny dyr (dishabituation) også tilveiebringe en måling av sosial motivasjon ^8. Når etikettene foreslår, vil typiske dyr viser en tilvent atferds respons på gjentatt nærvær av den samme stimulus dyrene, men vil demonstrere dishabituation, eller en retur til basislinjen, når de utsettes for den nye dyret. Den tilvenning respons sannsynlig viser en nedgang i motivasjon av test musen til å samhandle med stimulans musen. Sosiale valg paradigmer slik at en test mus til å velge mellom et tomt kammer og en stimulus mus begrenset til et annet kammer har også blitt brukt til å vurdere sosial motivasjon. En prøve vanligvis begynner ved å plassere test mus i en nøytral, midtkammeret. Noen versjoner av denne oppgaven innebærer tethering stimulans mus til en kammeret ^9. En modifikasjon av denne oppgaven ansatt bruk av en wire kabinett over tiltaks mus unngå tethering tiltaks dyr ^10. Mer nylig ble et sosialt betinget sted preferanse oppgave utviklet hvori mus ble kondisjonert til å assosiere visuelt forskjellige kamre med enten nærvær eller fravær av en sosial partner, og deretter lov til å utforske de tomme kamrene etter kondisjone ^11. Mer tid tilbrakt i kammeret der sosiale motstandere tidligere skjedd anses å være en indeks for sosial motivasjon.

Alle de ovennevnte paradigmer gi verdifulle data relatert til den sosiale fenotyping av mus. Men mens man kan observere om en mus demonstrerer en "ønske" for å søke sosial interaksjon i ovennevnte paradigmer, er vanskelig å måle styrken på denne "begjær", altså., Sosial motivasjon,. Styrken motivert atferd hartradisjonelt blitt målt hos gnagere ved å skape et scenario der de må jobbe for å få tilgang til kilden til deres motivasjon. Dette innebærer vanligvis opplærings gnagere i en operant paradigme involverer mat som motivasjonsfaktor. Imidlertid har denne metoden blitt benyttet tidligere for å undersøke sosial motivasjon hos rotter, men heller som involverer tilgang til en seksuell partner for hannrotter, eller for kvinner, tilgang til sine egne unger (anmeldt i Matthews et al., 2005) ^12,13.

Før utviklingen av de sosiale motivasjon paradigmer som er beskrevet nedenfor, det var bare en annen studie som undersøkte sosiale motivasjon utenfor seksuell motivasjon ved hjelp av en operant paradigme med mus ^12. I denne serien av eksperimenter, ble outbred sveitsiske Webster mus opplært til å trykke en spak for å få tilgang til en av samme kjønn conspecific. I ett eksperiment, til en betydelig redusert ventetid begynner å reagere for å få tilgang til målet MOUse ble vist i individuelt plassert mus i forhold til gruppe plassert mus tyder på økt motivasjon til å søke sosial tilgang på disse sosialt isolerte mus. I et annet eksperiment av det samme studiet, var en sammenligning mellom saltvann og oxytocin antagonist (atosiban) oser mus. Interessant, medikament tilført mus viste en signifikant øket latenstid for å begynne å reagere for tilgang til målet mus tyder på redusert motivasjon for et sosial belønning i disse musene.

Mens disse eksperimentene representerer en edel forsøk på å kvantifisere sosial motivasjon hos mus ved hjelp av operant betinging, ble de også svært begrenset og er sterkt forbedret ved hjelp av metodene som er beskrevet nedenfor. For eksempel, en tilsynelatende grunnleggende feil i det første forsøk som er beskrevet ovenfor (forsøk 2 av selve studien) ble forskernes bruk av kun to mål-mus vekslet over testdager. Tidligere forskning har vist at sosial anerkjennelse i gruppe-husetmus kan vare i minst 7 dager fører til redusert sosial undersøkelse med gjentatt eksponering mot det samme målet ^14. Men sosial anerkjennelse i individuelt plassert rotter og mus forsvinner i løpet av 1 - 2 timer, slik at sosial etterforskning varig ligge på utgangsnivået dersom en gjentatt eksponering mot det samme målet er minst 2 timer etter den første eksponeringen ^15-17. Redusert ventetid for individuelt plassert mus til å begynne å svare for sosial tilgang rapportert i Matthews et al. Eksperimentet kan ha vært en konsekvens av mangel på sosial anerkjennelse av målet mus over test dager ^12. Dette potensialet forvirre styres for de under fremgangsmåter ved anvendelse av en ny target mus i hver testdagen. Også i begge forsøk fra Matthews et al. Studien beskrevet ovenfor, var det ingen rapporterte forskjeller i det totale antallet håndtakpressinger foretatt mellom gruppene. Det er mulig at en forskjell i totalt antall håndtakpressinger kan ha blino oppdaget hvis forskerne benyttet en stadig økende andel av svar å belønne som brukes i vår forskningsdesign beskrevet nedenfor. I tillegg, ble tilgang til målet mus kontrollert manuelt ved experimenter, ved å løfte opp en boks som er dekket av målet. Bruken av et automatisk styrt giljotin dør for adgang til målet mus eliminerer muligheten for gjenstanden på grunn av tilstedeværelsen av experimenter. Faktisk, for å fullt automatisere sosial motivasjon operant paradigmer, ble forskningsutstyr tilpasset som beskrevet nedenfor.

Protocol

Denne forskningen ble godkjent av Azusa Pacific University Institutional Animal Care og bruk komité. Alle prosedyrer som involverer dyr ble utført i henhold til anbefalingene fra Guide for omsorg og bruk av forsøksdyr fra National Institutes of Health.

1. modifisere Apparater for Social Motivasjon og Valence sammenligningstester paradigmer

1. For å teste mus i operante oppgaver for sosial atferd, endre senterkanalens modulær transporttjenester bokser. Disse skyt boksene måler 44 cm x 17,3 cm og er laget av pleksiglass og rustfritt stål.
2. Endre en programmerbar giljotin døren ved å montere en wire rutenett til ansiktet til dørkarmen. Wiren grid bør tillate begrenset, sosial kontakt, men tillater ikke at musene til å krysse fra et kammer til det andre.
3. Bruke den programmerbare giljotinen døren, dele hver boks i to kamre: hver måler ca 22 cm x 17,3 cm. Utpeke ett kammer som the testkammer, og den andre som målet kammeret.
4. Plasser mus spaker i testkammeret på veggen motsatt av giljotinen døren. Plasser en flytende dipper mat beholder mellom de to muse spakene.
5. Program musen hendlene til enten åpne giljotinen døren eller presentere en flytende mat belønning, avhengig av testing paradigmet.
6. Koble en håndholdt knappen til apparatet og programmere den til å åpne giljotinen døren (for manuell utformingen av test mus).
7. Monter hver shuttle boks med en åtte-kanals I / R-kontrolleren til å overvåke aktiviteten over metallrist etasje i hvert kammer. Montere en USB digitalt videokamera over testkammeret og koble den til en datamaskin. Omslutte hele apparatet innenfor en melamin lyd-demping bås.
8. Kjør operant programmer ved hjelp av tilpassede programmer skrevet i laboratoriet.

2. Forme Mus for Social Motivasjon Paradigm

1. Plasser en test mus i test chamber og en alder og kjønn-matchet stimulus mus i målet kammeret.
2. Trene testen musen for å trykke på håndtakene for å åpne giljotinen døren ved hjelp av metoden for forming eller forsterkning av suksessive tilnærmelser til den ønskede operant respons. Under denne prosedyren forme, levere forsterkning manuelt ved å trykke på knappen for håndholdte programmeres til å styre giljotinen døren.
   Merk: Forsterkning består av å åpne døren for giljotinen 15 sek, for derved å tillate tilgang til stimulus musen gjennom ledningen rutenettet.
3. Legg merke til mus i prøvekammeret ved hjelp av kameraet montert over testkammeret.
4. Trene hver mus i en serie på 30 min daglige økter før de demonstrere minst 10 operante responser (spak presser) i tre av fem påfølgende testing økter. Roter mus gjennom transporttjenester bokser som bruker tilfeldige oppdrag.
5. Dersom musene ikke når dette kriteriet etter 30 daglige treningsøkter, fjerne mus fra eksperimentet og designate som ikke-elever.
   Merk: Antallet daglige treningsøkter kan forlenges utover 30 avhengig av forsker preferanser.
6. Alternere stimulus mus som ble brukt under forming, slik at en annen mus blir brukt annenhver dag.
7. Rene transporttjenester bokser mellom hver treningsøkt med 70% etylalkohol. I tillegg, etter ferdigstillelse av testing hver dag, alt utstyr du bruker en desinfiserende vaskemiddel.

3. Testing musene i Social Motivasjon Paradigm

1. Plasser en trenet test mus i testkammeret og en alder og kjønn-matchet stimulus mus i målet kammeret. Under testing, bruk en pool av minst 10 stimulanse mus tilordne hver test musen slik at stimulanse mus bare gjentas etter 10 daglige testøkter. Ikke bruk stimulanse mus brukt under forme for testing.
2. Programmere giljotinen døren for å åpne på en progressiv ratio tidsplan for forsterkning, slik at antall operant responses (spak presser) som er nødvendige for å oppnå sosial belønning på 15 sek tilgang til målet muse arithmetically øker med en fast rente på 3 hver rettssak.
3. Programmere test økter for å avslutte når testen musen stopper hendelen trykke i fem sammenhengende minutter.
4. Spill den siste fullførte (forsterket) ratio som stoppunkt. Bruk dette avhengig tiltaket som en indeks for sosial motivasjon. Test hver mus for 20 sammenhengende daglige økter eller minst 10 testøkter etter asymptotiske ytelsesnivåer er observert.
5. Tørk av transporttjenester bokser mellom hver testøkt med 70% etylalkohol og etter ferdigstillelse av testing hver dag bruker en desinfiserende vaskemiddel.

4. Valence Sammenligning av sosiale Versus Mat Belønning

1. Etter alle mus fullføre den sosiale motivasjonen paradigmet, teste disse samme mus i en oppgave designet for å sammenligne valens sosial belønning med som en food belønning.
2. Program en spakå åpne giljotinen døren og presentere det sosiale belønning for 15 sek og programmere det motsatte spaken for å presentere en flytende mat belønning for 15 sek.
   Merk: Den flytende matvare belønning anvendt i denne protokollen besto av fordampet melk søtet med 0,2% sukrose. Forbered tilstrekkelige mengder (vanligvis 500 ml) for gjentatte ganger å presentere gevinsten av 0,02 ml til hver mus.
3. Tildele testmus alternerende spaken / reward situasjoner å kontrollere for potensielle spaken skjevheter blant mus. Dermed tildele halvparten av mus i hver testing gruppe til en venstre spak / mat belønning og høyre spak / sosial belønning beredskap, og den andre halvparten til en venstre spak / sosial belønning og høyre spak / mat belønning beredskap.
4. Trene musene for valens sammenligning av sosial versus mat belønning.
   1. Plasser en test mus i testkammeret og plassere en alder og kjønn-matchet stimulus mus i målet kammeret.
   2. Lag bare én spak / belønne beredskaps aktiv under hver treningsøkt. Opplæringen bestårav seks 1 time økter som skifter mellom kontin hver dag. Alternative tiltaks mus tildelt hver test mus hver andre sosiale belønning økt.
   3. Oppretthold musene på deres ad libitum chow kosthold under trening og testing med maten belønning. Mat deprivasjon er unødvendig for operant kondisjonering på mus med bruk av fordampet melk og sukroseløsning ^18.
5. Testing av mus for valens sammenligning av sosial versus mat belønning.
   1. Programmere planen av armeringen på et fast forhold på 3: 1, slik at hver tredje pressearmen er forsterket, men bare av dens respektive tilknyttede belønning.
   2. Program test økter for å kjøre i 60 min.
   3. Plasser en test mus i testkammeret og plassere en alder og kjønn-matchet stimulus mus i målet kammeret. Merk: Den samme pool av 10 stimulus mus anvendt i den sosiale motivasjonen oppgaven kan brukes på nytt, men er tilordnet testmusene ved hjelp av en 10-dagers rotasjon.
   4. Test musene i 20 daglige økter etter de seks dager med trening eller i minst 10 daglige økter følgende observasjon av asymptotiske ytelsesnivåer. De primære betingede tiltak for dette paradigmet er det totale antallet håndtakpressinger for hver belønning type.
   5. Igjen, tørke ned transporttjenester bokser mellom testøkter som bruker 70% etylalkohol og etter hver test dag bruker en desinfiserende vaskemiddel.

Representative Results

Denne protokollen har blitt brukt til å sammenligne prososial C57BL / 6J innavlet musestamme med BTBR innavlet musestamme som tidligere har vært rapportert å vise nedgang i sosial atferd ^10,18. Det har også blitt brukt for å karakterisere sosial motivasjon i forskjellige musestammer knockout antatt å ha enten økt eller redusert sosial motivasjon. Tidligere publiserte resultater som sammenligner den C57BL / 6J og BTBR innavlet musestammer er vist i figur 1. Disse resultatene viste redusert sosial motivasjon for BTBR mus sammenlignet med C57BL / 6J-mus. Den Valence Sammenligning paradigmet også vist redusert mat motivasjon for BTBR mus tyder på en generell nedgang i motivert atferd for denne belastningen (figur 1B).

Figur 2A viser enkelte upubliserte foreløpige data som sammenligner villtype søsken på C57BL / 6-stammen bakgrunn med heterozygot og homozygooss knockout søsken med redusert eller fraværende proteinprodukt fra et gen (gen X) antatt å fremme sosial motivasjon. Figur 2B viser noen upubliserte foreløpige data sammenligne villtype søsken på C57BL / 6 bakgrunn belastning å heterozygote knockout søsken med redusert proteinprodukt fra et gen (gen Y) antatt å redusere sosial motivasjon. De foreløpige data fra hver av disse studier støtter hver sin hypotese og ytterligere å demonstrere verdien av de beskrevne operant sosial motivasjon paradigmer.

Figur 1. Tidligere publiserte resultater fra de sosiale motivasjon og Valence sammenligning paradigmer. (A) Gjennomsnittlig stoppunkt individuelt-huset (IH) B6 mus, gruppe-huset (GH) B6 mus og gruppe ligger BTBR mus over de siste 10 dager med testing i det sosiale motivasjon oppgaven. Det vartotalt 9 mus i hver gruppe. Individuelt og gruppe-huset B6 mus utført på samme måte, men det var en betydelig forskjell mellom gruppe ligger B6 og BTBR mus (t = 2,741, df = 16, p = 0,015). (B) Gjennomsnittlig antall mat belønninger og sosiale belønninger for gruppe-huset B6 og BTBR mus over de siste 10 økter av valens sammenligning paradigmet. Begge muse grupper oppnådd betydelig mer mat belønninger enn sosiale belønninger (BTBR: t = 3,551, df = 8, p = 0,007, B6: t = 9,478, df = 8, p <0,001). Men BTBR mus ervervet betydelig færre mat belønninger enn B6 mus og også færrest sosiale belønninger (t = 3,321, df = 16, p = 0,004). Figur modifisert fra referanse ^18.

Figur 2. Representative resultater fra upublisert forskning utnytte sosiale motivasjon paradigmet. (A) Mean stoppunkt (siste forsterket ratio) oppnådd før musene sluttet spaken trykke i 5 min. For gen X, ble totalt 12 WT, 7 HET, og 6 KO mus testet i den sosiale motivasjonen paradigme. ANOVA viste en signifikant forskjell mellom genotyper (f = 7,18, df = 2, 22, p = 0,004). Post hoc Tukey HSD-undersøkelser viste at KO mus utført vesentlig under WT kontroller. (B) Til gen Y, totalt 8 HET og 6 vekt-mus ble testet. En uavhengig samples t-test viste en signifikant forskjell mellom genotyper (t = 2,26, df = 8,97, p = 0,05). * Indikerer signifikant forskjell fra WT mus på 0,05 alpha nivå.

Discussion

Operant sosial motivasjon paradigmer beskrevet i denne artikkelen er kraftige verktøy for karakterisering av sosial atferd i musemodeller av sykdom hos mennesker. I stedet for å tillate en test mus passivt å velge en sosial møte disse paradigmer krever innsats fra test mus for å oppnå en sosial belønning. Mengden arbeid som en test musen er villig til å produsere for å oppnå sosial belønning gir et kvantitativt mål på sosial motivasjon. Videre gjennom valens sammenligning paradigmet, motivert atferd kan sammenlignes på tvers av ulike typer belønning. Begge disse operant paradigmer kan brukes til å vurdere og seksuell motivasjon foreldre samt ved å presentere den aktuelle stimulus på motsatt side av giljotinen døren.

Utviklingen av disse sosiale motivasjon paradigmer involvert feilsøking av flere viktige variabler. For eksempel gjennom pilotstudier hvor lang tid at den sosiale belønningen jegs presentert ble senket fra 30 sek til 15 sek. Mens denne gangen er tilstrekkelig for sosiale interaksjoner mellom test- og stimulans mus, kan fremtidig forskning optimalisere tiden for den sosiale belønning. Tilsvarende ble det gradvis økende andel av spaken presser på sosiale belønninger senket fra en fast rente på 5-3 basert på pilot forskning.

Det antall dager som er nødvendig for å nå asymptotiske armen trykke oppførsel ble først vurdert ved 30 dager med daglig testsesjoner. Det ble bestemt at de fleste mus nå asymptote i 7 dager så antall testøkter ble senket til 20. Daglig ytelse gjør svinger imidlertid så ta gjennomsnittet av data over de siste 10 dagene sikrer asymptotic ytelse samtidig gir en bedre indeks av virkelige gjennomsnittet ytelse enn færre test dager. Forskere skal overvåke sine data for å sikre at asymptotisk ytelse nås innen 10 testdager eller endre protokollen etter behov.

Trable også senket ining økter fra 1 time til 30 min. Antallet treningsøkter som kreves er avhengig av belastningen av mus og noen mus kan bli vilkårlig utpekt som nonlearners etter et fast antall treningsøkter ^18. Antall treningsdager er nødvendige for å nå kriteriet for avansement til testing paradigme gir en annen indeks for sosial motivasjon og er dermed verdig sporing. Forskere kan også være lurt å eksperimentere med forskjellige mat belønning alternativer for valens sammenligning paradigme. Det er imidlertid viktig at testmusene blir først trenet ved å bruke et rent sosial belønning og deretter testet i den sosiale motivasjonen paradigmet før begynnelsen av valensen sammenligning paradigmet.

Disse operant sosial motivasjon paradigmer kan endres og forbedres ved å måle flere variabler enn de som er angitt i ovennevnte protokoll. For eksempel kan plasseringen av hver mus i sitt respektive kammer spores ved hjelp av currently tilgjengelig kommersiell programvare. I tillegg kan spesiell oppførsel inkludert nese-til-nese kontakt eller ultralyd lyder scores under sosiale interaksjoner. Forskere kan ytterligere eksperiment med justeringer i forhold brukes i sosiale motivasjon paradigmet eller med studier med fravær av en sosial partner eller sammenligninger som involverer andre stimuli bak giljotinen døren for eksempel en video av en conspecific eller en marionett. For valens sammenligning paradigme, analyser av valg dynamikk over studier kan gi ytterligere informasjon om endringer i motivasjonen på grunn av metning for en bestemt belønning typen ^18.

Mens disse operant sosiale motivasjon paradigmer gi en sårt tiltrengt verktøy for kvantifisering av sosial motivasjon hos mus, de har noen begrensninger. Først disse paradigmer krever mus til å ha den kognitive evnen til å gjøre lært assosiasjoner mellom spak pressing og sosial belønning. Enkelte musemodeller kanhar underskudd i både kognitive og sosiale ferdigheter som gjør det vanskelig å vurdere sosial motivasjon ved hjelp av disse paradigmer. For det andre, er naturen av den sosiale møtet begrenset som mus er bare tillatt å kommunisere på tvers av en trådnett. Men mus er fortsatt i stand til å engasjere seg i mange typiske sosial atferd, særlig, nese-til-nese undersøkelser. En siste begrensning av disse metodene er at de er arbeidskrevende og krever mye tid til å være ferdig. Opplæring og testing gjennom begge paradigmer krever minst to måneder med daglige økter. Noen mus kan ta mye lengre tid å lære spaken pressing forening strekke det nødvendige antall økter. Mens paradigmer absolutt ikke kvalifiserer som high-throughput teknikker, er dataene som de genererer svært verdifullt og verdt nødvendig arbeidskraft investering. Imidlertid, for å gi en mer fullstendig karakterisering av sosial oppførsel av en bestemt musemodell, er det anbefalt at disse paradigmer være ossed i forbindelse med andre etablerte metoder for måling av sosial adferd i mus.

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.