Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Behavior
Click here for the English version

Behavior

Automatiseret, langsigtede adfærdsmæssige Assay for kognitive funktioner i flere genetiske modeller af Alzheimers sygdom, ved hjælp af IntelliCage

Published: August 4, 2018 doi: 10.3791/58009
Automatic Translation
1,2, 1, 1
1Laboratory for Behavioral Genetics, Center for Brain Science, RIKEN, 2Organization for Research Initiatives and Development, Doshisha University

Summary

Dette papir beskriver en protokol for kognitive vurderinger for genetiske modeller af Alzheimers sygdom ved hjælp af det IntelliCage system, som er en høj overførselshastighed automatiseret adfærdsmæssige overvågningssystem med operant betingning.

Abstract

Flere faktorer – såsom aldring og gener – er ofte forbundet med kognitiv tilbagegang. Genetisk modificerede musemodeller af kognitiv tilbagegang, såsom Alzheimers sygdom (AD), er blevet et lovende redskab til at belyse de underliggende mekanismer og fremme de terapeutiske fremskridt. Et vigtigt skridt er validering og karakterisering af forventede adfærdsmæssige abnormitet i modeller for annonce, kognitiv tilbagegang. De langsigtede adfærdsmæssige undersøgelser af forsøgsdyr at studere effekten af aldrende efterspørgsel betydelig indsats fra forskere. IntelliCage systemet er en høj overførselshastighed og omkostningseffektiv test batteri til mus, der eliminerer behovet for daglige menneskelige håndtering. Her, beskriver vi hvordan systemet udnyttes i den langsigtede fænotyper af genetiske Alzheimers sygdom model, specielt med fokus på de kognitive funktioner. Eksperimentet beskæftiger gentagne batteri af tests for at vurderer rumlige læring og udøvende funktioner. Denne omkostningseffektive aldersbetinget fænotyper tillader os at identificere gener flygtig eller permanent påvirkning af forskellige kognitive aspekter.

Introduction

Udvikling af dyremodeller for neuronal sygdom i det sidste årti har givet en mekanistisk forståelse af deres grundlag og for at fremme de terapeutiske fremskridt1,2,3. Anvendelse af en høj overførselshastighed adfærdsmæssige test batteri i genetiske dyremodeller er en heuristisk forskningsværktøj til at undersøge de underliggende mekanismer af menneskelige sygdomme og identifikation af drug behandlingsformer. Forskning test batterier tilpasset til langsigtet observation af aldring og/eller demens modeller har traditionelt tvunget laboratorier at indtage store mængder af specialiseret arbejdskraft og tid. Et hjem-bur overvågningssystem ville være en omkostningseffektiv strategi, da det vil reducere udgifterne til adfærdsmæssige observation af mennesker. Nogle forskerhold har udviklet automatiseret vision-baserede værktøjer, der kan hjælpe adfærdsmæssige fænotyper af et enkelt individ i et lille hjem bur4,5,6. Imidlertid begrænser sådanne metoder social interaktion, størrelsen af testmiljøer og sorten af adfærdsmæssige foranstaltninger, der omfatter kognitive funktioner. IntelliCage er en anden generations hjem-bur overvågning system designet til at udføre forskellige kognitive opgaver i en social hjem bur. Vigtigere, denne metode kan eliminere daglige håndtering at gør det muligt for os at udføre langsigtet adfærdsmæssige overvågning med vurdering af kognitive funktioner, og det kan fjerne krav til specialiseret praktiske håndtering, og aktiverer meget reproducerbare data erhvervelse7. Her beskriver vi de langsigtede fænotyper og validering i genetiske musemodeller af Alzheimers sygdom (AD) som er blevet genereret seneste8,9,10 ved hjælp af automatiserede hjem-bur overvågning system. En test batteri, som omfattede vurderinger af rumlige læring og udøvende funktioner, blev gentagne gange udført på flere alder point (9-12 og 14-17 måneder gammel). Dette aldersbetinget fænotyper tillod os at identificere gener flygtig eller permanent påvirkning af forskellige kognitive aspekter. Vi fandt, at nogle AD modeller viste både forbigående og permanent fænotyper af flere kognitive aspekter testet i den langsigtede analyse ved hjælp af den automatiserede hjem-bur monitoring system10. Således, den automatiseret undersøgelse ved hjælp af hjem-bur overvågningssystem er gavnlig og omkostningseffektiv for langsigtet adfærdsmæssige fænotyper og validering i forskellige modeller for kognitiv dysfunktion.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Alle procedurerne, der blev godkendt af det institutionelle animal care og bruge udvalget, og de blev udført ifølge RIKEN hjernen Science Institutes retningslinjer for dyreforsøg.

1. indstilling apparater

Bemærk: En oversigt over automatiseret hjem-bur overvågningssystemet er vist i figur 1. Hvert system (39 cm x 58 cm x 21 cm) indeholder en mikroprocessor, og fire hjørne kamre, hver har to vandflasker og en ring antenne til påvisning af radiofrekvensidentifikation af transpondere implanteret i dyr (figur 1A). Identifikationsnumre for mikroprocessoren er defineret af den roterende selector (hardware adresse) (figur 1B). Identifikationsnumre for mikroprocessor bør ikke overlapper. To døre i hvert hjørne er styret af computere, som anvendes til operant betingning (figur 1 c). Typisk, hvert bur kan vurdere op til 12 mus (Se figur 2 eksempel på gruppe boliger). Ved hjælp af et større antal mus er acceptabel. Dog bør man sikre at musene ikke kæmpe overdrevent og at de ikke er overfyldte når de udfører stærkt konkurrencedygtige opgaver.

  1. Tilsluttes en computer seriefremstillede via kan kabler bure.
  2. Tilslut batteri til stik i mikroprocessor (Power-on). Alle lysdioder bør derefter tændes i et par sekunder og alle døre skulle flytte. Hvis lysdioderne ikke skifte eller hvis dørene ikke flytte, afmonterer og Adskil netledningen (dårlig elektriske forbindelser kan føre til ukorrekt funktion).
  3. Sikre at skydedøre åbner og lukker korrekt. Hvis dørene ikke flytte korrekt, kontrollere de små magneter knyttet til den sorte arm. Hvis problemet opstår ofte, kan du overveje at limning magnet til arm.
  4. Fortsætte med at kontrollere betingelserne for døre i hele eksperimenter (mindst en gang om dagen).
  5. Tænde for pc'en.

2. software

Bemærk: Alle tre komponenter af softwaren ("Designer", "Controller" og "Analyzer") for den automatiserede hjem-bur overvågningssystem er blevet designet som grafiske brugergrænseflader (figur 3). Brugere kan nemt styre eller tilføje forskellige funktioner under eksperimentet.

  1. Making eksperiment filer ved hjælp af "Designer"
    Bemærk: "Designer" bruges til at oprette og redigere eksperimentelle filer (programmer på systemet) til at udføre forskellige eksperimentelle protokoller og for at teste systemets (figur 3A) status. En eksperimentel fil integrerer listen dyr, hardware indstilling og flere eksperimentelle protokoller. Brugere kan også få offentliggjort journal protokoller ved at kontakte forfatterne.
    1. Oprette listen dyr
      1. Define betingelserne. Opbygge den eksperimentelle grand design, der omfatter følgende parametre: 1) antallet af emnet mus, 2) antallet af genetiske linjer (eller behandlingsgrupper), 3) sex (handyr, hundyr eller begge dele), og 4) antallet af buret skal anvendes.
      2. Vælg den passende transponder type (DataMars eller Trovan) i den centrale værktøj advokatstanden.
      3. Indstil "Grupper". Tilføje eller fjerne de eksperimentelle grupper i panelet "Grupper" (dvs., genotyper eller behandlinger) ved at trykke på den "grønne plus (+)" eller "Røde Kors (x)" knappen i vinduet "Grupper", henholdsvis.
      4. Indstil "Klynger". Brug funktionen "Klynge" til at betjene undergrupper lige ved at definere korrekt, forkert og neutral hjørner og sider.
        Bemærk: Besøg, nosepoke og slikke begivenheder, de vigtigste data for eventuelle adfærdsmæssige opgaver, er alle forbundet med definitionen. Denne indstilling er påkrævet til rumlige læring opgaver. De definerede klynger for hvert dyr forbliver de samme gennem hele eksperimentet. For eksempel, i en klynge til sted præference (PP) opgave eller sted præference vending (PPR), ene hjørne er defineret som korrekte (vand-tilgængelig) og tre hjørner er defineret som forkert (vand-utilgængelige). Desuden kan klynger være knyttet til en anden bruger "Link" funktion.
      5. Tildele variabler, herunder "Navn", "Tag" (transponder ID), "Sex", "Gruppe" og "Klynge".
      6. Gemme og indsætte de animalske lister ved at vælge "Eksporter dyr"... og "Import"... i menulinjen "Fil" og kopiere listerne dyr til et andet eksperiment.
    2. Konfigurere hardware i "Setup" tab. sæt op alle systemer ved hjælp af deres tilsvarende id-numre (hardwareadresse) i "Setup" tab. svarer antallet af adresser i afsnittet "designer" til det faktiske antal adresser.
    3. Opbygge de eksperimentelle protokoller i fanen "IntelliCage"
      1. Opbygge de eksperimentelle protokoller i fanen "IntelliCage" ved hjælp af følgende hoved og ringere faner (faner "Modul" og "Option").
      2. Design de eksperimentelle strukturer i den "modul plads" ved at klikke på fanen "Modul" (figur 3A). For at tilføje nye moduler, skal du trykke på "Tilføj" (grøn plus -knappen i fanen "Modul").
        Bemærk: Der er fire forskellige typer af komponenter, nemlig "Opgaver", "Utils", "Journalister" og "Begivenheder". Et eksperiment begynder som regel med en udløsende begivenhed, nemlig "Besøg", "Nosepoke" eller "Drikke". For at vælge den udløsende begivenhed, skal du trække den tilsvarende enhed fra afsnittet begivenheder til at definere den begyndende tegn. Efterfølgende, for at sætte uddata til visse aktuatorer (såsom døråbningen), træk enhederne fra afsnittet "Opgaver" (fx., "Dør", "Ført" og "Luft").
      3. Træk enheder, vist i "Enheder" del, ind i "modul rummet".
        Bemærk: Igen, brugere kan få publicerede protokoller (som eksperimentelle filer) fra forfatterne og genbruge filerne ved at importere nye dyr liste. Brugere behøver ikke at gøre alle moduler.
      4. For at gøre en nosepoke tilpasning (NPA) modul (figur 6A), træk "Dør" enhed fra afsnittet "Opgaver", "Gate" og "Timer" enheder fra afsnittet "Utils" og "Besøg" og "Nosepke" enheder fra afsnittet "Begivenheder" til "Modul plads".
      5. Linket "Nogen" på linjen "ON" Nosepoke enhed "I" i Gate enhed. Link "Ud" til "Close" i "Gate" enhed. Linket "Ud" i "Gate" til "Aktiver" i "Timer"-enhed. Linket "Ud" i porten til åben i "Døren"-enhed. Link "Ud" i "Timer" enheden "Tæt" i "Døren" enhed. Indstil "Periode" som 5.000 (ms) i afsnittet Timer.
        Bemærk: "Gate" enheden bruges til at styre input og output af sekvensen. I den "Åbne" tilstand (standardtilstanden), vil blive drevet sekvensen "Output" er tilsluttet. Derimod i tilstanden "Tæt" vil sekvens forbundet til Output blive stoppet. Sandsynligheden for at åbningen satsen kan være angivet (figur 6A, figur 8Aog figur 9A). "Modul Selector" bruges til at ændre modulerne tilfældigt eller i en bestemt rækkefølge i løbet af den samme forsøgsperioden. I opgaven seriel reaktionstid (SRT) for eksempel er moduler (af variabel forsinkelse længder) tilfældigt skiftede i hver ende af besøget ved hjælp af modulet Selector (sæt "RandomExcludeDefault" tilstand) knyttet til linjen "Ende" af "Besøg" enhed (figur 8A ). "Splitter" enhed vil blive brugt til at dirigere et input-signal til en bestemt side af hjørnet. Dette er påkrævet for mere komplicerede moduler som dem der bruges i opgaven SRT eller forsinkelse diskontering (DD), hvilket kræver operation af en bestemt side. For eksempel i opgaven DD vil kun den ene side (sødet side) åbne med en forsinkelse (figur 9A).
      6. Definere den første status af dørene i bure under fanen "Indstillinger" Angiv alle døre skal lukkes i den ikke-drikke session som den typiske indledende status for PP eller PPR opgaver.
      7. Indstille tiden tidsplanerne i fanen "Indstillinger". Modulerne er ændret på visse tidspunkter, og handlingen defineret i vinduet "Dag mønstre" er gennemført.
        Bemærk: Den "Dag mønstre" del kan bruges til at angive den eksperimentelle tidsvindue. Typisk der om natten, aktive fase af mus, bruges til at vurdere adfærd i de kognitive opgaver. Det bør bemærkes, at opgavens varighed kan påvirke størrelsen af vandindtag. Hvis varigheden er længe i relativt let opgaver, muligvis reducere ydeevnen i slutningen af vinduet tid på grund af tilfredshed. Tidsvinduet er således forpligtet til at være sat omhyggeligt.
  2. Kører eksperiment ved hjælp af "Controller"
    1. Den eksperimentelle filen indlæses ved at trykke på "Eksperiment"... knappen i afsnittet "Indstilling" i "Controller".
    2. Eksperiment ved at trykke på knappen "Start" af "Controller" (center højre del).
    3. Overvåge og visualisere den aktuelle status for systemet og mus.
      Bemærk: De adfærdsmæssige begivenheder forklares som følger: besøg, ind til et hjørne (opdaget af termisk sensor); nosepoke, at sætte næsen til hul inde hjørne (opdaget af infrarød stråle, og kan opdeles i venstre og højre nosepoke); slikke, slikker opdaget af lickometer (tælles som kontakttid og frekvens).
    4. Nøje kontrollere status for systemet, være særlig opmærksom på advarsler.
      Advarsel: Fejl på grund af en forkert animalske tag (transponder nummer) vil blive rapporteret i loggen selvom faktiske tag-nummeret er korrekt (dvs., "uregistrerede tag ***", "Tilstedeværelse signal uden antenne registrering", osv.). Dette kan skyldes brug af en transponder, der er ved at udløbe. Men denne fejl er ikke et alvorligt problem. I dette tilfælde bør en recheck at dyret identificerede i meddelelsen kan påvises. Fejl på grund af lange perioder uden et besøg eller drink vises som for eksempel "*** (animal ID) ikke gjorde nogen besøg under sidste 720 minutter" (figur 3B). Nøje kontrollere flere muligheder, der kan føre til sådanne fejl. Det alvorligste tilfælde er, at dyret er allerede døde. Den anden mest alvorlige muligheden er et problem med detektionssystemets for dyret (transponderen ikke er i orden, eller er faldet). Den tredje mulighed er, at dyret er bare ikke aktiv. Hvis dyret ikke gør nogen besøg på hele 24 h tid, bør eksperimentatoren overveje at fjerne dyret fra bur på grund af sin helbredstilstand. Et alvorligt problem, der ikke har en fejl indikation er den manglende af døren lukker (næsten altid på grund af problemer med magneter på døren). Dette resulterer i skabelsen af en upassende drikke hjørne. For at kontrollere dette problem, bør betingelserne for alle døre kontrolleres under en ikke-drikke session mindst en gang om dagen. De data, der er optjent, når problemet er til stede kan ikke bruges til analyse af PP, PPR, SRT eller DD opgaver.
    5. Output alle de adfærdsmæssige begivenheder med tag tid og animalske information ved at trykke på knappen "Stop" på "Controller" (figur 3B).
  3. Datahåndtering ved hjælp af "Analyzer"
    1. Brug "Analyzer", analysere og visualisere data.
    2. Eksportere den tid-arkiveret lodret data som Excel-filer (figur 3 c). Grafisk resultaterne vist i fanen "Diagrammer" kan lette forståelsen af data. I fanen "Data" dataene, der er arrangeret i flere kolonner og kan sorteres og filtreres ved hjælp af parametre.

3. dyrs forberedelse

  1. Bruge dyr over 15 g (alderen 2 måneder eller ældre).
    Bemærk: Hvis dyrene er mindre end 15 g, flere mus kan besøge et hjørne samtidig fører til fejl i indsamlingen af data. Alderen dyr bør overvåges nøje for at sikre, at de er i stand til at hoppe ind i hjørnerne og klatre i arkføderen. Nogle ældre mus eller mus med genetiske mutationer udstiller motoriske funktionsnedsættelser kan dø fordi de ikke kan få adgang til vand eller mad.
  2. Reducere den potentielle risiko for aggression.
    Bemærk: Selvom du bruger hunmus, det er bedre at begynde boliger alle mus sammen i et bur i en ung alder (dvs., i en alder af 1 måned) før du starter eksperimentet. En profil af mus-linjen, især med hensyn til aggressivitet, bør opnås ved brug af mandlige mus i bur.
  3. Implantat Radiofrekvensablation identifikation transpondere (steriliseret, nål inkluderet) subcutaneously ind i musene i regionen dorso-cervikal under isofluran inhalation anæstesi (figur 4).
    1. Placere musen i afdeling for anæstesi induktion.
    2. Justere ilt flowmåler til 0,8 til 1,5 L/min og isofluran vaporizer til 2,0-2,5%.
    3. Slip musen fra induktion salen efter den respirationsfrekvens blevet langsom (ca 5% fald).
    4. Vedligeholde anæstesi med en ansigtsmaske.
    5. Anvende oftalmologiske salve til øjne til at forhindre øje udtørring.
    6. Knivspids og løfte huden omkring den bageste del af scapulae at skabe en lomme.
    7. Slukke injektionsstedet med 70% ethanol til at minimere indførelse af hår i det subkutane rum. Indsæt derefter, indsprøjtning nålen gennem huden parallelt med rygsøjlen.
    8. Skubbe mikrochippen subkutant.
    9. Knivspids mikrochip gennem huden til at holde det indbyrdes skulderblad plads.
    10. Hæve nålen langsomt. Fortsætte med at knibe området i et par sekunder for at give hæmostase.
    11. Brug efter administration smertelindring, hvis nålen er forkert sat.
    12. Slip musen fra anæstesi.
    13. Placere musen i et opsving bur og overvåge det, indtil de vågner op og flytte rundt. Undgå at efterlade musen uden opsyn.
    14. Returnere musen til hjem buret, når det er blevet fuldt ambulant.
    15. Tjek den indopererede transponder med en transponder læser i mindst 1 uge.
      Forsigtig: Placeringen af de implanterede transpondere er helt afgørende for identifikation (Se figur 2). Indsæt ikke transponderen lodret i nakken; Dette kan medføre, dyr får alvorlig skade dyrets rygmarv. Transpondere falde undertiden efter nogle timer eller dage. Kontrollere hvis transponderen fungerer ved hjælp af en transponder læser. I valgfri, implantat transponder igen, hvis det falder ud; men det gentagne re-implantat kan forårsage kunstige adfærdsændringer. Check udløbsdatoen. Udløbne transpondere vil ofte sender forkerte signaler, resulterer i manglende data.
  4. Indføre dyr ind i buret og kontrollere transpondere implanteret i mus bruger transponder læsere. Fjerne mus, hvis transponderne ikke registreres.

4. kører eksperimenter

Bemærk: Mus fodret ad libitum med standard mus chow og vedligeholdes med syntetisk sengetøj, der ændres hver 1 eller 2 uger afhængigt af den opgave tidsplan. Undgå at ændre strøelse under fysisk læring opgave især første 1-2 dage. Lysene er på mellem 08:00 og 20:00. De eksperimentelle moduler er sekventielt udføres ifølge de videnskabelige spørgsmål. Den eksperimentelle tidsplan er illustreret i figur 5.

  1. Generelle aktivitet
    Bemærk: Mus er sekventielt tilpasset miljøet i buret ved hjælp af tre forsøgsbetingelser: gratis tilpasning, hvor dyrene kan altid få adgang til vandflasker i hjørnerne liberalt (en dag til 1 uge af tilvænning er typisk betragtes som tilstrækkelige); NPA, hvor musene kan få adgang til vandflasker for 5 s efter hver nosepoke ind i hullerne foran døre i hjørnerne (3 dage til 1 uge tilvænning er typisk betragtes som tilstrækkelige); og drikke Session tilpasning, hvor mus har adgang til vand flasker på et bestemt tidspunkt på dagen.
    1. Forbered filerne eksperiment for at FA, NPA og DSA opgaver.
    2. Køres FA i "Controller".
    3. Måle antallet af besøg, nosepokes og/eller slikke episoder daglige eller døgnrytmen aktivitet regelmæssigt som et indeks af generelle aktivitet.
    4. Køres NPA i "Controller".
    5. Køres DSA i "Controller".
      Bemærk: Mange læring paradigmer kræver tilpasning til drikke-session. Du kan angive tidsplan til DSA, bruge to forskellige eksperimentelle moduler: standard (for vand afsavn) session, og drikke session. Mus kan ikke tilgå vandflasker, fordi intet sker efter en nosepoke i modulet standard. De drikke session er identisk med modulet NPA. Den tidsplan, der er defineret i fanen "Indstillinger" i "Designer" kan derefter skifte til ikke-drikkevand sessionen defineret af et andet modul.
  2. Fysisk læring og hukommelse opgaver
    Bemærk: PP opgave bruges til at vurdere rumlige læring (typisk 5-7 dage). I opgaven PP har musene begrænset adgang til vand i tre ud af fire hjørner (én korrekte hjørne og tre forkerte hjørner). Dyrene vil således at besøge en bestemt hjørne for at drikke vand under de drikker sessioner. PPR opgave bruges til at vurdere fleksibilitet eller compulsivity og evnen til at ændre adfærd flydende (normalt 5-7 dage). I opgaven PPR musene kan kun få adgang til vand i modsatte hjørner anvendes som den korrekte hjørne i PP opgave.
    1. Forbered filerne eksperiment for PP og PPR opgaver. Definere de korrekte hjørner for mus ved at angive "Klynger" (typisk 1-4 hjørner hver) under fanen "Dyr" i "Designer" (Se figur 6A, nederst). For at undgå tung trafik i det ene hjørne, allokere de fire hjørner til alle mus ensartet.
    2. Køres PP i controlleren.
    3. Vurdere rumlige læring om tidsforløb, antallet og procentdelen af korrekte nosepokes.
      Bemærk: Den aktuelle version af opgaven PP fokuserer mere på rumlige læring i stedet for rumlig hukommelse, som opgaven ikke kræver tidsforskydninger mellem de forskellige forsøg. For at fokusere mere på rumlig hukommelse, overveje at bruge sted undgåelse (PA) opgave eller en udefineret nye version af den rumlige opgave, der udnytter bestemt tidspunkt huller mellem forsøg.
    4. Køres PPR i "Controller".
    5. Vurdere fleksibilitet eller compulsivity baseret på tidsforløb, antallet og andelen af den korrekte nosepokes.
      Bemærk: Fortolkning af PPR data kræver flere omhyggelig domme. Indledende udførelsen af opgaven PPR er stærkt afhængige af ydeevne i PP opgave. Dette er fordi PPR opgaven bygger på indblanding eller nødvendighed at ændre adfærd. Udførelsen af PPR kan derfor især fattige hvis udførelsen af opgaven PP er næsten 100% korrekt. Fleksibilitet kan betragtes som en af de udøvende funktioner11,12,13.
    6. Vurdere rumlige frygt hukommelse i PA.
      Bemærk: PA opgave består af 4 sammenhængende sessioner: tilvænning (dag 1); konditionering (luft-puff er indført efter nospoke på alle sider af et foruddefineret hjørne [forkert nosepoke], dag 2); 24 h pause uden for test buret (mus er placeret tilbage til deres normale hjem-bure, day3); placere mus tilbage ind i test buret uden luft-puff (dage 4 – 10).
      1. Forbered filerne eksperiment for PA.
      2. Køre tilvænning (dag 1).
      3. Køre conditioning (dag 2).
      4. Tage mus til normal hjem bure og holde i 24 timer (day3).
      5. Tage mus tilbage til test buret og køre testprotokol (dag 4 – 10).
      6. Evaluering af afskrækningsmiddel rumlige læring baseret på forholdet mellem forkert nosepokes conditioning dag (dag 2) afskrækningsmiddel rumlig hukommelse baseret på der på dagen for tilbagevenden til den test bur (dag 3), og udryddelse læring baseret på der på dag 4-10.
  3. Vurdering af udøvende funktion (impulsivitet, opmærksomhed og Compulsivity)
    1. SRT opgaver
      Bemærk: Denne procedure var tidligere beskrevet i flere detaljer10,14. I dette sæt af opgaver drives alle fire hjørner på samme måde, 24 timer om dagen. SRT består af to træningspas (SRT-træning 1 og 2) og to test sessioner (SRT-Test 1 og 2). I den første træning (SRT-træning 1), er dyrene uddannet til at erfare, at den gule LED lys er et startsignal for en nosepoke. LED lys altid flash umiddelbart efter den indledende nosepoke (forsinkelse er indstillet til 0 s).
      I den anden træning (SRT-træning 2), forsinkelsen er indstillet til varierer tilfældigt blandt 0,5, 1,0, 2,0 og 4,0 s. I denne periode har for tidlig svar ingen konsekvens (før træning). Enhver nosepoke under forsinkelsesperioden anses en forhastet svar, mens den første nosepoke når døren åbnes (5 s) anses for et korrekt svar. I den første test session (SRT-Test 1, bruges til at vurdere impulsivitet), den første nosepoke definerer den rigtige side, og indleder en forsinkelsesperioden (0,5-4,0 s, afhængigt af den opgave fase), efter som gule lysdioder er aktiveret for en bestemt tidsperiode (stimulus varighed = 2,0 s, afhængigt af den opgave fase). Døren åbnes derefter. Den første nosepoke efter forsinkelsesperioden åbner døren (5 s) og regnes som en korrekt nosepoke, mens enhver nosepoke under forsinkelsesperioden anses for tidlig nosepoke. Der er flere ændringer i den anden test session (SRT-Test 2, bruges til at vurdere opmærksomhed). Efter at have startet en stimulus (0,2-1,0 s, lidt kortere end de første test), mus er forsynet med en tidsperiode, hvorunder nosepokes er tilladt (begrænset holder typisk 2 s). Døre åbne (5 s) kun efter en korrekt nosepoke, som er den første nosepoke under den begrænsede hold. Nosepokes efter begrænset hold betragtes som udeladt nosepoke og fører ikke til ændringer i resultatet. Fejlene er opdelt i tre typer: for tidlig nosepoke, udelades nosepoke og undladelse (første nosepoke). Opmærksomhed test kræver evnen til at mærke LED flash (defineret af varigheden af stimulus varighed) samt moderat hurtig reaktion (defineret af varigheden af begrænset hold). Tidsforløb for retssagen er illustreret i figur 7.
      1. Forbered filerne eksperiment for SRT opgaver.
      2. Køre SRT-træning 1 til 3 dage.
      3. Køre SRT-træning 2 til 7 dage.
      4. Køre SRT-Test 1 (impulsivitet) i 7 dage. Beregne impulsivitet baseret på følgende formel:
        Equation 1
        hvor P er antallet af for tidlig nosepoke forsøg (eller antallet af forkert nosepoke), og T er antallet af samlede forsøg (antallet af første nosepoke).
      5. Køre SRT-Test 2 (opmærksomhed) i 7 dage. Beregne den nøjagtighed, (der betragtes som en performance indikator for opmærksomhed) ved hjælp af følgende formel:
        Equation 2
        hvor C er antallet af korrekte nosepoke forsøg (antallet af korrekte anden nosepokes), T er antallet af samlede forsøg (antallet af første nosepokes), O er antallet af undladelse forsøg (antal retssag mangler en anden nosepoke) og P er antallet af for tidlig nosepoke forsøg (eller antallet af andet forkert nosepoke før den begrænsede hold).
    2. DD opgave
      Bemærk: Dette er et simpelt valg opgave, hvor dyrene vælge enten vente at drikke sødet vand (SW, 0,5% saccharin eller 10% saccharose) med en forsinkelse eller drikke normalt vand uden forsinkelse. Døren på den valgte side åbner selv døren på den modsatte side forbliver lukket. SW og normal vand fordeles identisk i højre eller venstre sider af alle hjørner. DD opgave tidsplan omfatter uddannelse og test sessioner. I træningen, musene kan få adgang til både SW og vand uden en ventetid. Således, at musene vil udvikle deres præference til SW side. I test sessioner, øger vent gang dagligt (dvs., 0, 1, 2,..., 8 s). Forsinkelserne sekventielt øge dagligt ved at gøre flere moduler udstiller forskellige forsinkelse længde (0, 1, 2,..., 8 s) og indstilling "Link" i områderne "Modul" og "Options" (dag mønstre). I denne opgave fungerer alle fire hjørner på samme måde, 24 timer om dagen.
      1. Forberede den eksperimentelle fil til DD opgave.
      2. Definere siden af SW (højre eller venstre sider i alle hjørnerne).
      3. Erstatte vandflasker på de definerede sider med de flasker, der indeholder SW.
      4. Køre træningspas for at træne dyr at drikke SW på de definerede sider med nogen forsinkelse i 5-7 dage.
      5. Beregne præference indeks, der defineres som forholdet mellem slikke eller nosepoking på siden af SW til det samlede antal slikker eller nosepokes. Præference indekset for den side, der indeholder SW beregnes således som:
        Equation 3
        eller
        Equation 4
        Den tidligere indeks fokuserer mere på handling resultater, mens de sidstnævnte fokuserer mere på valg adfærd.
        Bemærk: Sikre, at de fleste mus fortrinsvis vælger sider med SW (> 90% for slikke nummer-baseret indeks, > 80% for den første nosepoke-baseret indeks) i slutningen af uddannelsen.
      6. Efterfølgende køre test session, DD opgave 9 dage (forsinkelse 0 til 8 s).
      7. Vurdere tidsforløb af skift i præference mod siden med SW til at evaluere compulsivity.
  4. Dataanalyse
    1. Åbne arkiver benytter "Analyzer" og eksportere alle dataene til Excel-filer. Hvis mængden af data beløb er ganske stort, det er bedre at filtrere data (dvs., uddrag den drikke session for de rumlige opgaver, og uddrag den første og anden nosepokes til SRT opgaver).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

I vores tidligere undersøgelse, blev aldersbetinget kognitiv underskud i AD modeller opdaget af eksperimenter ved hjælp af den automatiserede hjem-bur monitoring system10. Deres præstation for AD modeller i PP var intakt i både unge voksne og ældre emner; dog performance i PPR var betydeligt og gradvis forringet (figur 6). Det er også vigtigt at overholde generelle adfærd eller angst i fasen for tilpasning, fordi sådanne træk kan påvirke kognition15. AD modeller udviste ikke nogen grov abnormiteter i besøg, nosepoke og slikke numre i FA, NP og DSA-sessioner. Således kan AD modellerne har lavere fleksibilitet.

For at vurdere de udøvende funktioner, blev den adfærdsmæssige ydeevne i SRT og DD indspillet. Ældre annonce modeller (NL-G-F) manglede nøjagtighed i den sidste fase af SRT (SRT-Test 2) (figur 8). Forenklet compulsivity blev observeret i unge voksne og gamle emner af NL-G-F-mus (figur 9B, top). Interessant, selv om der var en stigning i compulsivity i NL-F mus, der var unge voksne, i alderdommen, blev det sammenlignes med wild-type mus (figur 9B, nederst). Dette er et eksempel på den forbigående Fænotypen af NL-F mutation.

Figure 1
Figur 1: komponenter af den automatiserede hjem-bur overvågningssystem. (A) oversigt over systemet. (B) placering af stik. (C) hjørne kammer med operant dør. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: eksempel på gruppe boliger for studiet. Typisk bruges 12 musen pr. bur. Ved hjælp af fire grupper (tre genetiske modeller og en wild-type), anses tre mus pr. gruppe pr. IntelliCage for passende. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: Software til systemet. (A) "Designer" bruges til at bygge eksperimentelle filer. Venstre: Animalsk listens del omfatter oplysninger definitioner af dyr og en gruppe. Ret: Modul plads bruges til at definere eksperimentelle operationer. (B) "Controller" kan bruges til at køre-, monitor- og record eksperimenter. Venstre: Status for en af buret arbejder med visning af dyrenes besøg, nosepoke, og slikke i de fire hjørner. Højre: Alarm windows vises sker nogle problemer. (C) The Analyzer kan bruges til at håndtere og eksportere data erhvervet af controlleren. Venstre: Alle data er markeret med oplysninger af dyr, miljø inde i buret, og tid. Filtrering vil hjælpe yderligere analyse i Excel eller andre analytisk software. Højre: Tid-line af besøgene (også nosepoke eller licks) kan vist individuelt. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4: Transponder implantation. (A) mikrochip af transponder (DataMars). (B) Side Se af transponder implantation (transpondering). Undgå at forårsage skade på rygmarven. (C) Top view af transponderen. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 5
Figur 5: tid-line af eksperimenter for kognitiv vurdering med den automatiserede hjem-bur overvågningssystem. En test batteri til kognitiv vurdering blev udført to gange (1. sæt, 9-12 måneder gamle, og 2 sæt, 14-17 måneder gammel) efterfulgt af eksperimenter for at vurdere generelle aktivitet i slutningen (3. sæt [18 måneder gamle]). Dette batteri var udpeget til vurdering af flere kognitive domæner (angivet af farver-rød: generelle aktivitet; Blå: rumlige indlæring og hukommelse; Grøn: udøvende funktion), som har fordele i validering og karakterisering af de forventede kognitiv underskud. FA: Gratis tilpasning; NPA: Nosepoke tilpasning; DSA: Drikke Session tilpasning; PP: Sted præference; PPR: Sted præference vending; SRT: Seriel reaktionstid (til impulsivitet og opmærksomhed); PA: Sted unddragelse; DD: Forsinkelse diskontering. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 6
Figur 6: eksperimenterende design og repræsentative resultater af PP og PPR opgaver. (A) Top, et eksempel modulet design for PP eller PPR. Bunden, korrekte hjørne indstilling er ændret til den modsatte side i PPR. (B) underskud i rumlige tilbageførsel læring i en annonce model (NL-G-F) fremkaldte i ældre alder. Data er udtrykt som gennemsnit ± standardafvigelse af middelværdi (SEM). ∗p < 0,05; ∗∗p < 0,01. Farverne angiver grupper af sammenligning: blå: NL vs WT; Rød: NL-F vs WT; Grøn: NL-G-F vs WT. Dette tal er blevet ændret fra reference10. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 7
Figur 7: retssag flow af SRT opgaver. Venstre: retssag strømmen af SRT (imp). Den første nosepoke definerer den rigtige side, og indleder en forsinkelsesperioden (0,5-4,0 s), efter som gule lysdioder er tændt. Døren åbnes derefter. Højre: retssag strømmen af SRT (att). Den første nosepoke definerer den rigtige side, og indleder en forsinkelsesperioden (2,0 s), efter som gule lysdioder er tændt i kortere tid (0,2-1,0 s). Mus er forsynet med en tidsperiode, hvorunder nosepokes er tilladt (begrænset hold, 2 s). Døre åbne (5 s) kun efter en korrekt nosepoke, som er den første nosepoke under den begrænsede hold. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 8
Figur 8: eksperimenterende design og repræsentative resultater af SRT opgaver. (A) et eksempel modulet design for SRT. (B) opmærksomhed nedgang i en annonce model specifikke til i en ældre alder. Data er udtrykt i gennemsnit ± SEM. ∗p < 0,05; ∗∗p < 0,01. Farverne angiver grupper af sammenligning: blå: NL vs WT; Rød: NL-F vs WT; Grøn: NL-G-F vs WT. Dette tal er blevet ændret fra reference10. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 9
Figur 9: eksperimenterende design og repræsentative resultater af DD opgave. (A) et eksempel på modulet til DD opgave. (B) lettere compulsivity i annonce model (NL-G-F) på både unge og gamle aldre. Dette er et eksempel på fænotype. På den anden side øgedes compulsivity forbigående i en anden annonce model (NL-F). Data er udtrykt i gennemsnit ± SEM. ∗p < 0,05; ∗∗p < 0,01. Farverne angiver grupper af sammenligning: blå: NL vs WT; Rød: NL-F vs WT; Grøn: NL-G-F vs WT. Dette tal er blevet ændret fra den tidligere arbejde10. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Dette papir beskriver den metode, ved hjælp af den automatiserede hjem-bur overvågningssystem for langsigtet kognitive og adfærdsmæssige assays i genetisk modificerede AD modeller. Den mest kritiske trin er implantation af transponder i den relevante position. Før du udfører implantation, sikre at udløbsdatoen af transponderen ikke er overskredet. Det andet vigtige punkt er at kontrollere funktion af systemet dagligt, især som et mindre problem kan efterfølgende blive en mere alvorlig i løbet af undersøgelsen (dvs., et stablet dør, faldet-out transponder og dårlig elektriske forbindelser .). For det tredje er det vigtigt at være i stand til problemer med at skyde fordi mange spørgsmål kan opstå i hele den eksperimentelle tidsplan.

Dette papir introduceret en grundpakke med opgaver for kognitiv vurdering. Disse opgaver blev produceret ved at henvise til de konventionelle adfærdsmæssige test, men de kan ikke perfekt efterligner de konventionelle test. For eksempel, angiver SRT opgaver ikke valg-tilstand. Fem valg seriel valg opgave (5CSRTT), en model af SRT opgaver, foregår normalt i et kammer med 9, 5 eller 3 huller til nosepoke til at måle nøjagtigheden16,17. Vores team tidligere forsøgt at gennemføre en valg udgave af SRT, men musene kunnet lære reglen inden for relativt lang tid (2 uger eller mere). Brugeren af dette system bør være opmærksom på forskellen, og Diskuter data omhyggeligt.

Et andet spørgsmål handler om begrænsninger for gentagen måling. Som nævnt i forrige undersøgelse18, er den første at de gentagne forsøg ikke simpelthen sammenligne effekten af alder. Vi observerede, at data fra den anden PA test mislykkedes at kopiere hukommelse værdiforringelse i AD modeller10. Udførelsen af alle genotype var meget værre end den første PA test. Denne forskel kan komme fra aldersforskel eller tilvænning til den afskrækningsmiddel stimulus (oplevelse af tidligere PA opgave). Eksperimentatorer bør tænke gentage effekten og overveje rækkefølgen af opgaver. For at overvinde tilvænning af afskrækningsmiddel stimulus i den anden PA test, kan det være bedre at bruge stærkere luft-puff stimulus eller tilføje nogle nye miljømæssige incitament såsom forskellige typer af strøelse eller lyde19.

Forskellige forskere har udviklet nye metoder og protokoller for den automatiserede hjem-bur overvågning undersøgelser20,21,22,23,24,25, 26, og understøttende software ved hjælp af open source bibliotek27. Dermed er muligheden for systemet blevet udvidet. Endelig, systemet giver automatiseret høj overførselshastighed adfærdsmæssige screening for langsigtet assays, der bruges til at studere en bred vifte af kognitive funktioner, som er gavnlige i fænotyper og validere sygdomsmodeller.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Ingen interessekonflikter erklæret.

Acknowledgments

Vi takker Reiko Ando for hendes hjælp i fotografere materialer. Denne forskning blev støttet af licensbetaling for sonderende forskning (JSP'ER KAKENHI Grant nummer 16K 15196).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
IntelliCage TSE Systems - Parchased in 2011 or later
PC Dell Inspiron 580s -
Display Dell SI75T-WL -
ALPHA-dri Shepherd Specialty Papers - Standard bedding
Aron Alpha (Krasy Glue) 2 g Toagosei (Krasy Glue) #04612 Cyanoacrylates for gluing magnet and blak arm
Handheld Transponder Reader BTS-ID R-560 Transponder reader, which reads both Trovan and DataMars
Transponder DataMars T-VA, T-VAS, or another series Basic package of transponders and implanters
Diamond Grip Plus Ansel Microflex DGP-INT-M Experimental glove
Isoflurane Pfizer 1119701G1092 -
Vaporizer for small animals DS Pharma Biomedical SF-B01 Facemask included
Neo-Medrol Pfizer 006472-001 Eye ointment
Ethanol (70%) - - -
Excel Microsoft 00202-51382-15524-AA928 For data analysis

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Bryan, K. J., Lee, H., Perry, G., Smith, M. A., Casadesus, G. Transgenic Mouse Models of Alzheimer's Disease: Behavioral Testing and Considerations. Methods of Behavior Analysis in Neuroscience. , CRC Press/Taylor & Francis. (2009).
  2. Nestler, E. J., Hyman, S. E. Animal models of neuropsychiatric disorders. Nature Neuroscience. 13 (10), 1161-1169 (2010).
  3. Crawley, J. N. Behavioral Phenotyping Strategies for Mutant Mice. Neuron. 57 (6), 809-818 (2008).
  4. Zarringhalam, K., Ka, M., et al. An open system for automatic home-cage behavioral analysis and its application to male and female mouse models of Huntington's disease. Behavioural Brain Research. 229 (1), 216-225 (2012).
  5. Prusiner, S. B., Jackson, W. S., King, O. D., Lindquist, S. The power of automated high-resolution behavior analysis revealed by its application to mouse models of Huntington's and prion diseases. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 95 (23), 13363-13383 (1998).
  6. Jhuang, H., Garrote, E., et al. Automated home-cage behavioural phenotyping of mice. Nature Communications. 1 (6), 1-9 (2010).
  7. Krackow, S., Vannoni, E., et al. Consistent behavioral phenotype differences between inbred mouse strains in the IntelliCage. Genes, brain, and behavior. 9 (7), 722-731 (2010).
  8. Nilsson, P., Saito, T., Saido, T. C. New mouse model of Alzheimer's. ACS chemical. 5 (7), 499-502 (2014).
  9. Saito, T., Matsuba, Y., et al. Single App knock-in mouse models of Alzheimer's disease. Nat Neurosci. 17 (5), 661-663 (2014).
  10. Masuda, A., Kobayashi, Y., Kogo, N., Saito, T., Saido, T. C., Itohara, S. Cognitive deficits in single App knock-in mouse models. Neurobiology of Learning and Memory. , (2016).
  11. Chan, R. C. K., Shum, D., Toulopoulou, T., Chen, E. Y. H. Assessment of executive functions: Review of instruments and identification of critical issues. Archives of Clinical Neuropsychology. 23 (2), 201-216 (2008).
  12. Jurado, M. B., Rosselli, M. The Elusive Nature of Executive Functions: A Review of our Current Understanding. Neuropsychology Review. 17 (3), 213-233 (2007).
  13. Diamond, A. Executive Functions. Annual Review of Psychology. 64 (1), 135-168 (2013).
  14. Kobayashi, Y., Sano, Y., et al. Genetic dissection of medial habenula-interpeduncular nucleus pathway function in mice. Frontiers in behavioral neuroscience. 7, 17 (2013).
  15. Robinson, O. J., Vytal, K., Cornwell, B. R., Grillon, C. The impact of anxiety upon cognition: perspectives from human threat of shock studies. Frontiers in human neuroscience. 7, 203 (2013).
  16. Robbins, T. The 5-choice serial reaction time task: behavioural pharmacology and functional neurochemistry. Psychopharmacology. (3-4), 362-380 (2002).
  17. Asinof, S. K., Paine, T. A. The 5-Choice Serial Reaction Time Task: A Task of Attention and Impulse Control for Rodents. Journal of Visualized Experiments. (90), e51574 (2014).
  18. Codita, A., Gumucio, A., et al. Impaired behavior of female tg-ArcSwe APP mice in the IntelliCage: A longitudinal study. Behavioural brain research. 215 (1), 83-94 (2010).
  19. Blumstein, D. T. Habituation and sensitization: new thoughts about old ideas. Animal Behaviour. 120, 255-262 (2016).
  20. Endo, T., Maekawa, F., et al. Automated test of behavioral flexibility in mice using a behavioral sequencing task in IntelliCage. Behavioural brain research. 221 (1), 172-181 (2011).
  21. Voikar, V., Colacicco, G., Gruber, O., Vannoni, E., Lipp, H. -P., Wolfer, D. P. Conditioned response suppression in the IntelliCage: assessment of mouse strain differences and effects of hippocampal and striatal lesions on acquisition and retention of memory. Behavioural brain research. 213 (2), 304-312 (2010).
  22. Puścian, A., Łęski, S., Górkiewicz, T., Meyza, K., Lipp, H. -P., Knapska, E. A novel automated behavioral test battery assessing cognitive rigidity in two genetic mouse models of autism. Frontiers in Behavioral Neuroscience. 8, 140 (2014).
  23. Voikar, V., Colacicco, G., Gruber, O., Vannoni, E., Lipp, H. -P., Wolfer, D. P. Conditioned response suppression in the IntelliCage: assessment of mouse strain differences and effects of hippocampal and striatal lesions on acquisition and retention of memory. Behavioural brain research. 213 (2), 304-312 (2010).
  24. Harda, Z., Dzik, J. M., et al. Autophosphorylation of αCaMKII affects social interactions in mice. Genes, Brain and Behavior. , e12457 (2018).
  25. Aarts, E., Maroteaux, G., et al. The light spot test: Measuring anxiety in mice in an automated home-cage environment. Behavioural Brain Research. 294, 123-130 (2015).
  26. Safi, K., Neuhäusser-Wespy, F., et al. Mouse anxiety models and an example of an experimental setup using unconditioned avoidance in an automated system -IntelliCage. Cognition Brain & Behavior. 10 (4), 475-488 (2006).
  27. Dzik, J. M., Puścian, A., Mijakowska, Z., Radwanska, K., Łęski, S. PyMICE: APython library for analysis of IntelliCage data. Behavior Research Methods. 50 (2), 804-815 (2018).

Tags

Adfærd spørgsmålet 138 IntelliCage mus adfærdsmæssige screening automation læring og hukommelse kognitive evner
Automatiseret, langsigtede adfærdsmæssige Assay for kognitive funktioner i flere genetiske modeller af Alzheimers sygdom, ved hjælp af IntelliCage
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Masuda, A., Kobayashi, Y., Itohara,… More

Masuda, A., Kobayashi, Y., Itohara, S. Automated, Long-term Behavioral Assay for Cognitive Functions in Multiple Genetic Models of Alzheimer's Disease, Using IntelliCage. J. Vis. Exp. (138), e58009, doi:10.3791/58009 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter