Et system til sporing af dynamikken i social præference adfærd i små gnavere
Summary
Beskrevet her er en ny automatiseret eksperimentel system, der tilbyder et alternativ til tre-kammer test og også løser flere forbehold. Dette system leverer flere adfærdsmæssige parametre, der muliggør grundig analyse af små gnaver adfærdsmæssige dynamik under social præference og social nyhed præference tests.
Abstract
Udforskning af neurobiologiske mekanismer af social adfærd kræver adfærdsmæssige tests, der kan anvendes til dyremodeller på en upartisk og observatør-uafhængig måde. Siden begyndelsen af tusindårsriget, tre-kammer test har været meget anvendt som et standard paradigme til at evaluere selskabelighed (social præference) og social nyhed præference i små gnavere. Men denne test lider af flere begrænsninger, herunder dens afhængighed af rumlig navigation og uagtsomhed af adfærdsmæssige dynamik. Præsenteret og valideret her er et nyt eksperimentelt system, der tilbyder et alternativ til tre-kammer test, samtidig med at løse nogle af sine forbehold. Systemet kræver et enkelt og overkommeligt forsøgs apparat og offentligt tilgængeligt open source-analyse system, som automatisk måler og analyserer flere adfærdsmæssige parametre på individ-og populationsniveau. Det giver mulighed for detaljeret analyse af de adfærdsmæssige dynamik små gnavere under enhver social diskrimination test. Vi demonstrerer effektiviteten af systemet i at analysere dynamikken i social adfærd under den sociale præference og social nyhed præference tests som udføres af voksne mandlige mus og rotter. Desuden validerer vi systemets evne til at afsløre modificeret dynamik i social adfærd i gnavere efter manipulationer såsom hale-trimning. Således systemet giver mulighed for stringent undersøgelse af social adfærd og dynamik i små gnaver modeller og understøtter mere præcise sammenligninger mellem stammer, betingelser, og behandlinger.
Introduction
Afslørende de biologiske mekanismer underliggende neuroudviklingsmæssige lidelser (NDDs) er en af de største udfordringer inden for neurovidenskab1. Tackle denne udfordring kræver adfærdsmæssige paradigmer og eksperimentelle systemer, der karakteriserer adfærd gnavere i en standard og upartisk måde. En indflydelsesrig undersøgelse offentliggjort for mere end et årti siden af Moy og kolleger2 præsenterede tre-kammer test. Siden da har denne test været meget brugt til at undersøge social adfærd i gnavere modeller af Ndd’er. Denne test evaluerer to medfødte tendenser af gnavere: 1) at bo i nærheden af en social stimulus over et objekt (selskabelighed, også betegnet social præference [Sp]), og 2) at foretrække nærhed af en roman social stimulus over en velkendt en (social nyhed præference [SNP])3,4. Flere efterfølgende undersøgelser foreslog metoder til automatiseret analyse af tre-kammer testen ved hjælp af edb-metoder5,6.
Denne test stadig lider af flere forbehold. For det første, det primært undersøger sociale sted præference snarere end motivering af emnet til direkte interagere med en social stimulus, selv om nogle grupper også måle olfaktoriske undersøgelse (sniffing) tid, enten manuelt7 eller ved hjælp af kommercielle edb-systemer8,9,10. For det andet bruges tre-kammer testen for det meste til at måle den samlede tid brugt af emnet i hvert kammer, og det forsømmer adfærdsmæssige dynamik. Endelig, det bygger på kun ét aspekt af den sociale adfærd, som er den tid, der bruges af emnet i hvert kammer (eller sniffing tid, hvis målt).
Her præsenterer vi et nyt og overkommeligt eksperimentelt system, der er et alternativ til trekammer apparatet. Det giver også mulighed for udførelse af de samme adfærdsmæssige tests, mens løse de ovennævnte forbehold. Den præsenterede adfærdsmæssige system automatisk og direkte måler den efterforsknings adfærd af en gnaver mod to stimuli. Derudover analyserer den adfærds dynamikken på en observatør uafhængig måde. Desuden, dette system måler flere adfærdsmæssige parametre og analyserer disse på både individ og befolkning niveauer; således, det understøtter en grundig analyse af social adfærd og dens dynamik under hver test. Desuden neutraliserer tilfældige Repositionering af kamrene i modsatte hjørner af arenaen under de forskellige test stadier enhver effekt af rumlig hukommelse eller præference. Dette system kan også anvendes til andre diskriminations tests, såsom kønsdiskrimination. Det brugerdefinerede apparat er let at producere, og analysesystemet er offentligt tilgængeligt som en open-source-kode, hvilket gør det muligt at bruge det i ethvert laboratorium. Vi demonstrerer evnen af dette system til at måle flere parametre for social adfærd i gnavere stammer med særskilte pels farver under den sociale præference og social nyhed præference tests. Vi validerer også systemets evne til at afsløre modificeret dynamik i social adfærd i gnavere efter manipulationer, såsom hale-trimning.
TrackRodent software: tre algoritmer blev skrevet i MATLAB (2014a-2019a) at spore forsøgsemnet og dets interaktioner med stimuli. Alle algoritmer blev deponeret i GitHub, findes på . Hovedformålet med alle fire algoritmer er at spore konturerne af motivet krop til at detektere enhver direkte kontakt med stimuli områder.
Body-baserede algoritme: denne algoritme har tre versioner, der sporer konturerne af en ukablet mørk mus på en hvid baggrund (BlackMouseBodyBased), en hvid mus på en mørk baggrund (WhiteMouseBodyBased), eller en hvid rotte på en mørk baggrund (WhiteRatBodyBased ). Den grafiske brugergrænseflade (GUI) af softwaren kræver, at eksperimentatoren vælger et eksperiment ved hjælp af enten mus eller rotter og derefter vælger den korrekte kode. For hver version af algoritmen er der to valgfrie koder: en, der præsenterer sporingsprocessen på skærmen, mens den udfører analysen, og en, der ikke (derfor kører den hurtigere og kaldes “hurtig”). For eksempel er navnene på de relevante koder for BlackMouseBodyBased algoritmen: “BlackMouseBodyBased23_7_14” og “BlackMouseBodyBased23_7_14_Fast”. Alle algoritmer, som slutter med “fast”, viser ikke sporing online, og brugerne skal gemme dataene direkte i resultatfilen (. mat-fil). Alle krop-baserede algoritmer kræver fastsættelse af en enkelt tærskel (“lav tærskel” i softwarens GUI) til at detektere kroppen af motivet.
Head-directionalitetsbaseret algoritme: den anden algoritme, som kun er tilgængelig for sorte mus, er baseret på den krops baserede algoritme, ud over at bestemme hoved direktionalitet. Denne algoritme registrerer samspillet mellem motivet hoved med “stimuli” områder, og dermed undgå falske positiver, der kan opstå fra tilfældige kontakter af emnet ‘ med disse områder. For denne algoritme er to detekterings tærskler for muse kropskonturer defineret: høj tærskel, som omfatter den lysere hale af sorte mus og lav tærskel, som omfatter kroppen uden hale. Derefter, algoritmen passer en ellipsoide til de fundne grænser ved hjælp af den nedre tærskel og definerer placeringen af musen hoved og hale (uden skelnen mellem de to). Den endelige diskrimination mellem halen og hovedet er baseret på de grænser, der er defineret af den højere tærskel.
Wired animalske algoritme: den tredje algoritme har til formål at minimere artefakter som følge af kabler (dvs. elektrisk ledning eller optisk fiber) forbundet til dyret, så analyse af dyrets adfærd, mens forbundet til et kabel. Denne algoritme har koder kun for sorte mus og hvide rotter. Koden for rotter kræver, at eksperimententer definerer både lave og høje tærskler, mens muse koden kun kræver en lav tærskel.
Protocol
Representative Results
Discussion
Det eksperimentelle system, der er beskrevet her, og som er udformet som et alternativ til 3-kammer apparatet2,5, givermulighed for udførelse af de sammetests, samtidigmed at nogle af dets begrænsninger kan løses. Brugen af trekantede kamre, som er placeret i to modsatte hjørner af den rektangulære Arena begrænser emnet-stimulus interaktion område til en veldefineret plan, hvilket muliggør præcis automatiseret analyse af efterforsknings adfærd. En forde…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af Human Frontier Science program (HFSP Grant RGP0019/2015), Israels Science Foundation (ISF Grants #1350/12, 1361/17), af Milgrom Foundation og af Ministeriet for videnskab, teknologi og rummet Israel (Grant #3-12068).
Materials
| Flea3 1.3 MP Mono USB3 Vision | FLIR (formerly PointGrey) | FL3-U3-13Y3M-C | Monochromatic Camera |
| FlyCap 2.0 | FLIR (formerly PointGrey) | FlyCapture 2.13.3.61X64 | Video recording software |
| Home 5 minute Epoxy glue | Devocon | 20845 | For gluing the metal mesh to the Plexiglas stimuli chambers |
| Matlab 2014-2019 | MathWorks | R2014a – R2019a | Programming environment |
| Plexiglas boards (6 mm thickBlack or white) | Melina (1990) LTD, Israel | NaN | For arena and stimuli chambers construction |
| Red led strips (60 leds per meter) connected to a 12V power supply | 2012topdeal eBay supplier | NaN | For illumination of the acoustic chamber |
References
- Insel, T. R. The challenge of translation in social neuroscience: a review of oxytocin, vasopressin, and affiliative behavior. Neuron. 65 (6), 768-779 (2010).
- Moy, S. S., et al. Sociability and preference for social novelty in five inbred strains: an approach to assess autistic-like behavior in mice. Genes, Brain and Behavior. 3 (5), 287-302 (2004).
- Carr, W. J., Yee, L., Gable, D., Marasco, E. Olfactory recognition of conspecifics by domestic Norway rats. Journal of Comparative and Physiological Psychoogyl. 90 (9), 821-828 (1976).
- Ferguson, J. N., Aldag, J. M., Insel, T. R., Young, L. J. Oxytocin in the medial amygdala is essential for social recognition in the mouse. Journal of Neuroscience. 21 (20), 8278-8285 (2001).
- Nadler, J. J., et al. Automated apparatus for quantitation of social approach behaviors in mice. Genes, Brain and Behavior. 3 (5), 303-314 (2004).
- Page, D. T., Kuti, O. J., Sur, M. Computerized assessment of social approach behavior in mouse. Frontiers in Behavioral Neuroscience. 3, 48 (2009).
- Sankoorikal, G. M., Kaercher, K. A., Boon, C. J., Lee, J. K., Brodkin, E. S. A mouse model system for genetic analysis of sociability: C57BL/6J versus BALB/cJ inbred mouse strains. Biological Psychiatry. 59 (5), 415-423 (2006).
- Martin, L., Sample, H., Gregg, M., Wood, C. Validation of operant social motivation paradigms using BTBR T+tf/J and C57BL/6J inbred mouse strains. Brain and Behavior. 4 (5), 754-764 (2014).
- Noldus, L. P. J. J., Spink, A. J., Tegelenbosch, R. A. J. EthoVision: A versatile video tracking system for automation of behavioral experiments. Behavior Research Methods Instruments & Computers. 33 (3), 398-414 (2001).
- Sams-Dodd, F. Automation of the social interaction test by a video-tracking system: behavioural effects of repeated phencyclidine treatment. Journal of Neuroscience Methods. 59 (2), 157-167 (1995).
- Netser, S., Haskal, S., Magalnik, H., Wagner, S. A novel system for tracking social preference dynamics in mice reveals sex- and strain-specific characteristics. Molecular Autism. 8, 53 (2017).
