Un sistema per tenere traccia delle dinamiche del comportamento delle preferenze sociali nei piccoli roditori
Summary
Descritto qui è un nuovo sistema sperimentale automatizzato che offre un’alternativa al test a tre camere e risolve anche diversi avvertimenti. Questo sistema fornisce più parametri comportamentali che consentono un’analisi rigorosa delle piccole dinamiche comportamentali dei roditori durante i test di preferenza sociale e di preferenza di social novella.
Abstract
Esplorare i meccanismi neurobiologici del comportamento sociale richiede test comportamentali che possono essere applicati ai modelli animali in modo imparziale e indipendente dall’osservatore. Dall’inizio del millennio, il test a tre camere è stato ampiamente utilizzato come paradigma standard per valutare la socialità (preferenza sociale) e la preferenza di novità sociale nei piccoli roditori. Tuttavia, questo test soffre di molteplici limitazioni, tra cui la sua dipendenza dalla navigazione spaziale e la negligenza delle dinamiche comportamentali. Presentato e convalidato qui è un nuovo sistema sperimentale che offre un’alternativa al test a tre camere, risolvendo anche alcuni dei suoi avvertimenti. Il sistema richiede un apparato sperimentale semplice e conveniente e un sistema di analisi open source disponibile al pubblico, che misura e analizza automaticamente più parametri comportamentali a livello individuale e di popolazione. Permette un’analisi dettagliata delle dinamiche comportamentali dei piccoli roditori durante qualsiasi test di discriminazione sociale. Dimostriamo l’efficienza del sistema nell’analisi delle dinamiche del comportamento sociale durante i test di preferenza sociale e di preferenza di social novella eseguiti da topi maschi adulti e ratti. Inoltre, convalidiamo la capacità del sistema di rivelare dinamiche modificate del comportamento sociale nei roditori a seguito di manipolazioni come il taglio baffo. Così, il sistema consente un’indagine rigorosa del comportamento sociale e delle dinamiche in piccoli modelli di roditori e supporta confronti più accurati tra ceppi, condizioni e trattamenti.
Introduction
Rivelare i meccanismi biologici alla base dei disturbi del neurosviluppo (NDD) è una delle principali sfide nel campo delle neuroscienze1. Affrontare questa sfida richiede paradigmi comportamentali e sistemi sperimentali che caratterizzano il comportamento dei roditori in modo standard e imparziale. Uno studio influente pubblicato più di dieci anni fa da Moy e colleghi2 ha presentato il test a tre camere. Da allora, questo test è stato ampiamente utilizzato per studiare il comportamento sociale nei modelli di roditori di NDD. Questo test valuta due tendenze innate dei roditori: 1) a rimanere in prossimità di uno stimolo sociale rispetto a un oggetto (società, anche definito preferenza sociale [SP]), e 2) a preferire la vicinanza di un nuovo stimolo sociale a uno familiare (preferenza di novità sociale [SNP])3,4. Diversi studi successivi hanno suggerito metodi di analisi automatizzata del test a tre camere utilizzando metodi computerizzati5,6.
Questo test soffre ancora di diversi avvertimenti. In primo luogo, esamina principalmente la preferenza sociale del luogo piuttosto che la motivazione del soggetto a interagire direttamente con uno stimolo sociale, anche se alcuni gruppi misurano anche il tempo di indagine olfattiva (sniffing), sia manualmente7 o utilizzando sistemi commerciali computerizzati8,9,10. In secondo luogo, il test a tre camere viene utilizzato principalmente per misurare il tempo totale impiegato dal soggetto in ogni camera e trascura le dinamiche comportamentali. Infine, si basa su un solo aspetto del comportamento sociale, che è il tempo trascorso dal soggetto in ogni camera (o il tempo di sniffing, se misurato).
Qui presentiamo un nuovo e conveniente sistema sperimentale che è un’alternativa all’apparato a tre camere. Permette anche le prestazioni degli stessi test comportamentali mentre risolve gli avvertimenti di cui sopra. Il sistema comportamentale presentato misura automaticamente e direttamente il comportamento investigativo di un roditore verso due stimoli. Inoltre, analizza le dinamiche comportamentali in modo indipendente dall’osservatore. Inoltre, questo sistema misura più parametri comportamentali e li analizza sia a livello individuale che di popolazione; supporta quindi un’analisi rigorosa del comportamento sociale e delle sue dinamiche durante ogni test. Inoltre, il riposizionamento casuale delle camere negli angoli opposti dell’arena durante le varie fasi di prova neutralizza eventuali effetti della memoria spaziale o della preferenza. Questo sistema può essere utilizzato anche per altri test di discriminazione, come la discriminazione sessuale. L’apparato personalizzato è facile da produrre e il sistema di analisi è accessibile al pubblico come codice open source, consentendone così l’uso in qualsiasi laboratorio. Dimostriamo la capacità di questo sistema di misurare più parametri del comportamento sociale in ceppi di roditori con colori di pelliccia distinti durante i test di preferenza sociale e di preferenza di novità sociale. Convalidiamo anche la capacità del sistema di rivelare dinamiche modificate del comportamento sociale nei roditori che seguono manipolazioni, come il taglio dei baffi.
Software TrackRodent: sono stati scritti tre algoritmi in MATLAB (2014a-2019a) per tracciare il soggetto sperimentale e le sue interazioni con gli stimoli. Tutti gli algoritmi sono stati depositati in GitHub, trovato all’indirizzo . L’obiettivo principale di tutti e quattro gli algoritmi è quello di monitorare i contorni del corpo del soggetto per rilevare qualsiasi contatto diretto con le aree di stimoli.
Algoritmo basato sul corpo: questo algoritmo ha tre versioni che tengono traccia dei contorni di un mouse scuro non cablato su uno sfondo bianco (BlackMouseBodyBased), un mouse bianco su uno sfondo scuro (WhiteMouseBodyBased) o un ratto bianco su uno sfondo scuro (WhiteRatBodyBased ). L’interfaccia utente grafica (GUI) del software richiede che lo sperimentatore scelga un esperimento utilizzando mouse o ratti e quindi seleziona il codice corretto. Per ogni versione dell’algoritmo, ci sono due codici opzionali: uno che presenta il processo di tracciamento sullo schermo mentre esegue l’analisi e uno che non lo fa (quindi, viene eseguito più velocemente e viene definito “veloce”). Ad esempio, i nomi dei codici rilevanti per l’algoritmo BlackMouseBodyBased sono: “BlackMouseBodyBased23_7_14” e “BlackMouseBodyBased23_7_14_Fast”. Tutti gli algoritmi che terminano con “veloce” non mostrano il rilevamento online e gli utenti devono salvare direttamente i dati nel file dei risultati (file .mat). Tutti gli algoritmi basati sul corpo richiedono l’impostazione di una singola soglia (“soglia bassa” nella GUI del software) per rilevare il corpo del soggetto.
Algoritmo basato sulla direzionalità della testa: il secondo algoritmo, disponibile solo per i topi neri, si basa sull’algoritmo basato sul corpo, oltre a determinare la direzionalità della testa. Questo algoritmo rileva le interazioni della testa del soggetto con le aree “stimoli”, evitando così falsi positivi che possono derivare da contatti casuali del soggetto’ con queste aree. Per questo algoritmo, vengono definite due soglie di rilevamento dei contorni del corpo del mouse: soglia alta, che include la coda più luminosa dei topi neri, e soglia bassa, che include il corpo senza coda. Successivamente, l’algoritmo adatta un ellissoide ai limiti rilevati utilizzando la soglia inferiore e definisce la posizione della testa e della coda del mouse (senza distinzione tra i due). La discriminazione finale tra la coda e la testa si basa sui confini definiti dalla soglia più alta.
Algoritmo animale cablato: il terzo algoritmo mira a ridurre al minimo gli artefatti derivanti da cavi (ad esempio, cavi elettrici o fibre ottiche) collegati all’animale, consentendo l’analisi del comportamento dell’animale mentre è collegato a un cavo. Questo algoritmo ha codici solo per topi neri e ratti bianchi. Il codice per i ratti richiede che lo sperimentatore definisca le soglie basse e alte, mentre il codice del mouse richiede solo una soglia bassa.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il sistema sperimentale qui descritto, che è stato progettato come alternativa all’apparato a tre camere2,5, consente di eseguire gli stessi test risolvendo alcuni dei suoi limiti. L’uso di camere triangolari, che si trovano in due angoli opposti dell’arena rettangolare, limita l’area di interazione soggetto-stimolo a un piano ben definito, consentendo così un’analisi automatizzata precisa del comportamento dell’indagine. Un vantaggio è l’uso del software di a…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto da The Human Frontier Science Program (HFSP grant RGP0019/2015), Israel Science Foundation (ISF grants #1350/12, 1361/17), dalla Fondazione Milgrom e dal Ministero della Scienza, Tecnologia e Spazio di Israele (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
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