Koku öğrenme ve ayrımcılık farelerde bir objektif ve tekrarlanabilir testi
March 22nd, 2018
Burada, fareler üzerinde koku ayrımcılık test etmek için bir ilişkisel öğrenme görev eğitim. Bu iletişim kuralı öğrenme kaynaklı beyin yapısal değişimler üzerine çalışmalar için de sağlar.
Bu davranış protokolünün genel amacı, fareleri eğitmektir, böylece bir kokuyu bir ödülle ve başka bir kokuyu bir cezayla ilişkilendirirler. Bu yöntem, öğrenme, sinaptik plastisite ve duyusal ayrımcılık gibi sinirbilim alanındaki temel soruların yanıtlanmasına yardımcı olabilir. Bu tekniğin ana avantajı, bir kez eğitildikten sonra, farelerin sağlam istatistiksel örnekleme için saatler içinde yüzlerce deneme yapmasıdır.
Bu tekniğin etkileri, nörodejeneratif hastalıkların tedavisine veya teşhisine kadar uzanır, çünkü koku alma disfonksiyonunun şiddeti, insanlarda sonraki bilişsel gerilemenin öngörüsüdür. Bu yöntem koku alma hakkında fikir verebilse de, görme veya işitme gibi diğer sistemlere de uygulanabilir. Bu yöntemin görsel gösterimi kritik öneme sahiptir, çünkü hem davranış odasını kurmak hem de yazılımı kullanmak için ilk adımların öğrenilmesi zordur, çünkü farklı bağlantı portları ve eğitim adımları nedeniyle.
Başlamak için, oda zemini olan bir fare odası monte edin. Dikkatinizin dağılmasını önlemek için egzersiz kutusunu trafiğin az olduğu, loş ışıklı bir alanda tutun. Ardından, 18 gauge bir iğnenin portun içine su dağıtmasına izin vermek için her bir su portunu üstte küçük bir delik ile delin.
Bir cam şişeyi mineral yağda çözünmüş koku maddesi ile doldurun ve kapağı iyice sıkın. Ardından, silikon boruya 18 gauge bir iğne bağlayın. Cam şişe kapağını delin ve silikon borunun diğer ucunu koku portlarının girişine bağlayın.
Bundan sonra, her bir silikon tüpü bir koku valfine yerleştirin. Vakum hattını koku portlarına bağlayın. İki adet 10 mililitrelik şırıngayı metal bir tutma çubuğuna takın ve boruyu şırıngalara bağlayın.
Ardından, borunun diğer tarafını 18 gauge bir iğneye bağlayın. İğneyi fare haznesindeki burun dürtme portunun delinmiş deliğine yerleştirin ve borunun diğer ucunu su vanasına bağlayın. İki adet 10 mililitrelik şırıngayı kemirgen içme suyu ile doldurun.
Ardından hava girişine bir hava akış ölçer bağlayın ve hava akışını dakikada üç ila beş litre arasında tutun. İki su vanasını, iki koku vanasını, iki su portunu, koku portunu ve gücü USB arabirim sistemine bağlayın. Ve son olarak, USB arabirim kutusunu güce bağlayın.
Ardından, denemeler arasında kokuların çapraz kontaminasyonunu önlemek için vakum emişini ayarlayın ve koku şişelerini hazneye bağlamak için kokuya özel borular kullanın. Fareleri eğitime hazırlamak için günde kilogram başına 40 mililitre su kısıtlamasına başlayın. Temel ağırlığın %80'inin üzerinde olduklarından emin olmak için fareleri günlük olarak tartın ve sıcaklık, gürültü ve başıboş kokular dahil olmak üzere tüm çevresel faktörleri protokol boyunca sabit tutun.
Her fare ona aktarılmadan önce kafesi temizleyin. Fare kokusunun dikkat dağıtıcı olmasını en aza indirmek için hazneye %70 etanol püskürtün ve silin. Birinci aşama eğitimi için, davranış kutusunu ortada bir su bağlantı noktası olacak ve tüm yan bağlantı noktalarına erişilemeyecek şekilde yapılandırın.
Hazneye bir fare yerleştirin ve kapatın. Ardından, birinci aşama programına başlayın. Fare 60 dakika içinde 100 deneme gerçekleştirdiğinde bu aşamayı tamamlanmış olarak kabul edin.
60 dakika sonra veya 100 deneme tamamlandıktan sonra fareyi hazneden çıkarın. İkinci aşama eğitimi için, bunu ve sonraki her aşamayı, yanlarda iki su portu ve ortada koku portu ile yapılandırın. Hazneye bir fare yerleştirin ve kapatın.
Ardından, ikinci aşama programına başlayın. 60 dakika içinde en az 40 deneme gerçekleştirildiğinde ve su ödüllerinin en az %25'i merkez port burnunun dürtmesinden sonraki beş saniye içinde alındığında bu aşamayı tamamlanmış olarak kabul edin. Bu aşama tamamlandıktan sonra fareyi çıkarın.
Üçüncü aşama eğitimi için S-plus kokusunu koku dağıtım kontrolörüne bağlayın. Hazneye bir fare yerleştirin ve kapatın. Daha sonra, üçüncü aşama programına başlayın.
60 dakika içinde 60'tan fazla ödül olduğunda bu aşamayı tamamlanmış olarak kabul edin ve aşama yarıştıktan sonra fareyi çıkarın. Dördüncü aşama-A eğitimi için, kutu yapılandırmasını önceki üçüncü aşama ile aynı şekilde ayarlayın. Ardından, hem S-plus hem de S-minus kokuyu koku dağıtım kontrolörüne bağlayın.
Hazneye bir fare yerleştirin ve kapatın. Ardından, dördüncü aşama A programına başlayın. Fare 40 denemeyi tamamladıktan sonra, kokuları rastgele iletmek için programı değiştirin.
Sahne alanı tamamlandıktan sonra fareyi çıkarın. Dördüncü aşama-B eğitimi için, bu aşamayı dördüncü aşama-A ile aynı hale getirin. Bununla birlikte, S-eksi bir kokudan sonra bir su ödülü denemenin zaman aşımı cezası dört saniyedir.
Hem S-plus hem de S-minus kokuyu koku dağıtım kontrolörüne bağlayın. Hazneye bir fare yerleştirin. Fare bölmesini kapatın ve dördüncü aşama B programına başlayın.
60 dakika içinde 100'den fazla deneme olduğunda ve doğruluğu %85'ten fazla olduğunda bu aşamanın tamamlandığını düşünün. Hem S-plus hem de S-minus kokuyu koku dağıtım kontrolörüne bağlayın. Ardından, odaya bir fare yerleştirin.
Sahneye çık/gitme programına başlayın ve ardından koku alma öğrenme görevini öğrenen fareyi kimyasal olarak benzer yeni koku çiftlerine maruz bırakın. Fareler koku alma öğrenme görevini öğrendikten sonra, yeni koku çiftlerini ödül ve ceza ile ilişkilendirebilirler. Bu eğitimli fareler normalde git/gitme görevinde yaklaşık% 50 doğrulukla başlar.
Doğru yüzde, yeni koku çiftleri için bir öğrenme eğrisi olarak deneme bloğu ile çizilebilir. 10 blok denemesinde, fareler kokuları %85'ten daha yüksek bir doğrulukla doğru bir şekilde ayırt edebilir. Bu, protokolümüzün vahşi tip fareleri bir kokuyu bir su ödülü ve diğerini bir zaman aşımı cezası ile ilişkilendirmek için başarıyla eğittiğini göstermektedir.
Fareler görevi öğrendikten sonra, görev zorluğunu artırmak veya azaltmak için koku çiftleri değiştirilebilir. Örneğin, koku çifti konsantrasyonunu azaltmak görev zorluğunu artırır. Fareler ayrıca önceki öğrenilen koku çiftlerini de hatırlayabilirler.
Görevi öğrendikten sonra yedi gün bekledikten sonra, bir hatırlama testi, vahşi tip farelerin daha önce öğrenilen koku ilişkilerini hızlı bir şekilde hatırlayabildiğini gösteriyor. Bu prosedürü denerken, istenen koku vericilerin davranış kutusuna düzgün bir şekilde bağlandığından emin olmayı unutmamak önemlidir. Birden fazla deneycinin farklı kokular kullanması özellikle önemlidir.
Bu prosedürü takiben, aşağıdaki gibi ek soruları yanıtlamak için koku haritalama gibi diğer yöntemler de gerçekleştirilebilir: Öğrenme, duyusal bilginin beyin tarafından temsil edilme şeklini nasıl etkiler? Geliştirildikten sonra bu teknik, sinirbilim alanındaki araştırmacıların fare koku alma sistemindeki öğrenme kaynaklı sinirsel değişiklikleri keşfetmelerinin yolunu açtı. Bu videoyu izledikten sonra, farelere bir kokuyu bir ödülle ve başka bir kokuyu bir cezayla ilişkilendirmeyi nasıl öğreteceğinizi iyi anlamış olmalısınız.
Keskin iğnelerle çalışmanın son derece tehlikeli olabileceğini ve bu işlemi gerçekleştirirken kesici aletlerin uygun şekilde atılması gibi önlemlerin her zaman alınması gerektiğini unutmayın.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Genel Bakış
Bu çalışma, farelerde bir ilişkilendirme öğrenme görevi kullanarak koku ayrımını araştırmakta olup, beyindeki öğrenme kaynaklı yapısal değişikliklere odaklanmaktadır. Teknik, duyusal ayrım ve sinaptik plastisite gibi önemli sinirbilim sorularını incelemektedir.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Sinirbilim
- Kokunun Algılanması
- Davranışsal öğrenme
Arka Plan
- İlişkilendirme öğrenme protokolleri, bilişsel işlevlerin incelenmesinde çok önemlidir.
- Koku ayrımı, memeli duyu işlemesinde önemli bir rol oynar.
- Fare koku davranışının anlaşılması, insan bilişsel düşüşü ile ilişkilendirilebilir.
- Bu yöntem, görme ve işitme gibi diğer duyu sistemleri için de uyarlanabilir.
Çalışmanın Amacı
- Farelerin kokuları ödüller ve cezalarla ilişkilendirmesini öğretmek.
- Kokunun işlenmesini ve bunun nörodejeneratif hastalıklar için olan etkilerini keşfetmek.
- Öğrenmenin istatistiksel analizi için sağlam bir davranışsal değerlendirme geliştirmek.
Kullanılan Yöntemler
- Fareler, özel olarak yapılandırılmış bir davranış odasında eğitilir.
- Eğitim, koku ayrımındaki doğruluğu değerlendiren çeşitli aşamaları içerir.
- Multiomics iş akışlarından bahsedilmemiştir.
- Kritik aşamalar arasında motivasyonu yönetmek ve aşama tamamlama kriterlerini belirlemek için su kısıtlaması yer alır.
- Prosedürler, koku teslim sistemlerinin ve koşullandırma protokollerinin titiz kurulumunu içerir.
Ana Sonuçlar
- Fareler, farklı kokuları ödüller veya cezalarla başarılı bir şekilde ilişkilendirmeyi öğrenir.
- Eğitim, tekrarlanan denemelerle yüksek istatistiksel örnekleme olanakları sağlar.
- Eğitim sonrasında koku ayrımındaki doğruluk %85'e yaklaşır.
- Sonuçlar, bu protokol aracılığıyla koku öğreniminin etkili bir şekilde değerlendirileceğini düşündürür.
Sonuçlar
- Protokol, koku algısında ilişkilendirme öğrenmesini incelemek için güvenilir bir yöntem sunar.
- Bu yaklaşım, nörodejeneratif hastalıklar için tedavi stratejileri hakkında fikirler sunabilir.
- Bulgular, memelilerde duyusal ayrım mekanizmalarının anlaşılmasına katkıda bulunur.
Sıkça Sorulan Sorular
Executive Industry Relevance
This protocol enables high-throughput, quantitative assessment of olfactory learning and discrimination in mice, providing a robust behavioral readout for target validation in neuroscience drug discovery. By supporting mechanistic de-risking of olfactory circuit function and plasticity, it informs early-stage hypothesis testing for compounds targeting neurodegenerative or sensory processing disorders. The assay’s reproducibility and scalability facilitate cross-functional alignment between discovery biology and translational research teams.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses related to olfactory learning, synaptic plasticity, and sensory discrimination mechanisms.
- Operational Value: Supports biological de-risking by quantifying odor association learning and memory retention in a controlled, reproducible system.
- Predictive Value: Generates quantitative behavioral data (e.g., accuracy rates, learning curves) that aid in portfolio triage and go/no-go decisions for CNS-targeted compounds.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Produces validated biological systems (trained mice) capable of hundreds of automated trials daily, enabling reliable compound evaluation.
- Standardization: Ensures reproducibility through strict environmental controls, water restriction protocols, and stage-based training criteria.
- Scalability: Facilitates high statistical sampling and longitudinal studies, supporting assay adaptation for dose-response or time-course screening.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Aligns with human olfactory dysfunction as a predictive biomarker of cognitive decline, supporting translational continuity from mouse models to clinical risk assessment.
- Mechanistic De-risking: Enables study of activity-dependent neuronal survival and plasticity, linking behavior to downstream biochemical, electrophysiological, or imaging readouts.
- Risk-Adjusted Advancement: Supports decisions on compound effects on learning-induced neural changes, reducing late-stage biological risk in sensory or neurodegenerative programs.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum from early target validation through preclinical validation, particularly for projects focused on olfactory processing, sensory discrimination, or neurodegenerative disease mechanisms.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by measuring how odor learning alters neural structure and function.
- Screening: Delivers quantitative, reproducible outputs (trial accuracy, learning curves) that enable comparison across experimental conditions or genetic models.
- Analytics: Provides statistical learning curves and discrimination thresholds that help teams assess compound effects on sensory processing and memory.
- Translational Research: Connects to preclinical validation through alignment with human olfactory biomarkers predictive of cognitive decline.
- Enterprise Reuse: Functions as a reusable behavioral platform for iterative testing across multiple compounds, genotypes, or environmental manipulations.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation by reducing mechanistic ambiguity in olfactory learning and plasticity pathways.
- Operational Value: Delivers standardization, reproducibility, and scalability through automated trial performance and strict procedural controls.
- Strategic Value: Improves capital efficiency by enabling early de-risking of CNS targets and reducing failure risk in later stages.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of compounds based on effects on learning, memory, and sensory discrimination.
Implementation Considerations
- Requires expertise in behavioral neuroscience, olfactory system anatomy, and operant conditioning techniques.
- Depends on specialized instrumentation including odor delivery systems, water valves, vacuum lines, and USB interface controllers.
- Necessitates cross-team standardization of environmental controls (odor, noise, temperature) and training protocols to ensure reproducibility.
- Involves adaptation considerations when transferring protocols across mouse strains, ages, or odorant physicochemical properties.
- Includes practical limitations such as setup complexity, needle hazards, and the need for consistent animal handling to avoid distraction or stress confounds.
