小げっ歯類における社会的嗜好行動のダイナミクスを追跡するシステム
Summary
ここで説明する新しい自動実験システムは、3チャンバーテストの代替を提供し、また、いくつかの注意事項を解決します。このシステムは、社会的嗜好および社会的新規性嗜好試験中に小さなげっ歯類の行動ダイナミクスの厳密な分析を可能にする複数の行動パラメータを提供する。
Abstract
社会的行動の神経生物学的メカニズムを探索するには、公平で観察者に依存しない方法で動物モデルに適用できる行動テストが必要です。ミレニアムの初め以来、3室のテストは、小さなげっ歯類の社会性(社会的嗜好)と社会的新規性の好みを評価するための標準的なパラダイムとして広く使用されてきました。しかし、このテストは、空間ナビゲーションへの依存や行動ダイナミクスの過失など、複数の制限に苦しんでいます。ここで提示され、検証されたは、3つのチャンバーテストの代替を提供し、同時にその注意事項の一部を解決する新しい実験システムです。このシステムは、シンプルで手頃な価格の実験装置と、一般に公開されているオープンソース分析システムを必要とし、個々および人口レベルで複数の行動パラメータを自動的に測定および分析します。これは、任意の社会的差別テスト中に小さなげっ歯類の行動ダイナミクスの詳細な分析を可能にします。成人男性マウスやラットが行う社会的嗜好や社会的新規性嗜好試験における社会的行動のダイナミクスを分析するシステムの効率性を実証する。さらに、ウィスカートリミングなどの操作に続くげっ歯類の社会的行動の修正されたダイナミクスを明らかにするシステムの能力を検証します。したがって、システムは小さいげっ歯類モデルの社会的行動およびダイナミクスの厳密な調査を可能にし、株、条件および処置間のより正確な比較をサポートする。
Introduction
神経発達障害(NDD)の基礎となる生物学的メカニズムを明らかにすることは、神経科学1の分野における主要な課題の一つである。この課題に取り組むには、げっ歯類の行動を標準的かつ公平に表現する行動パラダイムと実験システムが必要です。Moyと同僚2によって10年以上前に発表された影響力のある研究は、3つのチャンバーテストを提示しました。それ以来、このテストはNDDのげっ歯類モデルにおける社会的行動を調査するために広く使用されている。このテストは、げっ歯類の2つの先天的傾向を評価する:1)物体に対する社会的刺激の近接にとどまる(社交性、社会的嗜好[SP]とも呼ばれる)、および2)身近な1つよりも新しい社会的刺激の近接性を好む(社会的新規性好み[SNP])3、4。いくつかの後続の研究は、コンピュータ化された方法5、6を使用して3チャンバー試験の自動分析の方法を示唆した。
このテストはまだいくつかの注意事項に苦しんでいます。第一に、主に社会的刺激と直接相互作用する被験者の動機ではなく、社会的な場所の好みを調べるが、一部のグループは、手動で7、または商用コンピュータ化されたシステム8、9、10を使用して嗅覚調査(スニッフィング)時間を測定する。第二に、3チャンバーテストは、主に各チャンバー内の被験者が費やした合計時間を測定するために使用され、それは行動ダイナミクスを無視します。最後に、それは社会的行動の1つの側面にのみ依存し、これは各チャンバ内の被験者が費やした時間(または測定された場合はスニッフィング時間)である。
ここでは、3室装置に代わる新しい手頃な価格の実験システムを紹介します。また、上記の注意事項を解決しながら、同じ動作テストのパフォーマンスを可能にします。提示された行動システムは、2つの刺激に向かってげっ歯類の調査行動を自動的かつ直接測定する。さらに、観察者に依存しない方法で行動ダイナミクスを分析します。さらに、このシステムは、複数の行動パラメータを測定し、個々のレベルと母集団レベルの両方でこれらを分析します。したがって、各テスト中の社会的行動とそのダイナミクスの厳密な分析をサポートします。さらに、様々なテスト段階の間にアリーナの反対側のコーナーのチャンバーのランダムな再配置は、空間メモリまたは好みの任意の効果を中和する。このシステムは、性差別などの他の差別テストにも使用できます。カスタム装置は簡単に製造でき、分析システムはオープンソースコードとして一般にアクセス可能であり、あらゆる実験室での使用を可能にします。我々は、社会的嗜好および社会的新規性嗜好試験の間に明確な毛皮の色を有するげっ歯類株における社会的行動の複数のパラメータを測定するこのシステムの能力を実証する。また、ウィスカートリミングなどの操作に続くげっ歯類の社会的行動の修正されたダイナミクスを明らかにするシステムの能力を検証します。
TrackRodentソフトウェア:3つのアルゴリズムは、実験対象とその刺激との相互作用を追跡するためにMATLAB(2014a-2019a)で書かれました。すべてのアルゴリズムは GitHub に寄託されました。すべての4つのアルゴリズムの主な目的は、刺激領域との直接接触を検出するために被験者の体の輪郭を追跡することです。
ボディベースのアルゴリズム:このアルゴリズムには、白い背景上のワイヤードされていない暗いマウスの輪郭を追跡する3つのバージョン(BlackMouseBodyBased)、暗い背景に白いマウス(WhiteMouseBodyBased)、または暗い背景の白いネズミ(WhiteRatBodyBased)があります。).ソフトウェアのグラフィカル ユーザー インターフェイス (GUI) では、実験者がマウスまたはラットを使用して実験を選択し、正しいコードを選択する必要があります。アルゴリズムのバージョンごとに、分析の実行中に追跡プロセスを画面に表示するコードと、実行しないコード (高速実行され、「高速」と呼ばれます) の 2 つのオプション コードがあります。たとえば、BlackMouseBodyBased アルゴリズムに関連するコードの名前は、”BlackMouseBodyBased23_7_14″ と “BlackMouseBodyBased23_7_14_Fast” です。”fast” で終わるすべてのアルゴリズムはトラッキングをオンラインで表示せず、ユーザーはデータを結果ファイル (.mat ファイル) に直接保存する必要があります。すべての本文ベースのアルゴリズムでは、サブジェクトの本文を検出するために、単一のしきい値 (ソフトウェアの GUI の 「低しきい値」) を設定する必要があります。
頭方向ベースのアルゴリズム: 黒いマウスでのみ使用できる 2 番目のアルゴリズムは、頭部の方向性を決定することに加えて、ボディベースのアルゴリズムに基づいています。このアルゴリズムは、被験者の頭部と「刺激」領域との相互作用を検出し、被験者のランダムな接触から生じる誤検知を回避します。このアルゴリズムでは、マウス本体の輪郭の 2 つの検出しきい値が定義されます: 黒いマウスの明るい尾を含む高しきい値と、尾のない体を含む低しきい値。その後、アルゴリズムは、下限しきい値を使用して検出された境界に楕円体を適合させ、マウスの頭と尾の位置を定義します(2つの区別はありません)。尾と頭の間の最終的な判別は、より高いしきい値によって定義された境界に基づいています。
有線動物アルゴリズム:第3のアルゴリズムは、動物に接続されたケーブル(すなわち、電線または光ファイバ)から生じるアーティファクトを最小限に抑えることを目的とし、ケーブルに接続されている間の動物の行動の分析を可能にする。このアルゴリズムには、黒いマウスと白いラットのコードのみが含まれています。ラットのコードでは、実験者は低しきい値と高しきい値の両方を定義する必要がありますが、マウス コードでは低いしきい値のみを定義する必要があります。
Protocol
Representative Results
Discussion
ここで説明する実験システムは、3チャンバ装置2、5の代替として設計されたが、その制限の一部を解決しながら、同じ試験の性能を可能にする。長方形アリーナの2つの反対側のコーナーに位置する三角形のチャンバーの使用は、被験者刺激相互作用領域を適切に定義された平面に制限し、調査行動の正確な自動分析を可能にします。1つの利点は、…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、ヒューマンフロンティア科学プログラム(HFSP助成金RGP0019/2015)、イスラエル科学財団(ISF助成金#1350/12、1361/17)、ミルグロム財団、イスラエル科学技術宇宙省(grant #3-12068)によって支援されました。
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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