Um sistema totalmente automatizado e altamente versátil para testes de várias funções cognitivas e registro das atividades neuronais em roedores
3 de maio de 2012
Neste relatório, nós apresentamos um sistema totalmente automatizado e altamente versátil, capaz de, simultaneamente, testar multi-cognitivas comportamentos e registro das atividades neuronais para roedores.
O objetivo geral deste procedimento é treinar uma ratazana a realizar uma sequência de tarefas por meio das quais múltiplas funções cerebrais podem ser investigadas. Isso é realizado primeiramente aclimatando as ratazanas à câmara comportamental. O segundo passo é treinar a ratazana a pressionar uma alavanca para obter pellets de alimento como recompensas.
Em seguida, os ratos são treinados para revelar uma alavanca escondida ao introduzir a cabeça no orifício de inserção nasal. O passo final consiste em treinar os ratos para reconhecer um estímulo sensorial e, então, pressionar a alavanca correta indicada pela fila. Em última análise, os ratos aprendem toda a sequência das tarefas destinadas a obter as recompensas.
Desenvolvemos um sistema totalmente automatizado para testes comportamentais e gravação de atividade neuronal. Usando este sistema, múltiplas funções cerebrais podem ser investigadas. O diferencial exclusivo deste sistema é uma câmara transparente ao som feita sob encomenda, ideal para o treinamento em tarefas auditivas.
Outra característica deste sistema é que diferentes dispositivos operantes podem ser adicionados facilmente, o que torna o sistema bastante versátil, permitindo a implementação de uma variedade de tarefas comportamentais auditivas, visuais e audiovisuais. O sistema é composto por três componentes principais: uma câmara insonorizada com paredes duplas, um sistema de gravação eletrofisiológica de múltiplos canais e um sistema totalmente automatizado de testes comportamentais. Uma câmara de ópera projetada sob medida está localizada dentro da câmara insonorizada.
A câmara é composta por três paredes acusticamente transparentes e um painel operacional modular para monitorar e registrar o comportamento. Uma câmera de vídeo é montada acima da câmara. Uma caixa de interface transmite sinais de ida e volta entre a câmara e um computador.
Estímulos auditivos são gerados por um gerador de áudio programável calibrado e são entregues por meio de três alto-falantes localizados no painel de operação para estímulos visuais, uma luz de estímulo e dois displays triplos de estímulo estão localizados nos painéis central e laterais. Um dispositivo de furo para o nariz com três luzes LED coloridas é montado na parte inferior do painel central. Um detector de infravermelho instalado dentro da unidade de furo para o nariz registra a introdução e a manutenção do nariz no orifício.
Dois eixos removíveis e retráteis de resposta do período dois são montados em cada lado da operação. Recompensas em painel são fornecidas por dois dispensadores de pelotas que soltam alimento nos receptáculos de pelotas. Quatro pares de feixes de infravermelho são colocados na parte inferior da câmara para indicar tanto a posição do animal quanto para controlar dispositivos com base na posição do animal.
Por fim, cabos de um estágio de cabeça são conectados a um comutador para registro da atividade neuronal. O protocolo experimental é totalmente automatizado por meio de programas criados na plataforma de software Med PC four. Os dados comportamentais são salvos e convertidos em arquivos do Microsoft Excel, que são então importados e analisados no matlab.
Antes do treinamento, limite a ingestão de alimento até que o peso do animal seja 90% do valor inicial. Para preparar a câmara para a aclimatação, recolha as alavancas, bloqueie o orifício de inserção do focinho com uma rolha de borracha e coloque cerca de 20 pellets de alimento em cada receptáculo de pellet. Coloque agora um animal ingênuo na câmara para aclimatação.
O rato logo começará a explorar os potes de comida e a comer os pellets. Quando ambos os potes estiverem vazios, use o software para dispensar um único pellet em cada bandeja. Ao fazer isso, o rato aprenderá a associar a comida ao pote.
Force a rata a se mover para ambos os lados da câmara dispensando pelotas aleatoriamente em cada copo de alimento. Uma sessão geralmente é suficiente para estabelecer a Associação com o Copo de Alimento. Em uma nova sessão, estenda ambas as alavancas para dentro da câmara e deixe o copo de alimento vazio. Em seguida, coloque uma rata aclimatada na câmara.
Quando o animal entrar na proximidade de uma alavanca, libere uma pelota. Forneça também recompensas quando o rato demonstrar interesse pela alavanca, como farejar, tocar ou subir nela. Um toque acidental na alavanca também deve acionar uma recompensa.
Para incentivar a pressão da alavanca e forçar a exploração de ambas as alavancas, permita que o animal pressione cada alavanca consecutivamente um número limitado de vezes; quando o limite for atingido, recolha a alavanca. Estenda ambas as alavancas para repetir o procedimento. Diminua gradualmente o limite até que a alavanca seja recolhida toda vez que for pressionada.
Uma a duas sessões geralmente são suficientes para estabelecer a associação entre pressionar a alavanca e a recompensa alimentar. Em uma nova sessão, recolha as alavancas.
Remova a rolha de borracha do orifício de inserção do focinho e coloque várias pelotas de alimento no dispositivo de inserção do focinho. Reintroduza o animal na câmara e estenda aleatoriamente uma das duas alavancas.
Quando o rato fareja o orifício de inserção do nariz em busca de comprimidos de alimento, ao ver a alavanca estendida, o rato se aproximará e empurrará a alavanca para obter um comprimido. Após a alavanca ser pressionada e a recompensa ser dispensada, recolha a alavanca para incentivar o rato a explorar o dispositivo de inserção do nariz. Normalmente, leva uma sessão de 30 minutos para que um rato aprenda a sequência da tarefa: nariz, inserção, alavanca, empurrar para obter recompensas.
Em outra sessão nova, coloque o animal na câmara para iniciar o treinamento Q. Após o animal realizar um evento de enfiar o nariz, reproduza um estímulo auditivo distinto. Estenda as alavancas direita e esquerda.
Após cada apresentação de estímulo auditivo, recompense a rata apenas quando ela pressionar a alavanca indicada pelo estímulo auditivo; o animal aprenderá gradualmente a associar um estímulo auditivo específico a uma alavanca. O animal agora deverá ser capaz de realizar a sequência completa pretendida de treinamento: focinho na abertura, estímulo, pressão da alavanca, recompensa ou ausência de recompensa.
Permita que a rata pratique a tarefa recém-aprendida até atingir um nível consistente de desempenho. A sessão é limitada a 30 minutos. Este sistema pode ser usado para realizar a tarefa de discriminação de frequência com escolha alternativa dupla, que examina o limiar de discriminação de frequência de uma rata.
Após treinar as ratas a pressionar rapidamente a alavanca correta indicada por uma pista auditiva, obtém-se uma curva de aprendizado auditivo. Cada linha colorida representa as variações da frequência de discriminação de um animal individual. A linha escura representa a curva média de aprendizado.
Em média, foram necessárias cerca de sete sessões de treinamento para atingir a taxa de acerto de 75%. O comportamento animal nesta tarefa também pode ser caracterizado quantitativamente por diversas medidas, incluindo o tempo de reação em relação ao início da fila auditiva, o intervalo entre tentativas e a dinâmica temporal do desempenho. Múltiplas funções cerebrais cognitivas também podem ser investigadas utilizando este sistema.
As legendas superiores descrevem cada ação em sequência de um ensaio. As legendas inferiores indicam as funções comportamentais cognitivas que podem ser estudadas quando combinadas com eletrofisiologia. A gravação da base neural das funções comportamentais cognitivas também pode ser estudada.
Este gráfico mostra um neurônio registrado no espaço nuclear ssus de uma rata realizando a tarefa de discriminação de tom com duas opções alternativas. Embora este gráfico mostre um neurônio registrado na área segmentar ventral, ao tentar este procedimento é importante prestar muita atenção às diferenças entre ratos e suas características comportamentais e capacidade cognitiva; os procedimentos e parâmetros de treinamento devem ser individualizados para obter os melhores resultados. Embora tenhamos desenvolvido este sistema principalmente para estudar o sistema auditivo, ele pode ser facilmente adaptado por outras pesquisas para estudar o sistema visual e múltiplas funções cerebrais cognitivas, como motivação, atenção, pacientes e recompensas.
Visão Geral
Este relatório apresenta um sistema totalmente automatizado projetado para testar comportamentos multicoGNITIVOS e registrar atividades neuronais em roedores. O sistema permite a investigação de várias funções cerebrais por meio de uma série de tarefas treinadas.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Neurociência
- Testes Comportamentais
- Eletrfisiologia
Antecedentes
- O sistema é adaptado para treinamento em tarefas auditivas em um ambiente insonorizado.
- Incorpora diversos dispositivos operantes para tarefas comportamentais versáteis.
- A atividade neuronal é registrada enquanto os sujeitos realizam tarefas cognitivas.
- A montagem inclui uma câmara projetada sob medida com múltiplas pistas sensoriais.
Objetivo do Estudo
- Treinar ratos em uma sequência de tarefas para explorar múltiplas funções cerebrais.
- Desenvolver um sistema que integre testes comportamentais com gravação neuronal.
- Facilitar o estudo do processamento auditivo e visual em roedores.
Métodos Utilizados
- Adaptação de ratos a uma câmara comportamental.
- Treinamento de ratos para realizar tarefas em troca de recompensas alimentares.
- Uso de estímulos auditivos e visuais para orientar o comportamento.
- Coleta e análise automatizadas de dados utilizando software especializado.
Resultados Principais
- Os ratos aprenderam com sucesso a associar estímulos a ações específicas.
- O sistema demonstrou versatilidade no teste de diversas tarefas cognitivas.
- A atividade neuronal foi registrada com eficácia durante as tarefas comportamentais.
- A análise dos dados revelou insights sobre as curvas de aprendizado dos indivíduos.
Conclusões
- O sistema automatizado é eficaz para estudar comportamentos cognitivos em roedores.
- Permite a gravação simultânea da atividade neuronal e do comportamento.
- Essa abordagem pode aprimorar a compreensão da função cerebral relacionada à aprendizagem e à memória.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
Este sistema automatizado de testes comportamentais permite a investigação de alto rendimento de múltiplas funções cognitivas em modelos de roedores, apoiando a validação precoce de alvos e a redução de riscos mecanicistas na descoberta de fármacos em neurociência. Ao integrar controle comportamental preciso com o registro de atividade neuronal, ele fornece dados quantitativos e reprodutíveis que aumentam a confiança preditiva na triagem de compostos líderes e na análise de vias. A versatilidade e a automação do sistema reduzem a variabilidade e melhoram a continuidade translacional da descoberta à avaliação pré-clínica.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biofármacos
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Valor Científico: Permite a investigação de hipóteses terapêuticas por meio da medição da motivação, atenção, tomada de decisão e processamento de recompensa em uma única sequência de tarefas.
- Valor Operacional: Apoia a validação de alvos funcionais por meio de leituras comportamentais automatizadas e padronizadas que reduzem a variabilidade experimental.
- Valor Científico: Facilita a desmistificação mecanicista ao associar o desempenho cognitivo à atividade neuronal em regiões cerebrais definidas.
Desenvolvimento de Triagem e Ensaios
- Valor Científico: Gera variáveis dependentes quantitativas, como tempo de reação, taxa de acertos e intervalo entre tentativas, para aplicações de curva dose-resposta e triagem de compostos.
- Valor Operacional: Garante prontidão e reprodutibilidade do ensaio por meio do cronometragem automatizada de eventos (resolução de 10 ms) e carimbos de tempo precisos para eventos comportamentais.
- Valor Científico: Permite a preparação de sistemas biológicos validados para fluxos de trabalho posteriores, estabelecendo desempenho confiável em tarefas cognitivas.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Valor Científico: Apoia a modelagem de sistemas relevantes para doenças ao permitir a investigação de domínios cognitivos afetados em transtornos neuropsiquiátricos e neurodegenerativos.
- Valor Operacional: Promove a continuidade translacional ao possibilitar testes comportamentais consistentes desde a fase de descoberta até a validação pré-clínica.
- Valor Científico: Auxilia decisões de avanço ajustadas ao risco ao fornecer biomarcadores mensuráveis da função cognitiva associados à atividade neural.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
O sistema se insere no continuum de descoberta, desde a verificação de hipóteses e identificação de alvos até a otimização de compostos líderes e avaliação da eficácia pré-clínica, especialmente para terapêuticas direcionadas ao SNC.
- Biologia da Descoberta: Permite testar hipóteses sobre vias cognitivas e reduzir riscos biológicos por meio de sequenciamento comportamental automatizado e quantificável.
- Triagem: Oferece prontidão para ensaios e alta reprodutibilidade por meio de entrega programável de estímulos e métricas objetivas de desempenho.
- Análises: Fornece resultados baseados no tempo e no desempenho (por exemplo, tempo de reação, precisão) que apoiam a análise comparativa entre condições experimentais.
- Pesquisa Translacional: Conecta as respostas comportamentais a registros neuronais, apoiando o alinhamento de biomarcadores e a continuidade pré-clínica.
- Reutilização Corporativa: Projetado como uma plataforma modular e reconfigurável para uso repetido em múltiplos ensaios cognitivos e campanhas de triagem de compostos.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Aumenta a confiança preditiva ao reduzir a ambiguidade mecanicista na avaliação da função cognitiva.
- Valor Operacional: Aprimora a padronização, reprodutibilidade e escalabilidade por meio da automação completa e protocolos controlados por software.
- Valor Estratégico: Melhora a qualidade das decisões de prosseguir/interromper e a eficiência do capital ao permitir a detecção precoce de prejuízos cognitivos.
- Impacto no Portfólio: Apoia a priorização ajustada ao risco ao gerar desfechos cognitivos translatáveis associados a mecanismos neurais.
Considerações sobre a Implementação
- Requer experiência em neurociência comportamental, eletrofisiologia e fluxos de trabalho automatizados de análise de dados.
- Depende de instrumentação especializada, incluindo câmaras insonorizadas, sistemas de gravação multicanal e hardware programável para entrega de estímulos.
- Necessita padronização entre equipes dos protocolos de treinamento, parâmetros dos estímulos e critérios de interpretação dos dados.
- Envolve considerações de adaptação ao estender o sistema para tarefas comportamentais visuais, olfativas ou multimodais.
- Limitado pela necessidade de procedimentos de treinamento individualizados com base no comportamento e na capacidade cognitiva do animal, conforme observado na fonte.
