首页  >  热点  >  新闻特写  >  文章正文
shRNA表达克隆

智能迷宫助力行为学研究

Mar 13, 2018 No Comments

智能迷宫助力行为学研究

自动化的“智能迷宫”解放了行为学研究者,让他们不用再进行繁琐的小鼠迷宫实验。同时,智能迷宫还提高了数据质量和可重复性。

在读研究生时,行为神经科学家Mark Brandon经常耗费数小时展开小鼠T迷宫实验。在该迷宫中,小鼠沿着一条线路行走,然后在路口处选择左拐或右拐。该实验非常有用,但也极度无聊。所以,当他拿到加拿大麦吉尔大学(McGill University)的教职时,Brandon想要开发一项新技术,以摆脱这项乏味的实验。

他从马萨诸塞州一家初创公司MazeEngineers处购买了一个自动化的T迷宫。该系统除了一个简单的迷宫之外,还有一扇门,啮齿动物经过时,这扇门会从底部升起来,防止动物倒退。同时,该迷宫还自带视频监控,以记录动物的行为。一旦啮齿动物完成一项任务,迷宫就会将动物引导回起点。Brandon等人希望通过分析在这些测试中动物的哪些神经回路是活跃的,来揭示大脑如何将记忆与时间联系起来。Brandon表示,自动化的T迷宫非常有用。

今天,这样的自动化系统已经变得越来越普遍和复杂。美国国家糖尿病和消化和肾病研究所(US National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases)的神经科学家Alexxai Kravitz指出,很多先进的技术,如触摸屏和微控制器都开始进入行为研究实验室了。但是尽管这种迷宫实现了自动化,但仍然需要人工来确保这些工具正常运行。

研究人员利用迷宫测试动物的精神特征,如记忆力和注意力。在二十世纪的大部分时间里,科学家们利用迷宫实验,让啮齿动物沿着精细的路径,探索精神极限。 MazeEngineers创始人Shuhan He表示,现在的设置相当简单,这使得结果更易于被纳入统计分析。对他来说,迷宫就是关于决策和结果——测试认知的关键方面。但是,由于研究人员越来越希望在每个实验中增加实验动物的数量,并尽可能多地收集行为数据,自动化已是大势所趋。

在20世纪90年代,科学家们首次使用视频跟踪来监测啮齿动物的行为,这包括从用计算机识别动物重心,到识别简单的行为,例如啮齿动物寻找或避免特定的刺激。现在,只需追踪头部和身体的其它部位,软件就可以识别出微小的行为,如嗅探、整理皮毛和排尿。后来追踪果蝇和斑马鱼等动物的行为的仪器也相继问世。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(University of Illinois in Urbana–Champaign)的行为神经科学家Justin Rhodes支持,现在你可以开始一个程序,在迷宫中自动追踪动物,并在动物完成任务后立即获得数据,并进行分析。Rhodes的研究方向是探讨运动对大脑的影响。

自动化模式还有望通过减少人类在实验中的作用,来提高实验结果的准确性和客观性。它可提供标准化的设备和任务,以便研究人员直接比较他们的结果。

MazeEngineers的小鼠自动化T迷宫售价是4900美元起。事实上,提供自带视频的迷宫及相关软件的公司日益增多,比如弗吉尼亚州的Clever Sys、荷兰的Noldus等公司。Rhodes最青睐Clever Sys的HomeCageScan系统(四个迷宫大约5.5万美元),因为该系统能够追踪多个动物。对此,他表示这很重要,毕竟有时候几只小鼠会团在一起。俄亥俄州辛辛那提大学(University of Cincinnati in Ohio)的行为神经科学家Evelin Cotella则更喜欢Noldus的EthoVision软件(软件版费为5850美元),因为它对用户更友好。

但这并不意味着智能迷宫系统效果很好。Rhodes指出,科学家通常不得不调整包括照明和视觉对比在内的各种参数,以使视频跟踪软件发挥作用。而且,在使用前,他们还要测定系统在识别行为方面的准确程度。Cotella表示,尽管系统确实不完美,但让人来做这些事情,也不是完美的,与人相比,起码软件前后是一致的。

Cotella的团队不得不比较系统与研究人员在识别动物行为上的准确度。同时,团队还必须优化参数,例如确认每个视频中有多少个像素点是静止的,才算是小鼠“停止活动”。Cotella指出,他们花了6个月来调试,才对系统的输出结果放心。他们购买这个系统有一年了,并打算在下个月开始发表研究报告。智能迷宫确实加快了Cotella等人的实验进度。

德国TSE Systems公司的IntelliCage使用皮下射频识别(radio-frequency identification,RFID)标签追踪动物运动。据TSE科学家Daniela Oettler解释,相比于视频识别,RFID不受光线影响,甚至可在完全黑暗中运行。

IntelliCage适用于各种传统的实验室笼子。它的四个角落都有一些传统迷宫会出现的测试——例如,一个角落可能有难闻的气味,而其它角落则没有。用户可以对各个角落进行分别设置,让其只对特定动物作出反应,以便让不同的啮齿动物进行不同的测试。

IntelliCage系统售价为6万美元,可容纳16只小鼠。瑞士苏黎世大学(University of Zurich)的行为神经科学家David Wolfer指出,能容纳多只小鼠是IntelliCage的一个优点,因为小鼠是社会动物。将小鼠们放在一起有助于降低压力,而压力是数据波动的来源。Wolfer表示,因为IntelliCage采用的是RFID标签技术,所以它能识别的行为比视频追踪系统要少。例如,它无法检测到动物何时抬起它的后腿。但是Oettler指出,视频分析在解读结果方面更易引入观察者偏差。

 

观察进食行为

行为科学家还给膳食监测引入了自动化模式。例如,Kravitz通过跟踪小鼠食物摄入量和活动水平来调查肥胖症。但是,因为小鼠吃得很少,所以测量中即使是微小的错误都可能导致结果不准。此时,自动化就有优势了。

诸如新泽西州的Research Diets和内华达州的Sable Systems International等公司的自动化硬件使用微型电子秤来测量每只动物的视频摄取量。但系统使用的标签价格较贵,因此不利于开展大规模试验。所以Kravitz等人开发了一种开源替代品:喂食实验装置(Feeding Experimentation Device, FED)。

为了适应标准笼子,FED使用动物的RFID标签来记录其行为,每当小鼠被拿走食物颗粒时会被记录该行为。每台设备的成本大约为350美元,不到商用系统价格的十分之一。

相应的指令可以在OpenBehavior——一个由Kravitz共同创立的、致力于开源行为科学项目的网站——上找到。但是,Kravitz提醒,如果系统出现技术问题,就得研究人员自行修理。你自己搭建系统,造价便宜,但究竟有多便宜,则完全取决于你花了多长时间在它身上。

 

鼠类iPad

在加拿大伦敦西部大学(Western University),认知神经科学家Tim Bussey和Lisa Saksida开发了包含触摸屏的房间,研究人员可以使用这些房间对啮齿类动物进行20种左右的认知任务测试,包括记忆、学习、注意力,甚至赌博。

Bussey指出,这就像为大鼠和小鼠准备了一台iPad,其主要区别在于,人是用手指点击屏幕,而鼠会将它们的鼻子放在屏幕上。成功完成一项任务,系统内置的食物分配点会流出一些草莓奶昔。

触摸屏自带英国拉夫堡的Campden Instruments公司和印第安纳州的Lafayette Instrument公司的预编程。Bussey表示,另外,研究人员可以使用名为“动物行为环境测试系统”(Animal Behavior Environment Test System)的软件来编写自己的任务。

由于这些任务是标准化的,所以在研究中使用这些设备的Brandon指出,他们可以对跨实验室,甚至跨物种的数据进行比较。其目的是将来自许多实验室的信息放置在一个数据库中,以便学界能够在特定任务期间分辨整个大脑结构中的神经元的活动。通过这种方式来收集的数据量大到难以想象。

不仅如此,数据量还在不断增加。Brandon现在将触摸屏室与开源“miniscopes”耦合,使用荧光成像记录自由移动小鼠的神经活动。每个显微镜成本约500美元。他指出,这些研究室甚至可以与光遗传学相结合,这样就可以使用光来操纵神经活动。

一些公司正在进一步开发自动化模式,采用全自动化的饲养室,进行全天候的监测。这样的系统可以用于多种研究,例如研究药物对动物的行为影响。例如,TSE的PhenoWorld系统饲养了几只RFID标记的大鼠和小鼠,以进行迷宫等试验。该系统同时记录动物的代谢和其它特征;Oettler表示,监控这些大、小的系统成本可能达到80万美元。

同样,MazeEngineers的研究人员正在构建“迷津园(Labyrinth)”——一个多达25个模块的网格,可以配置成20多个自动迷宫。啮齿动物的笼子可以连接到迷津园的边缘,并自动让动物进出。

如果这变成现实,迷宫可能会从科学工具变成“科学家”,自行开展试验。

 


原文检索:
Charles Choi. (2018) The mazes with minds of their own. Nature, 555: 127-128. 
张洁/编译

新闻特写, 热点
No Responses to “智能迷宫助力行为学研究”

Leave a Reply


8 − = two