IntelliProfiler: Fortschritte in der Verhaltensanalyse bei Mäusen

Verhaltensanalysen mit Mäusen sind super wichtig, um zu verstehen, wie das Gehirn funktioniert und um Krankheiten zu identifizieren. Mäuse werden oft für solche Studien genutzt, weil sie leicht zu handhaben sind und genetisch verändert werden können. Forscher untersuchen verschiedene Verhaltensweisen bei Mäusen, wie z.B. Laufen, Erkunden, soziales Interagieren und Erinnern. Sie nutzen Tests wie den offenen Feldtest und das erhöhte Plus-Maze, um diese Verhaltensweisen zu messen. Allerdings haben traditionelle Methoden ihre Herausforderungen.

Eine grosse Herausforderung ist, dass traditionelle Methoden die Daten langsam sammeln, weil sie normalerweise immer nur eine Maus auf einmal betrachten. Die meisten Tests zeichnen das Verhalten nur für kurze Zeit in einer unnatürlichen Umgebung auf. Im offenen Feldtest zum Beispiel setzen die Forscher eine Maus in einen grossen, offenen Raum und verfolgen ihre Bewegungen. Zudem kann es menschliche Verzerrungen geben, da das Handhaben der Mäuse sie ängstlich machen kann, was ihr Verhalten beeinflussen könnte. Studien haben gezeigt, dass das Geschlecht des Experimentators und Umweltfaktoren die Ergebnisse beeinflussen können.

Um diese Probleme anzugehen, suchen Forscher nach besseren Möglichkeiten, das Verhalten von Mäusen in natürlicheren Bedingungen zu beobachten. In letzter Zeit gab es Fortschritte bei Video-Tracking-Systemen, die Computer Vision nutzen, um die Bewegungen von Mäusen zu überwachen. Ein solches System heisst DeepLabCut, das eine präzise Verfolgung ermöglicht, ohne Marker an den Mäusen anbringen zu müssen. Allerdings kann es mit diesem System schwierig sein, viele Mäuse gleichzeitig zu verfolgen, besonders wenn sie eng beieinander sind.

Eine andere Technik nutzt kontaktlose RFID-Tags, das sind kleine Chips, die an den Mäusen angebracht werden können. Ein System, das RFID nutzt, heisst IntelliCage. Es kann automatisch Mäuse verfolgen, während sie ihre Umgebung erkunden und miteinander interagieren. Ein weiteres RFID-System, genannt ECO-HAB, ermöglicht es Forschern, Mäuse zu beobachten, die sich zwischen verbundenen Bereichen bewegen. Neueste Entwicklungen beinhalten RFID-Bodenarrays, die mehrere Mäuse gleichzeitig überwachen können. Obwohl diese Systeme wertvolle Einblicke in das Gruppenverhalten bieten, liefern sie oft nicht genug Details über die Bewegungen einzelner Mäuse.

In dieser Studie präsentieren wir ein neues RFID-basiertes System namens IntelliProfiler. Dieses System kann mehrere Mäuse in einer Heimkäfig-Umgebung überwachen. Es kann Gruppen von vier bis 16 Mäusen verfolgen und bietet bessere Details zu Timing und Orten als frühere Methoden. Mit IntelliProfiler haben wir 72 Stunden kontinuierliche Verhaltensüberwachung bei jungen und alten männlichen und weiblichen Mäusen durchgeführt, um zu sehen, wie das Altern die sozialen Interaktionen innerhalb der Gruppen beeinflusst.

#Einrichtung von IntelliProfiler

Um IntelliProfiler einzurichten, haben wir ein Antennenbrett mit 96 Antennenelementen in einem Raster angefertigt. Dieses Brett wurde unter einen grossen Käfig mit Futter und Wasser für die Mäuse platziert. Die Software, die wir für IntelliProfiler entwickelt haben, führt mehrere Aufgaben aus, darunter das Sammeln von Daten, das Berechnen von Entfernungen zwischen den Mäusen, die Analyse sozialer Interaktionen und die Erstellung visueller Darstellungen der Daten.

Nachdem die Daten gesammelt wurden, haben wir sie in ein Format umgewandelt, das es uns ermöglicht, die Bewegungen jeder Maus über die Zeit zu analysieren. Die Ergebnisse wurden für Gruppen von vier, acht und 16 Mäusen über 72 Stunden aufgezeichnet.

#Analyse der Aktivität von gruppenhaltenden Mäusen

Wir haben uns darauf konzentriert, wie die Gruppengrösse die Aktivitätsniveaus von männlichen und weiblichen Mäusen beeinflusst. Zum Beispiel, als die Anzahl der Mäuse in einer Gruppe zunahm, nahm die insgesamt zurückgelegte Distanz der männlichen Mäuse oft ab. In der kleineren Gruppe von vier zeigten die männlichen Mäuse direkt nach ihrer Einführung die meiste Aktivität, und ihre Aktivität nahm danach ab, bevor sie wieder anstieg, als das Licht ausgeschaltet wurde. Weibliche Mäuse zeigten jedoch stabile Aktivitätsniveaus und wiesen weniger Variation über die Zeit und Gruppengrösse auf.

Um die Unterschiede weiter zu vergleichen, haben wir die allgemeinen Trends in der Aktivität über längere Zeiträume untersucht. Auch hier zeigten männliche Mäuse in der kleinsten Gruppe die höchsten Bewegungsniveaus, während die Weibchen konstantere Aktivität über die unterschiedlichen Gruppengrössen hinweg aufwiesen.

#Soziale Interaktionen unter Mäusen

Wir haben auch untersucht, wie oft Mäuse miteinander interagierten, indem wir die Entfernung zwischen Mäusepaaren gemessen haben. Wir haben diese Distanzen in vier Typen kategorisiert: „Gleich“ wenn zwei Mäuse im gleichen Feld sind, „Nah“ für benachbarte Felder, „Zwischendrin“ für nahe Felder und „Weg“ wenn sie weiter auseinander sind. Wir fanden heraus, dass die Mäuse in kleineren Gruppen mehr Zeit nah beieinander verbrachten, während sie in grösseren Gruppen tendenziell weiter auseinander waren.

Beispielsweise stieg in den Vier-Maus-Gruppen der Anteil der Mäuse, die sich in der gleichen oder nahen Distanz aufhielten, während der Lichtperiode und sank während der Dunkelheit. In grösseren Gruppen gab es einen konsistenteren Trend zu sozialer Distanzierung, was darauf hindeutet, dass grössere Gruppengrössen die sozialen Interaktionen reduzieren könnten.

Um zu quantifizieren, wie nah zwei Mäuse über die Zeit beieinander waren, führten wir eine Metrik namens Close Contact Ratio (CCR) ein. Diese Messung hilft uns zu verstehen, wie oft zwei Mäuse in enger Nähe waren. Männliche Mäuse hatten den höchsten CCR in kleineren Gruppen, während weibliche Mäuse in grösseren Gruppen einen niedrigeren CCR aufwiesen.

#Analyse der Auswirkungen des Alterns auf das Verhalten

Das Altern kann das Verhalten von Mäusen beeinflussen, also haben wir jüngere und ältere männliche Mäuse in kleinen und grösseren Gruppen verglichen. Wir fanden heraus, dass ältere Mäuse insgesamt weniger aktiv waren, besonders in der Acht-Maus-Gruppe. Allerdings zeigten sowohl junge als auch alte Männchen in kleineren Gruppen signifikante Bewegungen.

Die Aktivitätsniveaus der alten männlichen Mäuse waren auch weniger ausgeprägt im Vergleich zu jüngeren Mäusen, die deutlichere Verhaltensmuster zeigten. Die Unterschiede in der sozialen Nähe waren bemerkenswert, wobei ältere Männchen mehr Zeit in der „Zwischendrin“-Kategorie verbrachten, was auf eine Veränderung ihrer sozialen Dynamik im Alter hinweist.

#Charakterisierung des Gruppenverhaltens

Wir haben auch das Gruppenverhalten durch eine Methode namens Hauptkomponentenanalyse (PCA) untersucht, um zu verstehen, wie verschiedene Faktoren wie Geschlecht, Gruppengrösse und Alter die Aktivität und sozialen Interaktionen beeinflussten. Das Verhalten männlicher Mäuse in den grössten Gruppen bildete einen klaren Cluster, während kleinere Gruppen mehr Vermischung von männlichen und weiblichen Mäusen zeigten.

Als wir die Auswirkungen des Alterns innerhalb der Gruppen untersuchten, fanden wir heraus, dass jüngere Mäuse generell anders agierten als ältere Mäuse, wobei jüngere Männchen aktivere und vielfältigere soziale Interaktionen zeigten. Das zeigt, dass das Altern nicht nur beeinflusst, wie aktiv die Mäuse sind, sondern auch, wie sie sozial interagieren.

#Netzwerk-Analyse der sozialen Interaktionen

Wir haben Netzwerkanalysen verwendet, um zu untersuchen, wie die Gruppengrösse die sozialen Interaktionen beeinflusst. In grösseren Gruppen entwickelten männliche Mäuse komplexere Interaktionsnetzwerke, während weibliche Mäuse eine einheitlichere Struktur beibehielten. Jüngere Männchen zeigten dabei eine grössere soziale Nähe und vielfältigere Netzwerke im Vergleich zu älteren Männchen, was zeigt, wie das Altern die soziale Struktur bei Mäusen beeinflusst.

#Individuelle soziale Interaktionen

Zum Schluss haben wir die sozialen Interaktionen einzelner Mäuse bewertet und bemerkten eine Variabilität im Verhalten, besonders in grösseren Gruppen. Während es in kleineren Gruppen keine signifikanten Unterschiede basierend auf dem Geschlecht gab, zeigten grössere Gruppen oft deutlich unterschiedliche Muster, die auf das individuelle Verhalten der Mäuse zurückzuführen waren.

#Zusammenfassung und Zukunftsperspektiven

Das IntelliProfiler-System stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Untersuchung des Mäuseverhaltens dar. Durch die kontinuierliche, unvoreingenommene Überwachung in einer Heimkäfig-Umgebung bietet es Einblicke, wie Gruppengrösse, Geschlecht und Altern das Verhalten beeinflussen. Unsere Ergebnisse unterstreichen, wie wichtig es ist, Mäuse in einer natürlicheren Umgebung zu studieren, um ihre sozialen Dynamiken besser zu verstehen.

Trotz der Fortschritte, die IntelliProfiler bietet, gibt es immer noch Einschränkungen, wie räumliche Präzision und die Notwendigkeit für chirurgische Implantation von RFID-Tags. Zukünftige Entwicklungen könnten sich darauf konzentrieren, die räumliche Auflösung zu verbessern und die Invasivität des Systems zu reduzieren. Insgesamt eröffnet IntelliProfiler neue Wege für die Verhaltensforschung, die zu tieferen Einblicken in das Verhalten von Mäusen und somit in die Funktionsweise des Gehirns führen können.