Summary
Эта рукопись описывает полуавтоматические задачу, которая дает количественную оценку супинация крыс. Крысы достичь, понять и супинировать сферических manipulandum. Крыса вознаграждается с Пелле, если угол поворота превышает критерия, выбранного пользователем. Эта задача увеличивает пропускную способность, чувствительность к травмы и объективности, по сравнению с традиционными задачами.
Abstract
Задачи, которые точно измерить ловкость в животных моделях решающее значение для понимания функции руки. Текущие задачи поведенческих крыса, измеряющих ловкость в основном используют видео анализ достижения или пищи манипуляции. Хотя эти задачи являются надежные через модели заболеванием и легко осуществить, они являются субъективными и трудоемким для экспериментатора. Автоматизация традиционных задач или создание новых автоматизированных задач можно сделать задачи более эффективной, объективной и количественные. Так как крысы являются менее ловкий чем приматов, центральной нервной системы (ЦНС) травмы производит более тонкие дефицита в ловкости, однако, супинация является высоко пострадавших грызунов и решающую передать функции в приматов. Таким образом мы разработали полуавтоматические задачи, что меры супинация передних конечностей у крыс. Крысы обучены достичь и понять ручку образный manipulandum и превратить manipulandum в супинации чтобы получить награду. Крысы могут приобрести навык в течение 20 ± 5 дней. В то время как в начале подготовки высоко контролируется, большая часть подготовки делается без прямого наблюдения. Задачу можно воспроизвести и надежно захватывает тонкий дефицита после травмы и показывает функционального восстановления, который точно отражает клинического выздоровления кривых. Анализ данных осуществляется специализированными программного обеспечения через графический интерфейс пользователя, предназначенный для быть интуитивно. Также мы предоставляем решения общих проблем, возникающих во время обучения и показать, что незначительные поправки к поведению в начале обучения производят надежное приобретение супинации. Таким образом задача супинация ручку предоставляет эффективный и количественные оценки критических движения за ловкость в крыс.
Introduction
Потеря подвижности после повреждения нервной системы или заболевания значительно уменьшается независимости и качества жизни для пострадавших лиц 1,2,3,4. Таким образом ловкость является важным результатом мерой для понимания науки нейронных ремонта и реабилитации также основы нейронных контроля движения и Мотор обучения. Традиционно вручную задачи, такие как достижения единого Пелле, паста манипуляции и Ирвин, Beatties и масштаб передних конечностей Ласпейреса (IBB) были использованы для оценки ловкость в животных, особенно грызунов 5, 6,7. Эти задачи стали популяризировали вследствие их время приобретения минимальных задач. Однако они являются качественными по своему характеру, трудоемким для экспериментатора и, порой, нечувствительны к функциональными нарушениями после травмы с тонким дефицита 5,,78,9. Эти ограничения традиционных задач, стимулировали развитие более количественные показатели двигательной функции в животных, в частности, достигнув передних конечностей.
Существует несколько преимуществ для автоматизации задач, а именно объективности, повысить пропускную способность и время снижение анализа. Новые автоматизированные задачи обеспечивают более чувствительным измерение оценки подвижности после травмы, чем обычные задачи 8,10. Кроме того они позволяют для адаптивного обучения и тестирования, который приспосабливает обучения и тестирования трудно животного производительности. И наконец автоматизированных задач генерировать большое количество данных, которые предоставляют два преимущества. Во-первых увеличение в данных в рамках судебного разбирательства и количество судебных процессов повышает статистическую мощность исследования. Во-вторых это дает неврологи больший набор данных из которого для изучения Мотор обучения, подготовки и компенсации более энергично путем анализа кинетического и кинематической информации 11.
Несколько групп пытались автоматизировать традиционных задач. Высокая скорость камеры может использоваться для сбора данных о кинематической от задач как единого Пелле, достижения задач 12. Alaverdashvili и Уишоу использовали Высокоскоростные камеры для захвата достигая движений и анализировать цифры движений с помощью программного обеспечения измерений по кадрам движения пик Motus 13. Однако это программное обеспечение не идентифицировать цифры с помощью компьютерного зрения, но вместо этого требует экспериментатора по оцифровке движущихся точек курсор. Кроме того некоторые задачи были использованы в сочетании с кормушки и клетки для автоматизации подготовки процесса 14,,1516.
Другие группы использовали силу датчиков, а также высокая скорость камеры для оценки пространственных изменений и силу в квалифицированных передних конечностей, достигнув с помощью макароны манипуляции, в то время как другие разработали задачи захватить более сложных движений 17. Одна из таких задач является охват и тянуть задаче, которая использует три степени свободы роботизированного устройства для захвата Вселенский и вращательное движение крыса передних конечностей движения 18. Это дает преимущества в возможность измерения кинетики движений, но с увеличением сложности и стоимости.
Здесь мы демонстрируем задачу полуавтоматические передних конечностей, меры супинация крыс 8. Передняя конечность супинация является вращение лапы от ладони вниз ладони вверх. Супинация является отличным маркер кортикоспинальных тракта и клинически значимых движение в организме человека, необходимые для повседневной жизни деятельности 8,19,20. Кроме того супинация очень чувствительна к травмам и инактивации, особенно по сравнению с одной Пелле, достигнув 8. Супинация задачи, разработанные в сотрудничестве между Бёрк медицинский научно-исследовательский институт и Университет Далласа, штат Техас, меры вращательное движение в горизонтальной плоскости 8,10. Крысы, помещаются в поведенческих коробки (рис. 1A) и обучены делать три движения (рис. 1B): через отверстие прямоугольной; понять сферических manipulandum; супинировать на указанный угол.
Поведение задачи контролируется программное обеспечение PC (рис. 1 c). Управление программное обеспечение посылает инструкции микроконтроллер, который подключен к авто позиционер, оптический датчик, спикер и подачи. Микроконтроллер и ее периферийных соединений называются поле микроконтроллера. Информации вытекает из оптического энкодера, микроконтроллер, то компьютер, а затем обратно в микроконтроллер. Если контроль программного обеспечения к микроконтроллеру дал понять, что судебный процесс был успешным, микроконтроллер триггерами подачи обойтись Пелле. В начале каждой сессии, контролирующих программное обеспечение передает информацию стадии в микроконтроллер, который руководит auto позиционер положение ручки на стадии определенного расстояния от диафрагмы. Auto позиционер также может управляться вручную с помощью клавиш со стрелками, расположенные на auto позиционер. Оптический датчик записывает данные на 100 Гц и меры изменения в угол. Все данные хранятся в двоичном формате.
Экспериментатор использует этапы последовательного обучения в рамках программного обеспечения для обучения крысы от привыкания к supinating с заранее угол и успех скоростью. Во время привыкания регулятор manipulandum помещается внутри проема окна без каких-либо противовеса. После недели обучения весьма под наблюдением крыса связывает ручку с вознаграждением и начинает поворотом ручки самостоятельно. После того, как крыса способна превратить самостоятельно, ручку убирается до 1,25 см в 0,25 см с шагом до тех пор, пока крыса может превратить самостоятельно на 1,25 см. противовесом является то добавляется 6 g. автоматизированной подготовки этапов поезд животное, чтобы супинировать ручку с шагом в 1 g от 3 g на 6 g до 75 градусов. Этот этап обучения практически без присмотра; После того, как крыс принять задачу с надлежащей форме (см. ниже), они по-прежнему супинировать должным образом. Обучение завершается, когда крысы супинировать 75 градусов на успех ставка (хит) 75% 8. Здесь мы описываем типичный подготовку протокола и настоящего решения общих вопросов, которыми мы столкнулись. Мы продемонстрировать прогрессирование представитель успешные и неуспешные крыс путем подготовки протокола и показать, что задача может быть изменен чтобы показать функциональными нарушениями с тонким или более серьезные недостатки.
Protocol
этот протокол описывает Настройка задачи и создания живущих и кормления условий, а также обучение животных, тестирование животных после травмы и анализируя поведение данных. Также описаны четыре шага Дрессировка: привыкание, награду ассоциации, противовеса, подготовку и критерий угол поворота. Все эксперименты на животных были утверждены IACUC Weill Cornell медицины и Техасского университета в Далласе.
1. Настройка задача
- Дизайн поведенческих box сделаны из прозрачного пластика, что меры 150 мм, шириной 200 мм длиной 250 мм в высоту.
Примечание: Прямоугольное отверстие здесь, 14.2 мм, высотой 25,4 мм. Manipulandum Ручка диаметром 9,5 мм производится с метилакрилатом и имеет две остановки, которые ограничивают супинация до менее чем 100°. Каждый из этих параметров были протестированы и оптимизированы для дефицитов, описанных в разделе результаты. Поле поведенческих и manipulandum указаны на рисунке 1A. - Подключить микроконтроллер к компьютеру. До четырех микроконтроллер коробки может подключаться к каждому компьютеру.
- Чтобы начать задачу, используйте программное обеспечение управления ( рис. 1 c).
- Выберите ручку устройства для элемента управления. Введите имя субъекта в " тема " поле. Выберите основу для подготовки под " этап " выпадающего меню.
Примечание: Этапы диктует три параметра для каждого судебного разбирательства: " хит окно, " " хит порог, " и " первоначальный порог. " хит определяется как достижения угол критерием в течение определенного периода времени. " Хит окно " относится к время, отведенное для животного начала судебного разбирательства и достичь угол критерием. " Хит порог " угол критерием для успешного судебного разбирательства. " Первоначальный порог " угол критерием инициировать судебное разбирательство и ударил окна; Это указывает на начало очереди. Дополнительные сведения об этапах можно увидеть ниже в разделе " обучения животных. " - нажмите " начать " начать тренировки. Нажмите кнопку " кормить " вручную кормить животных и " остановить " чтобы остановить учебной сессии.
Примечание: Ручной подачей должно использоваться для поддержания интереса в задаче и подробно в разделе 3. После остановки на сессии, сессии данные будут сохранены на диск C:.
- Выберите ручку устройства для элемента управления. Введите имя субъекта в " тема " поле. Выберите основу для подготовки под " этап " выпадающего меню.
2. Кормления условий жизни и
- использования взрослых самок крыс Sprague-Dawley (175-200 g). Дом крысы вместе в стандартные корпуса с темно обращенном 12 h/12 h свет цикла. Выполнять все обучение и тестирование во время темных цикла с огни серым.
Примечание: Самок крыс используются, так как они легче обучить 21. Здесь были использованы Sprague-Dawley, потому что это общий штамм, используемых в мотор, и это является преобладающим штаммом для мутация. Однако, учитывая регулируемый характер задачи (противовеса, повернуть угол критерием, расстояние до ручки и ручка сама) эти могли быть легко корректируется для различных штаммов и большего (например мужчины) или меньше (например Wistar) крысы. - Для первых 5 дней исследования, дают крыс полный корыте помимо питательной полный, шоколадные ароматизированные гранулы на пять дней. После пятого дня, еда ограничить крысы до 85% их кривой нормального веса.
- После того, как началось ограничение питания, кормить крысами 7,5 г шоколада окатышей (отрегулировать вверх или вниз для поддержания 85% от веса, скорректированных с учетом возраста) на протяжении всей их профессиональной подготовки. Если крысы не получили 7,5 г шоколада гранул в их учебных сессий, дополнение withstandard Чоу после заключительной сессии.
Примечание: Выходные кормления ad libitum с стандартным Чоу до воскресенье вечером, затем питание лишить на ночь. При выполнении операции или других инвазивных вмешательств, позволяют питания ad libitum по крайней мере за три дня до, а затем в течение трех дней после процедуры (в зависимости от времени восстановления) до сдачи крыс на ограничение питания снова.
3. Обучение процедура
Примечание: обзор процедуры подготовки показано на рисунке 3A. На протяжении всего протокола поезд крысы два раза в день, один раз утром и один раз в день. После утреннего заседания до начала послеобеденной сессии подождите минимум 3 ч.
- Привыкание
Примечание: привыкания призвана ознакомить Крыса с поле проверки и обработки.- Полностью убрать ручку устройства, нажав клавишу со стрелкой вниз на позиционере auto.
- Место крыса в поле поведенческих за 15 мин.
- После 15 минут в поле обработки каждый Крыса в руках для по крайней мере пять минут для ознакомления крысы экспериментатора.
- Повторить это на пять дней.
- Награду ассоциации
Примечание: цель заключается в подготовке крыса связать поворачивая ручку с наградой пищи. Ожидаете, чтобы провести полный сессии продолжительностью 30 мин на задачи на этапе награду ассоциации обучения.- Открыть программного обеспечения и ввод крыса имя. Установить сцену " K1: ручка шейпинг - без шкива. "
Примечание: устанавливает расстояние manipulandum от диафрагмы на 0,0 см, " Init. Молотовых. " в 3°, " хит молотовых. " на 5 градусов, и " хит окно " на 2 s. Это позволяет крыс кормили до тех пор, как крыса поворачивает ручку прошлых 3 градуса. " Хит окно " останутся в 2 s на протяжении всего обучения. - Поместить крыса в поведенческих поле и нажмите " начать " чтобы начать сеанс.
- Ознакомиться крысы награду корыта дозирования гранул 2-3 одновременно и выстукивать стороне коробки, где находится награду корыта. Отказаться от гранул с помощью кнопки ручной подачи.
- После того, как крыса знает местонахождение награду, вручную обойтись 1 Пелле когда крыса перед диафрагмы.
- Раз крысы движется к отверстию в ожидании Пелле вознаграждение, условия крыса взаимодействовать с manipulandum.
- Запрашивать крыса, поместив продовольственной Пелле 45 мг вблизи manipulandum, или путем применения Пелле пыли непосредственно к manipulandum, что позволяет протянуть руку и понять его. Если крыса отходит от диафрагмы, нажмите на поле возле manipulandum перенаправить свое внимание о.
Примечание: Если крыса коснулась ручку с достигая лапой, программа будет кормить крыса. Любые взаимодействия, которые не включают в себя использование лапы (т.е. кусаться, лестничный manipulandum) неверны и не должны быть вознаграждены.
- Запрашивать крыса, поместив продовольственной Пелле 45 мг вблизи manipulandum, или путем применения Пелле пыли непосредственно к manipulandum, что позволяет протянуть руку и понять его. Если крыса отходит от диафрагмы, нажмите на поле возле manipulandum перенаправить свое внимание о.
- После крысы начинается, касаясь ручку с желаемой лапы и вознаграждены 10 раз подряд на 0,0 см, использовать клавиши со стрелкой вниз на auto позиционер ( рис. 1A) отозвать manipulandum 0,25 см с. повтор Это в 0,25 см увеличивает до тех пор, пока manipulandum – 1,25 см от проема.
- Пресс " остановить " после 30 минут, чтобы закончить сеанс.
- Продолжать награду ассоциации до тех пор, пока крыса supinates manipulandum с желаемой лапы на 1,25 см от диафрагмы ( рис. 1B).
- Окончании 2 последовательных сессий supinating manipulandum и получение вознаграждения Пелле, крыса начать обучение противовеса.
- Открыть программного обеспечения и ввод крыса имя. Установить сцену " K1: ручка шейпинг - без шкива. "
- Противовес подготовки обучить крыс супинировать 6 g противовесом.
- Место 3 g противовеса на manipulandum путем присоединения разъем на конце противовеса к точке L-образный вложение manipulandum. Кормить противовеса строки через шкив, до тех пор, пока противовеса висит свободно.
- Открыть программного обеспечения и ввод имени крыса. Установить сцену " K2: ручка шейпинг - шкив. "
Примечание: устанавливает расстояние manipulandum от диафрагмы на 1,25 см, " Init. Молотовых. " в 3° и " хит молотовых. " на 5 градусов. Manipulandum расстояние будет оставаться на 1,25 см от этой точки вперед. - Поместить крыса в поведенческих поле и нажмите " начать " чтобы начать сеанс.
- Пресс " остановить " после 100 + успешных испытаний. По завершении крысы 2 последовательных сессий 100 + успешных испытаний, увеличить вес на 1 g после окончания сессии. Увеличение веса от 3 g 6 g, на последующих сессиях.
- Перейти к шагу 3.4 после 2 последовательных сессий супинация на 6 g и 100 + успешных испытаний.
Примечание: Он занимает в среднем 6 сессий (3 дня) работать до из 3 g до 6 г. начало в противовес обучения, важно что правильный супинация движение получает вознаграждение и неправильные супинация движение получает форму вне. Для визуального руководство и объяснение о правильных и неправильных супинация формы, пожалуйста, обратитесь к рис. 2.
- Подготовку базовых
Примечание: Помните продолжать форму правильного супинация движения. Опять же обратитесь к Рисунок 2 для визуального руководство по правильно/неправильно супинация движения и как исправить неверные супинации. Обучать крысы супинировать базовых критериев; здесь это 75 градусов с противовесом на успех ставке 6 g 75% или выше.- Место в противовес 6 g на manipulandum.
- Открыть программного обеспечения и ввод имени крыса. Установить сцену " KSB4: ручка подготовки медиана Макс. 75 "
Примечание: устанавливает " Init. Молотить. " на 5°, " хит порог минимальной " на 15°, и " хит порога максимума " 75 °. Это называется " адаптивный " этап обучения, означает порог будет увеличиваться как крыса ' улучшает производительность. Для " KSB4 " стадии, порог сначала устанавливается на предыдущей сессии ' s окончательное порога. Если нет предыдущей сессии был запущен на этой стадии, порог устанавливается минимальный порог 15 градусов. После первых 10 испытаний сессии порог вычисляется как медиана пик углов в предыдущие 10 судебных процессов. Таким образом, пороговое значение отличается для каждого судебного разбирательства и зависит от крысы ' s производительность в предыдущих исследованиях. - Остановить сеанс после 30 мин.
- Продолжить обучение с использованием адаптивного стадии до тех пор, пока средняя пик угол составляет 75 градусов или выше. Затем перейдите к шагу 3.5. Обычно это происходит примерно через 10 дней или 20 сессий.
- Базовой оценки записывать четыре последовательных базовых
- место в противовес 6 g на manipulandum.
- Открыть программного обеспечения и ввод имени крыса. Установить сцену " K27: 75 градусов. " устанавливает " Init. Молотить. " на 5 ° и " хит порог при 75°.
- Пресс " остановить " после 30 мин или 100 испытания, наступит раньше, чтобы закончить сеанс.
- Продолжать до тех пор, пока существуют четыре последовательных исходных линий с успеха 75% или выше.
4. Оценка после травмы
- программного обеспечения с открытым и введите имя крыса. Установите сцену на же статический этап как до травмы базового тестирования. Это будет сохранить те же параметры, используемые для базового.
- Пресс " начать " и запускать сессию до 30 мин
Примечание: Участие может быть низким после травмы. Это может быть исправлено с помощью ручной подачи кнопку или размещения награду Пелле возле manipulandum чтобы побудить крыс с manipulandum. - Повторить тестирование один раз в неделю в недельными перерывами до желаемой длины после травмы оценки.
Примечание: Здесь, мы оценить производительность каждую неделю в течение шести недель после травмы.
5. Анализ данных
Примечание: данные сохраняются в папку по умолчанию на диске C: компьютера. Данные отслеживались на 100 Гц при хит окна и хранятся в двоичном формате. Здесь данные были проанализированы с помощью пользовательской программы, называется ловкость. Для доступа к этой свободного программного обеспечения, пожалуйста, напишите доктор Джейсон Кармель.
- Открытые ловкости и нажмите " стандарт. "
- перейдите в каталог, где крыса данные и выберите требуемую папку.
- После выбора каталога, выберите крыс для анализа.
- Нажмите " сохранить " или " отказаться от " чтобы сохранить или удалить файлы, которые являются неполными или не содержат данных.
Примечание: Есть моменты, когда сеансы запускаются с использованием неправильные параметры и подготовка стадии, и хотя они сразу же остановились, по-прежнему создается файл. Этот файл должен быть отброшен в ходе анализа. Имеются также случаи, особенно остро после травмы, когда животное выполняет не испытания из-за их повреждения или очень мало испытаний. Для этих сессий файл должен храниться потому, что это представление об их исполнении. Когда файл с не успешных испытаний хранится, NaN помещается в соответствующее место для вычисляемых переменных. - Выбрать, следует ли для аннотирования эксперимент сейчас или позже; если " заметки теперь " это выбран, откроется новое окно. Введите в " эксперименте имя, " " имена групп, " " данные события, " и " общее число недель " в эксперименте.
- Назначить группе субъектов.
- Ввода количество данных сессий каждой точке недели или времени. Отдельные входные сессий с пробелом и убедитесь, что не ставить пробел после последнего номер т.е. (1 1 1 1).
- Ввод метки точек времени. Отдельные входные этикетки с пробелом и убедитесь, что не ставить пробел после того, как последний ярлык т.е. (Pre Wk1 Wk2 Wk3).
- Выберите, когда произошло событие, появится возможность сохранить сессии анализ. Нажмите кнопку " да " чтобы сохранить сессии анализ.
- Появится обзор аннотированный и unannotated данных. Это дает возможность отобразить данные.
- Для unannotated данных, нажмите кнопку " граф тема " для построения отдельного субъекта или " граф предметы " для печати всех предметов на одном графике.
- Аннотированный анализа, нажмите " участка " на участок эксперимент.
- Аннотированная и unannotated, щелкните стрелку раскрывающегося списка для списка переменных должна отображаться. Щелкните переменную для просмотра сюжета.
- Нажмите кнопку Экспорт для экспорта диаграммы и/или данные, связанные с граф.
Representative Results
В начале обучения, экспериментатор тратит больше времени на задачи формирования поведения крыс. Как крысы связать крыса супинации с наградой, руки на время уменьшается (рис. 3A). Во время привыкания, награду ассоциации и противовеса обучение полная сессия Длина (30 мин) расходуется на задачу. Однако после того, как крыса supinating с весом 6 g, время на задачи постепенно уменьшает около 15 мин как крыса супинация угол увеличивается. Наконец когда крысы достигает базовой, время на задачи является как минимум; экспериментатор необходимо только разместить крыса в поле поведенческих и запустите программу. Максимальное количество крыс, которые экспериментатора может одновременно работать с двух крыс во время награда ассоциации, четыре крысы в противовес подготовку и подготовку к базовой, и как много крыс как там коробки во время базовой оценки и тестирования после травмы. В среднем, 75% крыс (n = 56) приобретают задачи.
После того, как крыса связаны супинации с вознаграждением, есть положительные прогрессии в угол крыса супинации (рис. 3B). В рисунке 3Bкрыса перешла от 3 g в противовес 6 g от 3 день 7 день. После обучения противовеса был короткий период адаптивного обучения от дня 7 в день 9, во время которого супинация, возросло с 26 до 30 градусов. Потому что там не было много изменений, от 9 до 18 день был нанят статических пороговых значений. В этот период крыса неуклонно увеличилась с 30 градусов до 75 градусов в течение 8 дней. Есть повседневное изменчивость на протяжении всего обучения, в частности, 12 и 14 дней. Но, как правило, существует тенденция в супинации угол. К концу 17 день после привыкания крыса записал свой первый базовый, и четыре сессии позднее, он закончил базовой оценки. С привыканием к записи четвертой базовой линии подготовка протокола занимает в среднем 20 ± 5 дней.
Просмотр идеальный прогрессии через протокол подготовки имеет важное значение, просмотр неудачной прогрессии в равной степени важными (рис. 4). В рисунке 4Aоранжевая линия показывает, успешно завершает протокол, синяя линия показывает неудачной крыса, крыса и серые линии показывают еще шесть успешных крыс. Успешное крыс достиг базовой линии в 15 ± 0,6 дней (n = 7). Представитель успешных крыса использует 1 часов хваткой, а неудачной крысы 3 часов ГРАСП. Обе крыс связать ручки с вознаграждением в течение 2 дней. Кроме того оба крыс показывают аналогичные супинация угол (рис. 4A) прогрессии в первые четыре дня после добавления противовеса. Однако после этого момента, успешный крыса начинает оторваться от неудачных крыса. Это потому, что неудачной крыса хватка не смог исправить до этой точки (см. Рисунок 2).
Для успешного крыса является резкий рост супинация угол, который начинает плато между 50 и 60 градусов, но затем возобновляет смоляные восхождение к 75 градусов. Однако для неудачного крыса, есть более постепенное увеличение угла супинации. Как крыса плато около 20 градусов, крыса получает толкнул супинировать больше, но в конце концов, он теряет интерес в решении задачи, даже с ручной подачей, и супинация угол уменьшается быстро вокруг 15 день после привыкания. Хотя есть небольшое восстановление после 17 день после привыкания, крысы пытается супинировать более 25 градусов. Если крыса не достигается день 20 базовых, мы рассматриваем эту крысу неудачной и удалить крысы из исследования.
Помимо супинация угол один можно выполнить визуальный осмотр супинация сигналов (рис. 4B-D) для успешной и неудачной крыса. При выполнении визуального осмотра, мы смотрим на ряд характеристик сигнала: наклон линии, задержки и количество вершин в окно времени для судебного разбирательства. Наклон линии рассчитывается как производную кривой между наступлением кривой и пик кривой. Время ожидания рассчитывается как время между началом разбирательства и кривая, переступив порог, хит. И наконец пики рассчитываются с использованием производной для поиска местных максимумов в окне пробной. Ранее мы нашли что наклон линии, или скорость, является надежной мерой супинация кинетики и чувствительны к тонким дефицит 8.
В первой трети обучения после начала супинировать, используя 6 g (Рисунок 4B) успешного крыса (1рис. 4B) показывает один сигнал с пик около 20 градусов, при неудачной крыса (рис. 4B2 ) показывает двойной поворот, или две вершины, с первый пик около 10 градусов и второй пик, около 5 градусов. В средней трети обучения (рис. 4 c) успешно крыса (Рисунок 4 c1) показывает увеличение угла пик от 20 градусов до 50 градусов с более определенными, один пик кривой. Неудачной крыса (Рисунок 4 c2), между тем, только показывает предельные увеличение угла пик до 20 градусов но улучшилась в его форме; Теперь он использует только одну очередь. В последней трети обучения (рис. 4 d) успешного крыса (1Рисунок 4 d) показывает очень выраженный одного сигнала с пик около 65 °, по сравнению с неудачной крыса (Рисунок 4 d-2) с пик углом 20 но теперь градусов с дополнительным пик на 2 s 15 °. Это еще один хороший показатель, что с возрастающей сложностью подготовки, крыса смог исправить свою хватку 3 часов и в свою очередь, не супинировать должным образом. Даже если эта крыса не исключены из сферы исследования и может в конечном итоге выполнить до 75 градусов, будет остаются вопросы о было ли правда супинация против супинации с компенсацией.
Наконец задача супинация обнаруживает функциональными нарушениями после нескольких видов травм, включая сокращение поражения кортикоспинальных путей, основным каналом для добровольного движения в людей и поражения передних конечностей моторной коры, выступал с эндотелина инъекции (Рисунок 5) 8,10,22. Крысы в группе pyramidotomy (фиолетовый, n = 8) были обучены супинировать минимум 75° на 6 g со скоростью успеха 75% или выше, а крысы в группе корковых поражения (зеленый, n = 10) были обучены супинировать 60° на 7,5 г на 75% или выше. Крысы в обеих группах показал резкое снижение темпов успех после травмы (Рисунок 5A). Показатель успеха для крыс в группе pyramidotomy сократилось с 90% ± 2% до 14% ± 8%. SucСесс ставка для крыс с корковой поражением сократился с 76% ± 1% до 10% ± 3%. Неделя 6, обе группы были по-прежнему зрением: pyramidotomy группа была на 34% ± 11%, в то время как группа корковых поражения остается на 16% ± 7%. Что касается супинация угол обе группы показывают снижение от предварительно после травмы (Рисунок 5B). Из-за различных критерия базовых супинация углы pyramidotomy группа имела высокий угол дотравматозному супинации (85° ± 2.9°) чем группе корковых поражения (67° ± 0.52°). Группа pyramidotomy сократилось до 38° ± 10°, а группе корковых поражения снизился до 27° ± 2.9°.
Рисунок 1: Описание задачи супинации. (A) крыса помещается в поле оргстекло с отверстием, через которое он достигает и захватывает ручку, который должен быть включен в супинации. Регулятор имеет две остановки для предотвращения супинация углов больше чем 100°. Регулятор имеет также шкив с контргрузом; Это создаёт крутящий момент, что крысы должны преодолеть, чтобы супинировать. Ручку подключен к оптический датчик, который измеряет угол с точностью до 0,25 °. Этот оптический датчик подключен к микроконтроллер, который в свою очередь подключен к компьютеру, который контролирует задачи. Компьютер сигналы к микроконтроллеру выступать когда триггер аудио-обратную связь и обойтись лепешки из фидера, если критерий успеха достигается. Микроконтроллер также контролирует auto позиционер, чьи позиции между 0 и 1,25 см определяется на стадии подготовки, установленных на компьютере. (B) крыса выполняет задачу в трех последовательных движений: достигая через отверстие, схватив ручку с хваткой питания расположен в час и supinating. (C) регулятор супинация задачи контролируется программное обеспечение управления. Экспериментатор вводится имя субъекта и выбирает на этапе обучения, в то время как программа устанавливает соответствующие параметры. Сигнала одного успешного супинация пробную показаны синим цветом, в то время как последовательность успешных и неудачных испытаний приводятся в зеленый и красный, соответственно. Пробу характеризуется успешно программное обеспечение управления если супинация угол больше хит порог в течение определенного времени окна, тогда как пробу помечен неудачной, если это не так. Эта программа контролирует одну коробку. Четыре программы могут быть запущены одновременно на компьютере. Эта цифра была изменена с Sindhurakar et al., 2017, Нейрореабилитация и нейронных ремонт8. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 2: Движений супинации. Схемы и описания общих правильные и неправильные супинация движений, возникших в ходе подготовки протокола. Правильные движения позволяют верно супинация, в то время как неправильные движения включают компенсаторные механизмы, которые могут помешать истинный супинации. Включены предлагаемые решения для исправления неправильного движения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 3 : Подготовка протокола. (A) стандартные сроки. Существует пять периодов обучения продолжительностью в общей сложности примерно 25 дней: привыкание (5 d), награда ассоциации (d 1-3), вес подготовки (3-4 d), подготовки базовых (8-12 d), и базовой оценки (2-4 d). Шаблон линии на шкале времени обозначает время, необходимое экспериментатора потратить на задачу каждой сессии. По мере подготовки протокола, уменьшается время на задачу. (B) общий прогрессирование способность Стайной Крысы супинировать награду ассоциации к базовой оценке. В целом есть положительные линейной прогрессии крысы к базовой, но как заметил, изменчивость в крыса производительности всей подготовки протокола. После обучение веса существует период адаптивного обучения, где порог угол супинация изменяется на матч производительность крыса. Адаптивное обучение сопровождается статического Бинаризация парадигмы пока крыса достигла базовых. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 4: Приобретение успешных и неудачных задачи. (A) прогрессирования супинация угол всей подготовки протокола для восьми крыс, семь успешных и неудачных. Один представитель крысу, которая достигает базовый критерий (успешный, оранжевый) и одной неудачной крыса (синий) далее используются в качестве тематических исследований. В первые семь дней обучения после привыкания как успешные и неуспешные крыса показал аналогичный прогресс в супинации угол. На 11 день после привыкания успешный крыса была supinating 55 ° при неудачной крыса supinated 25 °. После 15 день после привыкания успешный крыса показали сильный восходящий прогрессии, в то время как неудачной крыса снизилась в производительности. В последней трети обучения после привыкания неудачной крысы перестала расти на 30 ° в то время как успешный крыса была supinating 80 °. Средние волны (B) (черная линия) с 95% доверительным интервалом (оранжевый для успешной, синий для неудачных) для первой трети обучение после добавления 6 g противовеса. (B1) Успешный крыса - один пик около 20°. (B2) Неудачной крыса - двойной пик с глобальный максимум 10°. Средние волны (C) (черная линия) с 95% доверительным интервалом (оранжевый для успешной, синий для неудачных) для второй трети обучение после добавления 6 g противовеса. (C1) Успешный крыса - один пик на 45°. (C2) Неудачной крыса - улучшение формы с одной пик около 20°. Средние волны (D) (черная линия) с 95% доверительным интервалом (оранжевый для успешной, синий для неудачных) для последней трети обучение после добавления 6 g противовеса. (D1) Успешный крыса - произносится один пик на 65°. (D2) Неудачной крыса - двойной пик с глобальный максимум на 20°. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 5:сильный > задачи чувствительность к различным моделям травмы. Крысы в группе pyramidotomy (фиолетовый, n = 8) были обучены супинировать 75° на 6 g со скоростью успеха 75% или выше, а крысы в группе корковых поражения (зеленый, n = 10) были обучены супинировать 60° на 6 g 75% или выше. Данные являются среднее ± стандартная ошибка. (A) успеха для pyramidotomy поражения по сравнению с поражением коры головного мозга. Обе модели травмы показал резкое снижение успеха от предварительно после травмы (1 неделя). Успех на pyramidotomy снизилась от 0,90 ± 0,02 до 0,14 ± 0,08, в то время как показатель успеха для поражения коркового снизилась с 0.76 ± 0,01. (B) супинация угол для pyramidotomy против корковых поражения. Обе группы показали снижение от предварительно после травмы: pyramidotomy группа сократилось до 38,2 ° ± 10.1 °, а группе корковых поражения снизилась до 27,1 ° ± 2.9 °. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Discussion
Ручка супинация задача оценивает супинация передних конечностей у крыс с помощью методов количественного и полуавтоматические. Для достижения этих конечных точек, многие из параметров, предназначенных для выполнения этой задачи, включая выравнивание ручку, manipulandum дизайн и критериев профессиональной подготовки, итерации несколько лет. Для выравнивания ручку, мы экспериментировали с трех различных рядов ручку отношении диафрагмы: левая сторона ручку с левой стороны проема, ручку в центре отверстие, и с правой стороны ручки в соответствие с правой стороны perture. Мы поселились на правой стороне ручки в соответствие с правой стороны проема, как этот производимых крыс, которые прошли подготовку в кратчайшее время и кто supinated с минимальными компенсаторные механизмы, в частности, помехи от левой лапой.
Что касается manipulandum дизайн мы изменили несколько конструктивных особенностей максимального поворота с передних конечностей и свести к минимуму использование тела. Кроме того мы выполнили горизонтальное сложность задачи на тяжесть прогнозируемого дефицита. После pyramidotomy супинация является движение, которое наиболее сильно пострадавших, но обесценения по-прежнему сравнительно тонкий. Таким образом мы обучили крыс выше базового критерия (75°) для обеспечения соблюдения крупные дефициты после травмы. Для корковых поражениях, которые больше ущерба, порог 60 градусов в 7,5 г было достаточно, чтобы продемонстрировать значительный дефицит после травмы. Дополнительные параметры, которые были оптимизированы на основе проб и ошибок включают в себя размер апертуры, ручка расстояние от диафрагмы и окно времени для достижения успешного судебного разбирательства.
Есть некоторые критические точки на протяжении подготовки протокола, которые требуют тщательного наблюдения. При обучении по базовой линии, метод адаптивного порога успешно использовался для обучения крысы до 75° 10. Однако крыс может плато на пике угол меньше 75°; производительность остается той же после 4-5 сеансов. Для повышения производительности, могут быть использованы статических пороговых значений. Статических пороговых значений относится к порог, оставаясь на степень набор, который не зависит от производительности крыса, отличие от адаптивного порога, что изменения основаны на последних показателей. Если крыса плато во время адаптационного обучения, экспериментатор следует изменить на статических пороговых значений. Статические учебных этапов диапазоне от 20 до 70 градусов с шагом в 10°. (Этап K28 - K33). Выберите статический этап, основанный на угол крыса средняя пик на предыдущих сессиях 2. Например если крыса составляет в среднем 45°, выберите Статический этап для 50 градусов (K31). Все этапы статический набор «Init. Молотить.» на 5 °. Во время обучения, если крыса теряет мотивацию, вручную кормить крыса если она supinates, близко, но не выше порога.
Кроме того в ходе базовой оценки, примерно 5% крыс регресс 5-10° в угол их супинации и 5-10% в успеха между сессиями. Если это произойдет, и крыса не восстановить угол средняя пик 75° после 3-4 сеансов, уменьшение статической сцены в течение 10 градусов текущий средний угол крыса перед возвращением к шагу 3.5. Важно не вновь крыса адаптивной этапах после того, как он был помещен на статических учебных этапов.
Существуют некоторые ограничения для задачи. После того, как был создан неправильно понять позицию, изменяя схватив поведение (рис. 2) может быть трудно. Таким образом раннее обнаружение и коррекция имеет важное значение. Чтобы исправить крыса ГРАСП, диафрагмы могут быть изменены путем сужения размер проема в горизонтальном или вертикальном направлении; Обычно мы ленты на стеклянное скольжение к краю дверного проема, что требует регулировки. Для большинства крыс это улучшает их хватка формы, потому что она заставляет их понять manipulandum определенным образом. Это, в свою очередь, повышает их способность должным образом супинировать.
Помимо этой проблемы крыс можно разрабатывать компенсационные механизмы супинировать. К ним относятся использование головы для помощи передних конечностей в супинации; снижение локтя и плеча совместных повернуть ручку; используя левую лапу, чтобы помочь повернуть ручку или надавите достигая лапы. Все эти поведения может использоваться для успешного завершения задачи. Как упоминалось выше, поведения, относящихся к хватке могут быть исправлены путем манипулирования диафрагмы. Компенсационных механизмов за пределами досягаемости, однако, требуют активного участия экспериментатора не вознаграждать компенсационного поведение. После травмы мы наблюдали крыс, принимая несколько попыток разместить на лапу в правильное положение перед supinating. Хотя не мы проанализировали, какие компоненты этой задачи могла бы способствовать потере супинация, они могут включать потерю точных сцепление и нарушениями модуляции силы, среди многих возможностей.
Полуавтоматические супинация задач занимает, в среднем, 20 ± 5 дней обучить крыс базовой линии, и 25% животных не могут обучаться на задачу. Содействие учебного времени является тот факт, что мы не выбрали естественно право предпочтение крыс, но вместо этого заставить всех животных, чтобы использовать их правой лапы, как часто в большинстве достигая анализов. Мы не пробовал использовать слева предпочтение крыс, но было бы интересно аналитическое исследование сначала определить предпочтения лапы и затем поезд доминирующей лапы. Для этого, нам будет нужно отразить ориентации двери таким образом, чтобы отверстие вспять; Это легко может быть сделано.
По сравнению с традиционными задачами как IBB или достижения единого Пелле, супинация задач количественно и объективно меры достижения передних конечностей. Он показывает чувствительность к тяжелой травмы (поражения коркового) и тонкие травмы (pyramidotomy), и подготовки процедуры могут быть изменены в зависимости от тяжести травмы модели. Потому что это полуавтоматическое, задача позволяет экспериментатор подготовить несколько крыс одновременно, в зависимости от стадии обучения. Это значительно улучшает производительность и пропускную способность крыса экспериментатора. Задача, надежных и воспроизводимых между крысами. Создавая руководство по устранению неполадок (рис. 2) для экспериментаторов сослаться в ходе подготовки протокола, мы стандартизировали несколько неправильного поведения, а также решения для их исправления. Наконец задача предлагает простой способ для анализа больших объемов данных и дает возможность глубже вникать в кинетика супинация экспериментатора.
В будущем мы будем использовать полуавтоматические супинация задачи как платформа для оценки типа, дозы и сроки реабилитации. Наша Лаборатория заинтересована в эффекты стимуляции на функциональные улучшения после травмы. Кроме того мы заинтересованы в как терапии, которые стимулируют нервные ремонт или улучшение нервной проводимости и коммуникации может повлиять на реабилитации. Мы также заинтересованы в изменении задачи быть совместимы с электрофизиологии, так что мы можем изучать Мотор обучения; крысы с головойкапс регулярно выполняют задачи, и Добавление коммутатора для записи или стимуляции будет просто сделать. Задачи, как описано, для крыс, но есть также labs экспериментирует с помощью мыши для выполнения этой задачи. В общем эта задача может использоваться для оценки функции передних конечностей в грызунов в самые разнообразные модели травмы и болезни государств и в свою очередь, для оценки реабилитационных стратегий. Продвигаясь вперед, мы будем продолжать совершенствовать задачи, с уточнениями, чтобы помочь уменьшить неправильное поведение и улучшить задачу приобретения скорость и время обучения.
Disclosures
Д-р Rennaker и д-р Слоун являются владельцами Vulintus Inc., которая производит оборудование, в настоящей публикации. Отсутствие конфликта интересов объявил для других авторов.
Acknowledgments
Это исследование финансируется NS091737 R03 низ-NINDS.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Base Cage - Rat Model | Vulintus | MotoTrak Rat System | N/A |
| Controller | Vulintus | MotoTrak Rat System | N/A |
| Behavior Module | Vulintus | MotoTrak Rat System | Supination Task, Methacrylate Dual Stop Knobs |
| Pellet Dispenser - 45mg | Vulintus | MotoTrak Rat System | N/A |
| Autopositioner | Vulintus | MotoTrak Rat System | N/A |
| 45 mg, Chocolate Flavor, 50,000/Box | Bio-Serv | F0299 | N/A |
| HP Z230 Tower WorkStation | HP | N/A | Intel Xeon CPU E3-1225 v3 @ 3.20 GHz, 16GB RAM, 1TB HDD. Min Requirements: 8GB RAM, Multi-Core Processor |
| Dexterity | Burke Medical Research Institute | Matlab software for data analysis | |
| Enviropak | WF Fisher and Son | N/A | N/A |
References
- Anderson, K. D. Targeting recovery: priorities of the spinal cord-injured population. J Neurotraum. 21 (10), 1371-1383 (2004).
- Martin, J. H. Systems neurobiology of restorative neurology and future directions for repair of the damaged motor systems. Clin Neurol Neurosur. 114 (5), 515-523 (2012).
- Lemon, R. N.
- Feng, W., Wang, J., et al. Corticospinal tract lesion load: An imaging biomarker for stroke motor outcomes. Ann Neurol. 78 (6), 860-870 (2015).
- Whishaw, I. Q., Pellis, S. M., Gorny, B. P., Pellis, V. C. The impairments in reaching and the movements of compensation in rats with motor cortex lesions: an endpoint, videorecording, and movement notation analysis. Behav Brain Res. 42 (1), 77-91 (1991).
- Irvine, K. A., Ferguson, A. R., Mitchell, K. D., Beattie, S. B., Beattie, M. S., Bresnahan, J. C. A novel method for assessing proximal and distal forelimb function in the rat: the Irvine, Beatties and Bresnahan (IBB) forelimb scale. J Vis Exp. (46), (2010).
- Allred, R. P., Adkins, D. L., et al. The vermicelli handling test: a simple quantitative measure of dexterous forepaw function in rats. J Neurosci Meth. 170 (2), 229-244 (2008).
- Sindhurakar, A., Butensky, S. D., et al. An automated test of rat forelimb supination quantifies motor function loss and recovery after corticospinal injury. Neurorehab Neural Re. 31 (2), 122-132 (2017).
- Carmel, J. B., Kim, S., Brus-Ramer, M., Martin, J. H. Feed-forward control of preshaping in the rat is mediated by the corticospinal tract. Eur J Neurosci. 32 (10), 1678-1685 (2010).
- Meyers, E., Sindhurakar, A., et al. The supination assessment task: An automated method for quantifying forelimb rotational function in rats. J Neurosci Meth. 266, 11-20 (2016).
- Gomez-Marin, A., Paton, J. J., Kampff, A. R., Costa, R. M., Mainen, Z. F. Big behavioral data: psychology, ethology and the foundations of neuroscience. Nat Neurosci. 17 (11), 1455-1462 (2014).
- Wong, C. C., Ramanathan, D. S., Gulati, T., Won, S. J., Ganguly, K. An automated behavioral box to assess forelimb function in rats. J Neurosci Meth. 246, 30-37 (2015).
- Alaverdashvili, M., Whishaw, I. Q. Motor cortex stroke impairs individual digit movement in skilled reaching by the rat. Eur J Neurosci. 28 (2), 311-322 (2008).
- Ellens, D. J., Gaidica, M., et al. An automated rat single pellet reaching system with high-speed video capture. J Neurosci Meth. 271, 119-127 (2016).
- Lai, S., Panarese, A., et al. Quantitative kinematic characterization of reaching impairments in mice after a stroke. Neurorehab Neural Re. 29 (4), 382-392 (2015).
- Molina-Luna, K., Hertler, B., Buitrago, M. M., Luft, A. R. Motor learning transiently changes cortical somatotopy. Neuroimage. 40 (4), 1748-1754 (2008).
- Ballermann, M., Tompkins, G., Whishaw, I. Q. Skilled forelimb reaching for pasta guided by tactile input in the rat as measured by accuracy, spatial adjustments, and force. Behav Brain Res. 109 (1), 49-57 (2000).
- Vigaru, B. C., Lambercy, O., et al. A robotic platform to assess, guide and perturb rat forelimb movements. IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng. 21 (5), 796-805 (2013).
- Martin, J. H., Choy, M., Pullman, S., Meng, Z. Corticospinal system development depends on motor experience. J Neurosci. 24 (9), 2122-2132 (2004).
- Murgia, A., Kyberd, P. J., Chappell, P. H., Light, C. M. Marker placement to describe the wrist movements during activities of daily living in cyclical tasks. Clin Biomech. 19 (3), 248-254 (2004).
- Simpson, J., Kelly, J. P. An investigation of whether there are sex differences in certain behavioural and neurochemical parameters in the rat. Behav Brain Res. 229 (1), 289-300 (2012).
- Hays, S. A., Khodaparast, N., et al. The isometric pull task: a novel automated method for quantifying forelimb force generation in rats. J Neurosci Meth. 212 (2), 329-337 (2013).
