Summary
Este manuscrito describe una tarea semiautomático que cuantifica la supinación en ratas. Las ratas alcanzaran, agarre y supinados un manipulandum esférico. La rata es recompensada con una pelotilla si el ángulo de giro supera un criterio establecido por el usuario. Ello aumenta el rendimiento, sensibilidad a la lesión y la objetividad frente a las tareas tradicionales.
Abstract
Las tareas que miden con precisión destreza en modelos animales son esenciales para entender la función de la mano. Tareas actuales de comportamiento de rata que medir destreza en gran medida utilizan vídeo análisis de manipulación alcanzar o alimentos. Mientras que estas tareas son fáciles de implementar y son robustas a través de modelos de la enfermedad, son subjetivas y laborioso para el experimentador. Automatización de las tareas tradicionales o la creación de nuevas tareas automatizadas puede hacer las tareas más eficiente, objetiva y cuantitativa. Puesto que las ratas son menos diestro que primates, centrales nervioso lesión del sistema (CNS) produce más sutiles déficits en destreza, sin embargo, supinación es altamente afectado en roedores y crucial dar función en primates. Por lo tanto, se diseñó una tarea semi-automatizada que mide la supinación de la extremidad delantera en ratas. Las ratas están capacitadas para alcanzar y agarrar un manipulandum en forma de botón y gire el manipulandum en supinación para recibir una recompensa. Las ratas pueden adquirir la habilidad de 20 ± 5 días. Mientras que la primera parte del entrenamiento es altamente supervisada, gran parte de la capacitación se realiza sin supervisión directa. La tarea de forma fiable y reproducible captura déficits sutiles después de lesión y muestra recuperación funcional que refleja con exactitud las curvas de recuperación clínica. Análisis de datos se realiza por software especializado a través de una interfaz gráfica de usuario que está diseñada para ser intuitiva. También damos soluciones a problemas comunes encontrados durante el entrenamiento y mostrar que las correcciones menores al comportamiento temprano de formación producen adquisición confiable de supinación. Así, la tarea de supinación de mando proporciona una evaluación eficiente y cuantitativa de un movimiento crítico para destreza en ratas.
Introduction
Una pérdida de destreza después de lesión del sistema nervioso o enfermedad disminuye significativamente la independencia y calidad de vida de los individuos afectados 1,2,3,4. Así, la destreza es una medida de resultado importante para la comprensión de la ciencia de reparación neural y rehabilitación como también los fundamentos del control neural del movimiento y aprendizaje motor. Tradicionalmente, se han utilizado tareas manuales como pellet solo llegar, manipulación de la pasta y Irvine, Beatties y Bresnahan (IBB) miembro anterior escala para evaluar la destreza en los animales, especialmente roedores 5, 6,7. Estas tareas han vuelto popularizadas debido a su tiempo de la adquisición mínima tarea. Sin embargo, son cualitativos en la naturaleza, laborioso para el experimentador y, a veces, insensibles a la debilitación funcional después de lesiones con déficit sutiles 5,7,8,9. Estas limitaciones de tareas tradicionales han estimulado el desarrollo de más medidas cuantitativas de la función motora en animales, en concreto, llegando a la extremidad delantera.
Hay varias ventajas para la automatización de las tareas, es decir, objetividad, mayor rendimiento y tiempo de análisis menor. Nuevas tareas automatizadas proporcionan una medida más sensible de evaluación de destreza después de lesión de tareas convencional 8,10. Además, permiten entrenamiento adaptativo y pruebas que adapta el entrenamiento y pruebas de dificultad para el desempeño de un animal. Por último, tareas automatizadas generan grandes cantidades de datos, que proporcionan dos ventajas. En primer lugar, un aumento en el número de ensayos y datos dentro de un ensayo aumenta la potencia estadística de un estudio. En segundo lugar, da a neurocientíficos un conjunto de datos más grande de que estudiar el aprendizaje motor, la formación y compensación más robusta a través de análisis de información cinética y cinemática 11.
Varios grupos han intentado automatizar tareas tradicionales. Cámaras de alta velocidad pueden utilizarse para reunir datos cinemáticos de tareas como el diábolo solo alcanzar tarea 12. Alaverdashvili y Wishaw han utilizado cámaras de alta velocidad para capturar los movimientos de alcanzar y analizar los movimientos de dígitos usando software de medición de movimiento de fotograma a fotograma Peak Motus 13. Sin embargo, este software no identificar dígitos usando visión por computador, pero en su lugar requiere que el experimentador digitalizar los puntos de movimiento de cursor. Además, algunas tareas se han utilizado conjuntamente con comederos y jaulas para automatizar el proceso de formación 14,15,16.
Otros grupos han utilizado sensores de fuerza, así como cámaras de alta velocidad para evaluar ajustes espaciales y de la fuerza en miembro anterior cualificado alcanzar utilizando la manipulación de la pasta, mientras que otros han diseñado las tareas para capturar más complejos movimientos 17. Una tal tarea es una tarea de alcance y tire que utiliza un dispositivo robótico de tres grados de libertad para capturar el movimiento planar y rotacional de rata forelimb movimientos 18. Esto tiene ventajas en ser capaz de medir la cinética de movimientos pero con un aumento en la complejidad y el costo.
Aquí, demostramos una tarea forelimb semi-automatizada que mide la supinación en las ratas 8. Supinación de la extremidad delantera es la rotación de la pata de la palma a Palma para arriba. Supinación es un excelente marcador de la función del tracto corticoespinal y un movimiento clínicamente relevante en los seres humanos que se requiere para el diario vivir actividades 8,19,20. Además, supinación es muy sensible a la lesión e inactivación, especialmente en comparación con pellet solo llegar a 8. La tarea de supinación, desarrollada en colaboración entre el Instituto de investigación médica de Burke y la Universidad de Texas en Dallas, movimiento de rotación de las medidas en el plano horizontal 8,10. Las ratas se colocan en un cuadro de comportamiento (figura 1A) y están capacitadas para hacer tres movimientos (figura 1B): a través de una abertura rectangular; agarre un manipulandum esférico; supinados ángulo señalado.
La tarea de comportamiento está controlada por software para PC (figura 1). El software de control envía instrucciones a un microcontrolador que está conectado al auto-posicionador, codificador óptico, altavoz y alimentador. El microcontrolador y sus conexiones periféricas se refieren a que el cuadro de microcontrolador. Información fluye del codificador óptico, al microcontrolador, luego la computadora y luego de vuelta al microcontrolador. Si el software de control ha dado señales al microcontrolador que el ensayo fue un éxito, el microcontrolador activa el alimentador para dispensar una pelotilla. Al principio de cada sesión, el software de control transmite la información de etapa para el microcontrolador, que dirige el posicionador automático para colocar el mando a distancia definida de la etapa de la abertura. El posicionador automático también puede funcionar manualmente mediante las teclas de flecha en el posicionador automático. El codificador óptico registra datos en cambios de medidas y 100 Hz en ángulo. Todos los datos se almacenan en formato binario.
El experimentador utiliza etapas de entrenamiento secuencial dentro del software para entrenar la rata de habituación a supinating a un ritmo predeterminado de ángulo y el éxito. Durante la habituación, el manipulandum perilla se coloca dentro de la ventana de apertura sin ningún contrapeso. Después de una semana de entrenamiento altamente supervisado, la rata asocia el botón con una recompensa y comienza a girar la perilla de forma independiente. Una vez que la rata es capaz de hacer independientemente, la perilla es retraída a 1,25 cm en 0.25 incrementos cm hasta que la rata puede girar independientemente de 1,25 cm. contrapeso es entonces añadida en incrementos de 1 g de 3 g a 6 g. automáticos formación etapas tren animal a supinate el mando en 6 g hasta 75 grados. Esta etapa de formación es en gran parte sin supervisión; una vez que las ratas adopten la tarea con forma apropiada (discutido abajo), continúan supinados correctamente. La formación es completa cuando las ratas supinados 75 grados a una tasa de éxito (hit rate) de 75% 8. Aquí, describimos un protocolo de entrenamiento típico y presente soluciones a problemas comunes que hemos encontrado. Demostrar la progresión de la representante de ratas exitosas y fracasadas a través del Protocolo de entrenamiento y mostrar que la tarea puede ser modificada para mostrar deterioro funcional con déficits sutiles o más severos.
Protocol
este protocolo describe la configuración de la tarea y estableciendo viviendo y alimentando las condiciones, así como los animales de la formación, pruebas animales después de la lesión y analizar datos de comportamiento. Los cuatro pasos de entrenamiento animal se describen así: habituación, Asociación de recompensa, contrapeso y a criterio de girar a ángulo. Todos los experimentos con animales fueron aprobados por el IACUC de Weill Cornell medicina y Universidad de Texas en Dallas.
1. ajuste a la tarea
- diseño de un cuadro de comportamiento hecho de plástico transparente que mide 150 mm de ancho por 200 mm de largo por 250 mm de alto.
Nota: Aquí, la abertura rectangular es 14,2 mm de ancho por 25,4 mm de alto. El manipulandum perilla de diámetro 9,5 mm está hecha con metacrilato y tiene dos paradas que limitan la supinación a menos de 100°. Cada uno de estos parámetros han sido probados y optimizados para los déficits descritos en la sección de resultados. El cuadro conductual y el manipulandum se muestran en la figura 1A. - Conecte la caja del microcontrolador a la computadora. Microcontrolador cuatro cajas pueden conectarse hasta a cada ordenador.
- Para comenzar la tarea, utilizar el software de control ( figura 1).
Dispositivo
- Seleccione la perilla para control. Entrada el nombre del tema en la " tema " campo. Elegir la etapa de formación bajo la " etapa " desplegable.
Nota: Las etapas establece tres parámetros para cada ensayo: la " ventana de golpe, " " umbral de golpe, " y " umbral inicial. " un golpe se define como alcanzar el ángulo de criterio dentro de un período definido de tiempo. " Ventana golpeó " se refiere al tiempo asignado a un animal iniciar un juicio y llegar al ángulo de criterio. " Umbral hit " es el ángulo de criterio para un juicio acertado. " Umbral inicial " es el ángulo de criterio para iniciar un juicio y golpeó la ventana; Esto indica el comienzo de la vuelta. Más información en etapas puede verse a continuación en la sección " formación animales. " - haga clic en " empezar " para comenzar la sesión de entrenamiento. Haga clic en " alimentación " para alimentar manualmente el animal y " dejar de " para detener la sesión de formación.
Nota: Alimentación Manual debe utilizarse para mantener el interés en la tarea y se describe en detalle en la sección 3. Después de suspender la sesión, los datos de sesión se guardará en la unidad C:.
- Seleccione la perilla para control. Entrada el nombre del tema en la " tema " campo. Elegir la etapa de formación bajo la " etapa " desplegable.
2. Condiciones de vida y alimentación
- uso adulto hembra ratas Sprague Dawley (175-200 g). Ratas de casa juntas en jaulas estándar con oscuro invertida 12 h/12 h de luz ciclo. Realizar toda la formación y prueba durante el ciclo oscuro con las luces atenuadas.
Nota: Se utilizan ratas hembras ya que son fáciles de entrenar 21. Aquí se utilizaron ratas Sprague-Dawley porque es una cepa común utilizada en el entrenamiento motor, y es la cepa predominante de transgénicos. Sin embargo, dada la naturaleza ajustable de la tarea (contrapeso, criterio del ángulo de giro, distancia a la perilla y perilla de sí mismo) estos pueden ajustarse fácilmente para diferentes cepas y más grande (por ejemplo, en los machos) o pequeñas (e.g. Wistar) ratas. - Para los primeros 5 días del estudio, las ratas un canal completo además de pellets con sabor a chocolate, nutricionalmente completas para cinco días. El quinto día, alimentos-restringir las ratas al 85% de su curva de peso normal.
- Después de restricción alimentaria ha comenzado, se alimentan las ratas 7,5 g de bolitas de chocolate (ajuste hacia arriba o hacia abajo para mantener el 85% de peso ajustada por edad) a lo largo de la totalidad de su formación. Si las ratas no han recibido 7,5 g de bolitas de chocolate en sus sesiones de entrenamiento, suplemento withstandard chow después de la sesión final.
Nota: Fin de semana la alimentación es ad libitum con chow estándar hasta el domingo por la noche, luego comida-privar durante la noche. Realización de cirugías u otras intervenciones invasivas, permiten alimento ad libitum al menos tres días antes y tres días después del procedimiento (dependiendo de los tiempos de recuperación) antes de poner las ratas en la restricción de alimentos otra vez.
3. Procedimiento de formación
Nota: en la Figura 3A se muestra un resumen del procedimiento de formación. A lo largo del Protocolo, entrenar las ratas dos veces al día, una vez en la mañana y una vez en la tarde. Esperar al menos 3 h después de la sesión de la mañana antes de comenzar la sesión de la tarde.
- Habituación
Nota: el objetivo de la habituación es familiarizar a la rata con la caja de pruebas y manejo.- Retraer completamente el dispositivo de mando presionando la tecla de flecha hacia abajo en el posicionador auto.
- Lugar la rata en el cuadro comportamiento de 15 min.
- Después de 15 min en la caja, manejar cada rata en las manos por lo menos cinco minutos a la rata al experimentador,.
- Repetirlo durante cinco días.
- Asociación de recompensa
Nota: el objetivo es entrenar la rata para asociar el giro de la perilla con una recompensa de comida. Esperar a pasar la duración de la sesión completa de 30 min en la tarea durante la etapa de Asociación de recompensa de la capacitación.- La rata nombre de entrada y abre el software. Establecer la etapa en " K1: perilla que forma - sin polea. "
Nota: Esto establece el manipulandum lejos de la abertura a 0.0 cm, el " Init. THRESH. " en 3°, " golpe Thresh. " en 5 grados, y " ventana golpeó " en 2 s. Esto permite que la rata de alimentación mientras la rata convierte el mando 3 últimos grados. El " golpeó ventana " permanecerá en 2 s a lo largo de la formación. - Colocar la rata en la caja de comportamiento y prensa " Inicio " para iniciar la sesión.
- Familiarizar la rata a través de la recompensa por suministro pellets de 2-3 a la vez y golpeando ligeramente el lado de la caja donde se encuentra el canal de la recompensa. Dispensar las pelotillas con el botón de alimentación manual.
- Una vez que la rata sabe la ubicación de la recompensa, dispensar manualmente 1 pellet cuando la rata está delante de la abertura.
- Una vez la rata se mueve a la apertura en anticipación de una recompensa de pellets, condición de la rata para interactuar con el manipulandum.
- Sugerirán el la rata colocando un pellet de alimentos 45 mg cerca el manipulandum, o aplicando polvo de pellets directamente en el manipulandum, lo que le permite acercarse y agarrarlo. Si la rata se mueve lejos de la abertura, puntee en el recuadro el manipulandum para redirigir su atención.
Nota: Si la rata ha tocado el mando con su pata alcanzar, el programa alimenta la rata. Las interacciones que no incluyen el uso de patas (es decir, morder, olfatea el manipulandum) son incorrectas y deben ser recompensadas no.
- Sugerirán el la rata colocando un pellet de alimentos 45 mg cerca el manipulandum, o aplicando polvo de pellets directamente en el manipulandum, lo que le permite acercarse y agarrarlo. Si la rata se mueve lejos de la abertura, puntee en el recuadro el manipulandum para redirigir su atención.
- Una vez que la rata comienza tocando la perilla con la pata deseada y obtener recompensa 10 veces consecutivas a 0.0 cm, utilice la tecla de flecha hacia abajo en el posicionador automático ( figura 1A) para retraer el manipulandum por 0,25 cm. repetir Este 0,25 cm en incrementos de hasta 1,25 cm de la abertura el manipulandum.
- Prensa " dejar de " después de 30 min para finalizar la sesión.
- Asociación de recompensa continúe la rata supinates el manipulandum con la pata deseada a 1,25 cm de la abertura ( figura 1B).
- Una vez que la rata ha completado 2 sesiones consecutivas supinating el manipulandum y recuperar la recompensa de la pelotilla, iniciar contrapeso formación.
- La rata nombre de entrada y abre el software. Establecer la etapa en " K1: perilla que forma - sin polea. "
- Contrapeso para entrenar a las ratas a supinate un contrapeso de 6 g.
- Lugar un 3 g de contrapeso en el manipulandum conectando el conector al final del contrapeso para el punto de Unión en forma de L en el manipulandum. La cadena de contrapeso de la alimentación a través de la polea hasta el contrapeso cuelga libremente.
- La rata nombre de entrada y software abierto. Establecer la etapa en " K2: mando formar - polea. "
Nota: Esto establece el manipulandum lejos de la abertura a 1,25 cm, el " Init. THRESH. " en 3° y el " HIT Thresh. " en 5 grados. La distancia manipulandum se mantendrá en 1,25 cm de este punto adelante. - Colocar la rata en la caja de comportamiento y prensa " Inicio " para iniciar la sesión.
- Prensa " dejar de " después de 100 pruebas acertados. Una vez que la rata ha completado 2 sesiones consecutivas de 100 ensayos exitosos, aumentar el peso de 1 g después del final de una sesión. Aumentar el peso de 3 g a 6 g, en posteriores sesiones.
- Proceder a paso 3.4 después de 2 sesiones consecutivas de supinación en 6 g y 100 + exitosos ensayos.
Nota: Tarda un promedio de 6 sesiones (3 días) a trabajar hasta de 3 g a 6 g. principios de entrenamiento de contrapeso, es imprescindible que movimiento de supinación correcta obtiene recompensado y recibe en forma de movimiento de supinación incorrecto hacia fuera. Para una guía visual y explicación sobre forma de supinación correctas e incorrectas, por favor refiérase a la figura 2.
- Formación a los valores basales
Nota: recuerda seguir al movimiento de supinación correcta forma. Otra vez, consulte la figura 2 para una guía visual en movimiento de supinación correcta/incorrecta y cómo mejorar la supinación incorrecta. Tren de las ratas al supinate a los criterios de referencia; aquí, se trata de 75 grados con un contrapeso de 6 g en una tasa de éxito del 75% o superior.- Coloque un contrapeso de 6 g en el manipulandum.
- La rata nombre de entrada y software abierto. Preparó el escenario " KSB4: mando de entrenamiento mediana 75 máximo "
Nota: Esto establece la " Init. Trillar. " en 5°, " golpe umbral mínimo " 15 °, y " máximo umbral de éxito " a 75°. Esto se llama un " adaptación " etapa de formación, lo que significa el umbral aumentará como la rata ' s mejora. Para el " KSB4 " etapa, el umbral se establece en primer lugar a la sesión anterior ' umbral final s. Si no hay ninguna sesión anterior fue ejecutada en esta etapa, el umbral se establece en el mínimo umbral de 15 grados. Después de los 10 primeros ensayos de la sesión, el umbral se calcula como la media del pico de los ángulos en los 10 estudios clínicos previos. Así, el umbral es diferente para cada ensayo y depende de la rata ' rendimiento de s en los ensayos anteriores. - Detener la sesión después de 30 min.
- Continuar formación con la etapa de adaptación hasta que el ángulo máximo promedio es de 75 grados o mayor. A continuación, proceda al paso 3.5. Esto generalmente ocurre después de 10 días o 20 sesiones.
- De la evaluación inicial para grabar cuatro líneas de base consecutivas
- Coloque un contrapeso de 6 g en el manipulandum.
- La rata nombre de entrada y software abierto. Establecer la etapa en " K27: 75 grados. " establece el " Init. Trillar. " en el 5 ° y " umbral de éxito en el 75°.
- Prensa " dejar de " después de 30 min o 100 ensayos, lo que ocurra primero, para poner fin a la sesión.
- Hasta hay cuatro líneas de base consecutivas con una tasa de éxito de 75% o superior.
4. Evaluación posterior a la lesión
- software abierto y de entrada el nombre de rata. Se estableció al mismo escenario estático como prueba de referencia antes de la lesión. Esto mantendrá los mismos parámetros utilizados para la línea de fondo.
- Prensa " empezar " y sesión hasta 30 minutos
Nota: La participación puede ser baja después de la lesión. Esto puede ser remediado usando el manual de alimentación botón o colocación de un diábolo de recompensa cerca el manipulandum para atraer a la rata con el manipulandum. - Repita la prueba una vez por semana en intervalos semanales hasta alcanzar la longitud deseada de la evaluación posterior a la lesión de.
Nota: Aquí, evaluar el rendimiento de la lesión cada semana durante seis semanas.
5. Analizar los datos de
Nota: los datos se guardan en una ubicación predeterminada en la unidad C: de una PC. Datos son capturados a 100 Hz durante la ventana de golpe y almacenados en formato binario. Aquí, los datos fueron analizados mediante un programa personalizado, llamado destreza. Correo electrónico Dr. Jason Carmel para el acceso a este software gratuito.
- Destreza abierta y haga clic en " estándar de. "
- Busque el directorio donde rata datos y seleccione la carpeta.
- Después de seleccionar el directorio, seleccione las ratas para análisis.
- Clic " guardar " o " descartar " mantener o descartar archivos que son incompletos o no contienen datos.
Nota: Hay veces cuando las sesiones se inician con los parámetros equivocados y etapa de formación y aunque pararon inmediatamente, todavía se crea un archivo. Este archivo debe descartarse durante el análisis. También hay casos, especialmente agudo después de lesión, cuando un animal lleva a cabo ningún ensayo debido a sus lesiones o ensayos muy poco. Para estas sesiones, un archivo debe mantenerse porque es una representación de su funcionamiento. Cuando se guarda un archivo con ningún ensayo exitoso, un NaN se coloca en el lugar apropiado para las variables computadas. - Elegir si desea anotar el experimento ahora o más adelante; si " anotar ahora " es seleccionado, se abrirá una ventana nueva. Escriba en el " nombre de experimentar, " " nombres de grupo, " " datos del evento, " y " Número Total de semanas " en el experimento de.
- Asignar temas a un grupo.
- De entrada el número de sesiones de datos en cada punto de la semana o el tiempo. Separar las sesiones de entrada por un espacio y asegúrate de no poner un espacio después del último número es decir, (1 1 1 1).
- De entrada de las etiquetas de punto de tiempo. Separar las etiquetas de entrada por un espacio y no se olvide poner un espacio después de la última etiqueta es decir (Pre Wk1 Wk2 Wk3).
- Seleccionar cuando se produjo el evento, aparecerá una opción para guardar la sesión de análisis. Haga clic en " sí " para guardar la sesión de análisis.
- Un resumen de los datos anotados y unannotated aparecerá. Esto da la opción de trama de datos.
- De datos unannotated, haga clic en " tema gráfico " para trazar un tema individual o " gráfico temas " para trazar todos los temas en el mismo gráfico.
- Para el análisis de la anotación, haga clic en " parcela " para trazar el experimento de.
- Tanto anotado como unannotated, haga clic en la flecha desplegable para obtener una lista de variables a ser graficados. Haga clic en la variable para ver la trama de.
- Haga clic en exportar para exportar el gráfico o los datos asociados con el gráfico.
Representative Results
Principios de entrenamiento, el experimentador pasa más tiempo en la tarea de formar el comportamiento de la rata. Como las ratas supinación de rata con recompensa, las manos en el tiempo disminuye (Figura 3A). Durante la habituación, la Asociación de recompensa y la formación de contrapeso, la duración de la sesión completa (30 min) se destina a la tarea. Sin embargo, después de que una rata es supinating con un peso de 6 g, el tiempo de tarea gradualmente disminuye a unos 15 minutos como incrementos de ángulo de supinación de la rata. Finalmente, cuando la rata llega a línea de fondo, el tiempo de tarea es mínimo; el experimentador sólo tiene que colocar la rata en el cuadro de comportamiento e inicie el programa. El número máximo de ratas que un experimentador puede trabajar simultáneamente con es dos ratas en asociación de recompensa, cuatro ratas durante entrenamiento y formación a los valores basales de los contrapesos, y tantas ratas como son cajas durante la evaluación inicial y pruebas después de la lesión. En promedio, 75% de las ratas (n = 56) adquirir la tarea.
Después de que la rata tiene asociados supinación con una recompensa, hay una progresión positiva en ángulo de supinación de la rata (figura 3B). En la figura 3B, la rata progresó de 3 g a contrapeso de 6 g desde el día 3 al día 7. Después formación de contrapeso, hubo un corto período de capacitación, adaptación del día 7 al día 9, durante la cual aumentado de 26 a 30 grados de supinación. Porque no hubo mucho cambio, se empleó un umbral estático desde el día 9 a 18. Durante este período, la rata aumentado de 30 grados a 75 grados en 8 días. Hay variabilidad día a día a través de capacitación, en particular, los días 12 y 14. Pero generalmente, existe una tendencia hacia arriba en ángulo de supinación. Al final de la habituación tras 17 días, la rata había grabado su primera línea de base, y cuatro sesiones más tarde, había acabada la evaluación inicial. De la habituación a la grabación de una cuarta línea de base, el protocolo de entrenamiento toma un promedio de 20 ± 5 días.
Aunque viendo una progresión ideal a través del Protocolo de entrenamiento es importante, viendo una progresión es igualmente importantes (figura 4). En la Figura 4A, la línea naranja muestra una rata que termina con éxito el protocolo, la línea azul muestra una rata fracasada, y líneas grises muestran otro seis ratas exitosa. Ratas éxito alcanzaron base en 15 ± 0,6 días (n = 7). La rata de éxito representativa utiliza un asimiento de la 1:00, mientras que la rata utiliza un asimiento de 3:00. Ambas ratas asocian la perilla con una recompensa en 2 días. Además, tanto las ratas muestran un avance de ángulo (Figura 4A) supinación similares en los primeros cuatro días después de que el contrapeso se agrega. Sin embargo, después de este punto, la rata de éxito comienza a romper con la rata de éxito. Esto es porque el asimiento de la rata era incapaz de corregirse antes de este punto (ver figura 2).
Para la rata de éxito, hay una subida escarpada en ángulo de supinación que comienza a meseta de entre 50 y 60 grados, pero luego se reanuda una subida mayor a 75 grados. Sin embargo, para la rata fracasada, hay un aumento más gradual en ángulo de supinación. Como la rata mesetas alrededor de 20 grados, la rata obtiene empujada a supinate más, pero con el tiempo, pierde interés en la tarea, incluso con alimentación manual, y el ángulo supinación disminuye rápidamente alrededor de habituación posterior al día 15. Aunque hay una leve recuperación después de la habituación posterior al día 17, la rata lucha supinados más de 25 grados. Si una rata no logra basal al día 20, consideramos que esta rata fracasada y quite la rata del estudio.
Además el ángulo de la supinación, uno puede realizar una inspección visual de las formas de onda de supinación (Figura 4B-D) para la rata de éxito y sin éxito. Cuando se realiza una inspección visual, buscamos varias características de forma de onda: pendiente de la línea, la latencia y el número de picos en la ventana de tiempo para el juicio. La pendiente de la recta se calcula como la derivada de la curva entre el inicio de la curva y el pico de la curva. La latencia se calcula como el tiempo entre la iniciación del juicio y la curva de cruzando el umbral de golpe. Por último, picos se calculan mediante el uso de la derivada para encontrar máximos locales en la ventana de prueba. Anteriormente, encontramos pendiente de la línea, o velocidad, es una medida robusta de la cinética de la supinación y es sensibles a los déficit sutil 8.
En el primer tercio de la formación después de comenzar a supinate usando 6 g (Figura 4B), la rata de éxito (Figura 4B1) muestra una sola forma de onda con un pico de cerca de 20 grados, mientras que la rata de éxito (Figura 4B2 ) muestra un giro doble, o dos picos, con el primer pico cerca de 10 grados y el segundo pico del cerca de 5 grados. En el tercio medio de la formación (figura 4), la rata de éxito (1defigura 4) muestra un aumento en ángulo del pico de 20 grados a 50 grados con una curva más definido, solo pico. La rata sin éxito (4 de la figura2), mientras tanto, sólo muestra una marginal aumento en ángulo del pico a 20 grados pero ha mejorado en su forma; ahora sólo utiliza una sola vuelta. Por el último tercio del entrenamiento (figura 4), la rata de éxito (1defigura 4) muestra una forma de onda muy pronunciado solo con un pico alrededor de 65 °, frente a la rata de éxito (4 de la figura2) con un ángulo máximo de 20 grados pero ahora con un pico adicional en 2 s de 15°. Este es otro buen indicador de que con la creciente dificultad de entrenamiento, la rata pudo corregir su alcance 3:00 y a su vez, incapaz de supinados correctamente. Incluso si esta rata no fue excluida del estudio y finalmente pudo realizar hasta 75 grados, quedan preguntas sobre si era verdadera supinación versus supinación con compensación.
Por último, la tarea de supinación detecta deterioro funcional después de múltiples tipos de lesiones, incluyendo una lesión corte del tracto corticoespinal, la vía principal para el movimiento voluntario en las personas y la lesión de corteza motora del miembro anterior con inyecciones de endotelina ()Figura 5) 8,10,22. Ratas en el grupo de pyramidotomy (púrpura, n = 8) entrenaron a supinate por lo menos 75° en 6 g en una tasa de éxito de 75% o superior, mientras que las ratas en el grupo de lesión cortical (verde, n = 10) fueron entrenados para supinados 60° a 7,5 g en 75% o superior. Ratas en ambos grupos mostraron una disminución aguda en la tasa de éxito después de la lesión (figura 5A). Tasa de éxito de las ratas en el grupo de pyramidotomy se redujo de 90 ± 2% y 14% ± 8%. El suctasa de CESS para las ratas con lesión cortical disminuido desde 76% ± 1% a 10% ± 3%. Semana 6, ambos grupos fueron aún deteriorados: el grupo de pyramidotomy fue en el 34% ± 11% mientras que el grupo de lesión cortical se mantuvo en 16% ± 7%. En cuanto a ángulo de supinación, ambos grupos muestran una disminución de antes a después de la lesión (figura 5B). Debido a los ángulos de supinación diferentes criterio base, el grupo de pyramidotomy tenía un mayor ángulo de previo a la lesión supinación (85° ± 2,9 °) que el grupo de lesión cortical (67° ± 0,52 °). El grupo de pyramidotomy se redujo a 38° ± 10° mientras que el grupo de lesión cortical disminuyó a 27° ± 2,9 °.
Figura 1: Descripción de tarea supinación. (A) la rata es colocada en una caja de plexiglás con una abertura a través del cual alcanza y agarra un mando que debe girarse en supinación. El mando tiene dos paradas para evitar ángulos de supinación mayores a 100°. El botón tiene también una polea con contrapeso; Esto crea a esfuerzo de torsión que la rata debe superar para supinados. El mando se conecta a un codificador óptico que mide el ángulo con una precisión de 0,25 °. Este codificador óptico está conectado a un microcontrolador, que a su vez está conectado a un ordenador que controla la tarea. El ordenador señales al microcontrolador cuando a disparo de audio respuesta y dispensar una pelotilla de la alimentación si se alcanza un criterio de éxito. El microcontrolador también controla al posicionador automático cuya posición entre 0 y 1,25 cm está determinado por la etapa de formación por ordenador. (B) la rata realiza la tarea en tres movimientos sucesivos: llegar a través de la abertura, agarrando el mando con un asimiento de la energía situado a 1:00 y supinating. (C) el botón de tarea de supinación es controlada por software de control. El experimentador entradas de nombre de objeto y elige la etapa de formación, mientras que el programa establece los parámetros correspondientes. Una forma de onda de una sola supinación exitoso ensayo se muestra en azul, mientras que la secuencia de pruebas acertados y fallados se muestran en verde y rojo, respectivamente. Un ensayo está marcado éxito por el software de control si el ángulo de la supinación es mayor que el umbral de éxito dentro de la ventana de tiempo definida, mientras que un juicio está marcado fracasado si no es así. Este programa controla una caja. Cuatro programas se pueden ejecutar simultáneamente por cada equipo. Esta figura ha sido modificada de Sindhurakar et al., 2017, neurorehabilitación y reparación Neural8. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Movimientos de supinación. Los diagramas y descripciones de los movimientos de supinación correctas e incorrectas comunes encontrados durante el protocolo de entrenamiento. Movimientos correctos permiten verdadera supinación, mientras que los movimientos incorrectos incluyen mecanismos compensatorios que pueden evitar cierto supinación. Se encuentran soluciones sugeridas para corregir movimientos incorrectos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3 : Protocolo de entrenamiento. (A) línea de tiempo estándar. Hay cinco períodos de entrenamiento dura aproximadamente 25 días en total: habituación (5d), Asociación de recompensa (1-3 d), entrenamiento con pesas (3-4 d), formación inicial (8-12 d), y de la evaluación inicial (2-4 d). El patrón de línea en la línea de tiempo señala el tiempo requerido del experimentador para gastar en la tarea de cada sesión. Como el protocolo de entrenamiento avanza, disminuye el tiempo de tarea. (B) progresión general de la capacidad de una rata supinados de Asociación de recompensa a la evaluación inicial. En general, hay una progresión lineal positiva de la rata hacia la línea de base, pero como se observa, existe variabilidad en el rendimiento de una rata en el protocolo de entrenamiento. Después de pesas, hay un período de entrenamiento adaptativo, donde el umbral de ángulo de supinación es cambiado para que coincida con el rendimiento de la rata. Este entrenamiento adaptativo es seguido por un paradigma estático umbralización hasta que la rata ha alcanzado la línea de base. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: Adquisición de tareas exitosas y fracasadas. Ángulo de progresión (A) de supinación durante entrenamiento protocolo para ocho ratas, siete exitosos y fracasados. Una rata representante que alcanza el criterio de línea de base (éxito, naranja) y una rata fracasada (azul) se utilizan más como estudios de caso. En los primeros siete días de la formación después de la habituación, tanto la rata de éxito y fracasada mostró avances similares en ángulo de supinación. Por habituación después del día 11, la rata de éxito fue supinating 55 ° mientras que la rata fracasada había supinado 25 °. Después de habituación posterior al día 15, la rata de éxito demostró una progresión ascendente fuerte, mientras que la rata disminuyó en rendimiento. En el último tercio de la habituación posterior al entrenamiento, la rata tenía plateaued en 30 ° mientras que la rata de éxito fue supinating 80 °. (B) forma de onda media (línea negra) con un intervalo de confianza del 95% (naranja para el éxito, azul para) para el primer tercio de la formación después de agregar 6 g de contrapeso. (B1) Rata de éxito - pico solo alrededor de 20°. (B2) Rata fracasada - doble pico con global máximo de 10°. (C) forma de onda media (línea negra) con un intervalo de confianza del 95% (naranja para el éxito, azul para) para el segundo tercio del entrenamiento después de agregar 6 g de contrapeso. (C1) Exitosa rata - solo pico a 45°. (C2) Rata fracasada - forma mejorada con solo pico cerca de 20°. (D) forma de onda media (línea negra) con un intervalo de confianza del 95% (naranja para el éxito, azul para) para el último tercio de la formación después de agregar 6 g de contrapeso. (D1) Rata de éxito - pronunciado pico solo a 65°. (D2) Rata fracasada - doble pico con global máximo a 20°. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5:fuerte > tarea de sensibilidad a los diferentes modelos de lesión. Ratas en el grupo de pyramidotomy (púrpura, n = 8) entrenaron a supinate 75° en 6 g en una tasa de éxito de 75% o superior, mientras que las ratas en el grupo de lesión cortical (verde, n = 10) fueron entrenados para supinados 60° a g 6 a 75% o superior. Datos son medias ± error estándar. (A) acierto para pyramidotomy lesión versus lesión cortical. Ambos modelos de lesión mostraron una fuerte disminución en la tasa de éxito de antes a después de la lesión (semana 1). Tasa de éxito de pyramidotomy disminuyó de 0,90 ± 0.02 a 0.14 ± 0,08, mientras que la tasa de éxito de lesión cortical disminuyó de 0.76 ± 0.01. (B) supinación ángulo para pyramidotomy versus lesión cortical. Ambos grupos mostraron una disminución de antes a después de la lesión: el grupo de pyramidotomy se redujo a 38,2 ° ± 10,1 ° mientras que el grupo de lesión cortical disminuyó a 27,1 ± 2,9 °. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Discussion
La tarea de supinación perilla evalúa supinación de forelimb en ratas utilizando métodos cuantitativos y semi-automatizados. Para lograr estos extremos, muchos de los parámetros diseñados para la tarea, incluyendo alineación de perilla, el manipulandum diseño y criterios de formación, se itera durante varios años. Alineación de perilla, experimentamos con tres alineaciones diferentes del mando con respecto a la apertura: lado izquierdo de la perilla de alineado con el lado izquierdo de la abertura, el botón de centrado en la apertura, y el lado derecho de la perilla de alineado con el lado derecho de la una perture. Nos acomodamos en la parte derecha de la perilla está alineada con el lado derecho de la abertura, como esta ratas producidos que fueron entrenados en la menor cantidad de tiempo y que supinado con mecanismos de compensación mínima, específicamente, interferencia de la pata izquierda.
En cuanto a diseño manipulandum, hemos alterado varias características de diseño para maximizar el giro con el miembro anterior y minimizar el uso del cuerpo. Además, hemos escalado la dificultad de la tarea a la severidad del déficit previsto. Después de pyramidotomy, supinación es el movimiento más fuertemente afectada, pero el deterioro es todavía relativamente sutil. Así, capacitamos a las ratas a un criterio de referencia superior (75°) para asegurarse de que los déficits se observaron después de la lesión. Para las lesiones corticales, que están deteriorando más, umbral de 60 grados a 7,5 g era suficiente para demostrar un déficit significativo después de la lesión. Parámetros adicionales que fueron optimizados a través de un enfoque de ensayo y error incluyen tamaño de abertura, distancia de mando de apertura y ventana de tiempo para lograr un juicio acertado.
Hay algunos puntos críticos a lo largo del Protocolo de entrenamiento que requieren cuidadosa supervisión. Cuando se entrena a la línea de base, el método de umbralización adaptativa ha utilizado con éxito para entrenar a las ratas a 75° 10. Sin embargo, las ratas puede meseta en un pico de ángulo inferior a 75°; el rendimiento sigue siendo el mismo después de 4-5 sesiones. Para mejorar el rendimiento, se puede emplear un umbral estático. Un umbral estático se refiere al umbral en un grado determinado, que es independiente del rendimiento de la rata, en comparación con un umbral adaptativo que cambios basados en los recientes resultados. Si la rata mesetas durante el entrenamiento adaptativo, el experimentador debe cambiar a un umbral estático. Entrenamiento estático etapas van desde 20 a 70 grados en incrementos de 10°. (Etapa K28 - K33). Elija el escenario estático basado en promedio máximo ángulo la rata en las sesiones anteriores 2. Por ejemplo, si la rata es un promedio de 45°, seleccionar el escenario estático de 50 grados (K31). Conjunto de todas las fases estáticas "Init. Trillar."en el 5 °. Durante el entrenamiento, si la rata pierde motivación, pase manualmente la rata si supinates cerca pero no sobre el umbral.
Además, durante la evaluación inicial, aproximadamente el 5% de las ratas regresan 5-10° en su ángulo de supinación y 5-10% en la tasa de éxito entre sesiones. Si esto sucede, y la rata no recupera el ángulo de 75° promedio pico después de 3-4 sesiones, disminuye la fase estática para dentro de 10 grados de ángulo promedio actual de la rata antes de volver a paso 3.5. Es importante no reintroducir una rata a las etapas de adaptación una vez que se ha colocado en etapas de entrenamiento estático.
Existen algunas limitaciones para la tarea. Una vez establecida la posición de asimiento incorrecto, puede ser difícil cambiar el comportamiento de agarre (figura 2). Por lo tanto, la corrección y la detección temprana es importante. Para corregir el asimiento de una rata, la abertura se puede modificar reduciendo el tamaño de la abertura en la dirección horizontal o vertical; típicamente nos pegue un portaobjetos de vidrio hasta el borde de la abertura que necesita ajuste. Para la mayoría de las ratas, esto mejora su forma de comprensión porque les obliga a agarrar el manipulandum en una manera específica. Esto, a su vez, mejora su capacidad adecuadamente supinados.
Además de este reto, las ratas pueden desarrollar mecanismos compensatorios para supinados. Estos incluyen el uso de la cabeza para ayudar el forelimb en supinación; bajar el codo y la articulación del hombro que girar la perilla; usando la pata izquierda para ayudar a girar el pomo o baje la pata alcanzar. De estos comportamientos puede utilizarse para completar con éxito la tarea. Como se mencionó anteriormente, comportamientos relativos a la comprensión pueden corregirse mediante la manipulación de la abertura. Mecanismos de compensación fuera el asimiento, sin embargo, exigen una participación activa por el experimentador no premiar comportamiento compensatorio. Después de la lesión, hemos observado las ratas tomando varios ensayos para colocar la pata en la posición correcta antes de supinating. Aunque no hemos analizado los componentes de la tarea podrían contribuir a la pérdida de la supinación, estos pueden incluir pérdida del control preciso de y con problemas de modulación de fuerza, entre muchas posibilidades.
La tarea de supinación semiautomático tarda, en promedio, 20 ± 5 días para entrenar a las ratas a línea de fondo, y 25% de los animales son incapaces de ser entrenados en la tarea. El tiempo de formación es el hecho de que no ha seleccionado naturalmente derecho preferencia ratas pero en cambio obligar a todos los animales para usar sus patas derecha como es común en los ensayos de llegar a la mayoría. No hemos probado usando ratas de preferencia de izquierda, pero sería un interesante estudio exploratorio para identificar primero pata preferencia y luego formar la pata dominante. Para acomodar esto, tenemos que voltear la orientación de las puertas para que el diafragma se invierte; Esto puede hacerse fácilmente.
En comparación con las tareas tradicionales como el IBB o pellet solo alcanzar, la tarea de supinación cuantitativa y objetivamente medidas llegar a miembro anterior. Muestra sensibilidad a lesiones graves (lesión cortical) y lesiones sutiles (pyramidotomy), y el procedimiento de formación puede modificarse dependiendo de la severidad de la modelo de la lesión. Ya que es semiautomático, la tarea permite al experimentador entrenar múltiples ratas al mismo tiempo, dependiendo de la etapa de formación. Esto mejora el experimentador y la productividad de la rata. La tarea es confiable y reproducible entre ratas. Mediante la creación de una guía (figura 2) para experimentadores para referirse durante el protocolo de entrenamiento, hemos estandarizado varios comportamientos incorrectos, así como soluciones para arreglarlos. Por último, la tarea ofrece un medio intuitivo para analizar grandes cantidades de datos y da al experimentador la posibilidad de ahondar en la cinética de la supinación.
En el futuro, utilizaremos la tarea supinación semiautomático como plataforma para evaluar el tipo, dosis y tiempo de rehabilitación. Nuestro laboratorio está interesado en los efectos de la estimulación en la mejora funcional después de lesiones. Además, estamos interesados en cómo las terapias que estimulan nervios reparacion o mejoran Conducción neural y comunicación puede afectar la rehabilitación. También tenemos interés en la modificación de la tarea para que sea compatible con electrofisiología para que podamos estudiar el aprendizaje motor; ratas con cabezatapas de realizan rutinariamente la tarea, y añadir un conmutador de grabación o estimulación sería simple de hacer. La tarea, como se describe, es para las ratas, pero también hay laboratorios de experimentación con el uso de ratones para la tarea. En general, esta tarea puede utilizarse para evaluar la función de forelimb en roedores en una amplia variedad de modelos de lesiones y enfermedades y a su vez, para la evaluación de estrategias de rehabilitación. Avanzando, que vamos a seguir mejorar la tarea, con refinamientos para ayudar a reducir comportamientos incorrectos y mejorar la tasa de adquisición de la tarea y tiempo de entrenamiento.
Disclosures
El Dr. Rennaker y Dr. Sloan son los dueños de Vulintus Inc., que fabrica el equipo en esta publicación. No hay conflictos de intereses declarado por otros autores.
Acknowledgments
Esta investigación ha sido financiada por NINDS NIH R03 NS091737.
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).
