使用自动训练器评估小鼠的熟练前向

摘要

评估培训对运动技能的影响的方法是一个有用的工具。不幸的是，大多数行为评估可能是劳动密集型和/或昂贵的。我们在这里描述了一种机器人方法，用于评估小鼠的自理（达到-抓握）技能。

摘要

我们描述了一种将天真的老鼠引入一种新颖的自命不及（达到把握）任务的方法。老鼠单独安置在笼子里，有一个正面槽，允许老鼠伸出笼子，取回食物颗粒。最小食物限制用于鼓励小鼠从槽中取回食物。当老鼠开始联想到槽里吃食物时，颗粒被手动拉开，以刺激爪子的延伸和刺激，通过正面槽抓住和取回颗粒。当小鼠到达槽时开始接触颗粒时，行为测定可以通过测量它们成功抓住并检索所需颗粒的速率来执行。然后，它们被介绍给一个自动训练器，自动为鼠标提供食物颗粒的过程，并记录成功和失败的到达和把握尝试。这允许以最小的工作量为多个小鼠收集到达数据，并酌情用于实验分析。

引言

实验测试运动技能前神经损伤和后神经损伤以及调整运动训练的时间、数量和类型的方法对转化研究具有重要意义。在过去的十年里，由于遗传操作的易用性，小鼠已经成为一种流行的模型系统，可以阐明损伤前和损伤后的运动学习机制。然而，小鼠的行为检测没有像其他哺乳动物（尤其是大鼠）那样得到优化。此外，老鼠和老鼠的行为之间有重要的区别，这强烈地暗示了以不同方式训练这两个^{物种1，2。}

熟练的前体运动使用手/爪将食物放入嘴里，操纵物体，或使用工具。事实上，伸手去掌握日常生活中的各种物体是上肢的基本功能，而伸手可吃的行为是许多哺乳动物使用的一种自我控制形式。许多遗传、生理和解剖学的变化，支持前恒技能的获取，已经在^领域3中得到了很好的定义。在将临床前发现转化为临床结果时，需要一个高效且可重复的相关测试。对啮齿动物和人类接触的研究表明，在人类^和动物中，习性行为是相似的。因此，这些相似性表明，前体测试可以作为研究运动学习以及人类疾病损伤和治疗的翻译模型。因此，评价小鼠的发病可以为研究健康和^{疾病状态的}转化研究提供强有力的工具。

不幸的是，老鼠的先验任务，即使是小规模的实验室设置，可能既费时又费时。为了缓解这个问题，我们在这里描述一个自动版本的预处理任务。所述任务要求小鼠通过小鼠的家笼正面槽伸出一只爪子，将延长的爪子拉上，抓住食物颗粒奖励，并将颗粒拉回笼子内部食用。所得数据以成功或失败的形式呈现。这种自动化成功地记录了数据，并减轻了研究人员必须承担任务的负担和时间。

方案

此处描述的所有方法均已获得约翰霍普金斯大学ACUC（动物护理和使用委员会）的批准。

1. 准备鼠标笼子供使用

1. 从每个保持架前端的底座创建宽度为 0.8 厘米和 7 厘米高度的开槽开口，如图1所示。这个槽作为动物到达的开口。
   注:自动训练器专为大多数动物研究用品供应商提供的标准小鼠笼尺寸（如图1所示）而设计。此外，自动培训器将可轻松支持其他保持架类型。
2. 在每个单独的笼子内，在槽旁边添加一个平台，让老鼠站立并到达呈现的颗粒。确保平台位于笼子垃圾地板上方，高度约为 3 厘米。使用用超级胶水粘贴的培养皿，用约 10 厘米 x 15 厘米的金属板盖住，但是，任何足够大的平面足够大，让鼠标站立即可到达。
3. 通过笼子前部中间创建一个垂直切口，宽 0.8 厘米，高 7 厘米，让鼠标从笼子中伸出爪子。
4. 从一块薄薄的金属片（约2毫米厚）切割一个笼门成矩形，尺寸为5厘米x10厘米，作为动物通过它到达的统一开口。
   注:老鼠可能会咀嚼塑料笼子，这将改变开口的大小。在使用胶带进行测试期间，当金属笼门被放置在笼子的开槽开口上时，鼠标将穿过这个 0.8 厘米的槽，保持笼子之间的槽的有效宽度。
5. 当鼠标未经过测试以防止垃圾从笼子中排出时，用胶带盖住每个笼子的插槽。

2. 将小鼠引入到达运动

1. 记录每只鼠标的起始重量，并计算该值的 85% 以查找其目标权重，如果结果较小，则舍入至 20 g。给他们一个喂食制度，让他们，然后保持这个目标的重量。
   1. 第一天给每只老鼠2.5克的颗粒，并在24小时后注意其重量的任何变化。
      注:每天称一次小鼠体重，预计每天体重下降0.25-1克。
   2. 根据需要更改每只小鼠的每日进给量，根据初始变化和每只小鼠体重的持续变化，以诱导逐渐减肥（每天减少 0.8 克以下），然后保持最终的目标重量。每天在三到六个 500 毫克颗粒（1.5 至 3.0 g）之间变化，以有效。
      注:小鼠保持这种饮食，以保持他们的目标体重在整个协议。
2. 当鼠标达到目标重量时，将每只鼠标引入到门槽上进行补充食物颗粒的概念。在球粒表面（直接位于槽前）放置 45 mg 颗粒，然后让每只鼠标取回训练。大多数小鼠将在1-2天内采取这种喂养安排。
3. 一旦鼠标将一个打开的槽与喂食，鼓励他们接触用爪子，而不是嘴。
   注意:这是最复杂的步骤，需要1-2天，在老鼠身上误入反作用是很容易的;有关详情及建议，请参阅讨论部分。
   1. 使用一对钳子，将颗粒放在鼠标以前取回的颗粒的相同位置。当鼠标开始咬取颗粒时，将其拉开约半厘米，使颗粒无法到达其嘴。
      注:鼠标在其目标重量将尝试检索无法触及的颗粒。每当鼠标伸出爪子通过槽，加强这种行为，允许它吃颗粒。有些老鼠在伸展食物时，可能表现出对一只爪子比另一只爪子的偏好。
   2. 虽然对实验没有帮助，但记录左爪或右爪是否优先。这可能允许在行为测定中提高总体成功率;或者，通过强迫每只鼠标用同一个爪子到达来消除一个变量。
      注:如果小鼠使用它们喜欢的爪子，则获得更好的结果。
   3. 由于每只小鼠将爪子伸出与吃颗粒联系在一起，因此通过抑制颗粒以响应试图用嘴和舌头取回颗粒来进一步强化这种行为。老鼠将在2至3天内开始遵守这一安排。
   4. 通过将 45 mg 颗粒放置在离笼门外边缘仅 1 厘米以下的位置，从而确定所需爪子到达行为的引入，以便颗粒的最左侧或最右侧点（无论是从调查员提供的笼子槽的右侧还是左侧）的透视（分别）与从网箱门槽边缘直接伸出的线相切。允许鼠标尝试检索颗粒，警惕删除颗粒，并防止其消耗，如果鼠标应该尝试一些其他方法比爪扩展。
      注:当鼠标始终伸出爪子抓住并能够触摸提供的颗粒时，它可以使用下面描述的自动训练器和相关的行为检测进行测试。从天真的介绍到准备的时间会有所不同;如果有需要两周以上才能理解的流器，则应从数据集中排除它们。

3. 使用自动培训器

注:有关自动培训师的硬件、软件和物理操作的完整说明，请参阅图 1-3和讨论部分。

1. 准备培训课程。
   1. 校准诱饵颗粒传感器。单击 LabVIEW 界面中的运行箭头，并注意诱饵颗粒传感器在有颗粒和无颗粒到位的情况下读取读数。单击"停止"按钮以停止此测试运行，并将诱饵颗粒传感器目标更改为这两个读数之间的值（图 3和表 2）。大多数照明条件提供介于 1 和 4 之间的读数。
   2. 将修改后的鼠标保持架放在自动训练器上 （图 2）。将保持架门固定（图1），并将颗粒与槽边缘对齐，就像手动步骤一样。
2. 使用 LabVIEW 界面运行鼠标的定型会话。
   1. 根据需要输入信息以记录有关培训课程的数据（图 3和表 2）。
      1. 单击"鼠标 ID"字段，使用计算机的键盘键入每个训练会话的文件名。
      2. 单击"常规期间要分配的总颗粒"，以控制单个实验（通常为 20 - 30）分配多少粒。为此，请单击向上和向下箭头或使用计算机键盘输入数字。
      3. 单击"球后暂停"字段，在从跳板中取出指示的颗粒后设置 5 s 暂停。为此，请单击向上和向下箭头或使用计算机键盘输入数字。
      4. 单击"暂停长度"字段，在从跳板上取出颗粒与分配新颗粒的时间之间设置暂停。为此，请单击向上和向下箭头或使用计算机键盘输入数字
         注: 通常 1 s 是适当的暂停时间。如果每次颗粒分配后小鼠焦虑，建议使用暂停长度字段将暂停长度增加到 5 s。
      5. 手动记录颗粒放置在"到达距离"字段中的距离。为此，请单击向上和向下箭头或使用计算机键盘输入数字
         注:加速和时间数组的大小公开用于调试目的，可能会忽略。
      6. 单击"文件夹以包含日志"字段以选择文件位置以保存收集的数据。
      7. 填写信息字段后，单击"运行"按钮开始培训课程。自动训练器将分配单个颗粒，并跟踪它们是否通过漏斗，直到分配颗粒总数，并且鼠标已检索或丢弃最后一个颗粒。此时程序将自动停止。如有必要，也可以通过单击"停止"按钮提前停止。
   2. 设置软件后，将鼠标的家庭笼子放在底座上进行测试，观察鼠标，以便测量鼠标是否确实学会了尝试所需的新颖到达行为。单击"运行"按钮后，允许鼠标调查插槽及其不熟悉的新环境。
      注意:与将小鼠引入接触的概念类似，希望有些小鼠比其他小鼠更合规。已经掌握了这个概念的老鼠应尽量在5-10分钟内达到，并将自动训练器的运动与呈现的颗粒联系起来，就像它们在本协议的初始阶段将未覆盖的槽与食物相关联时一样。

结果

通常，建议每个训练单元包含大约 20-30 个试用单元，这些试验可能由用户设置，由自动培训器自动运行，并每节和鼠标保存到单个日志文件中。每个试验可以连续运行，就在其他试验之后，暂停 2-5 s。在自动训练器上训练的老鼠在 10 次训练中表现出技能的提高。

为了将自动训练器的效用与手动训练（被认为是黄金标准）进行比较，我们手动使用自动训练器培训了 100 到 140 天的成年雄性 C57bl/6 小鼠。所有动物的处理和使用均根据约翰霍普金斯大学动物护理和使用委员会进行，并获得批准。与自动训练师一起训练的老鼠学习了预处理任务，并表现出运动技能的明显增加（图4）。这种技能的增加类似于在不使用自动训练器的情况下手动训练动物时所看到的（图4）。对于这些数据，当鼠标通过狭缝到达前肢，抓住颗粒，并吃了它，没有敲它，从它的休息空间，下降它，或任何其他...

讨论

我们的自动培训师以自动的方式评估前肢的伸向（前肢）。为了实现这一端点，许多专为小鼠捕集任务设计的参数，包括颗粒放置、颗粒大小和训练标准，已迭代数年，并根据以前的协议^{2、5进行修改，6}.这里的进步是使用机器人实现任务的自动化，该机器人允许家庭笼式外壳。家庭笼外壳使小鼠保持平静，以更少的焦虑执行任务。非家庭笼训练与压力增加有关，这可能导致时间增加和精度降低7，8，9。我们在这里展示的精度类似于我们自己的结果与手动家庭笼训练5，7，8。虽然家笼训练存在^大...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
ABS 丝	材定制 3D 打印	N/A	用于颗粒架、框架、臂和漏斗
ABS 板材	McMaster-Carr	8586K581	3/8 英寸厚;用于平台组件、定位支架导轨和底座
Adruino Mini	Adruino	A000087	nano 版本也兼容，以及其他类似的微控制器
台式可调节高度定位架	McMaster-Carr	9967T43	35磅负载能力
透明丙烯酸圆管	McMaster-Carr	8532K14	ID 3/8"
低碳 钢丝	McMaster-Carr	8855K14	0.148" 直径
颗粒分配器	Lafayette 仪器：Neuroscience	80209-45	带有 45 毫克可互换颗粒大小的轮和可选的支架
光断续器分线板	SparkFun	BOB-09322 ROHS	设计用于 Sharp GP1A57HRJ00F
反射物体传感器	Fairchild Semiconductor	QRD1113	光电晶体管输出
伺服电机	SparkFun	S8213	通用金属齿轮（微型尺寸）
透射式光电断路器	夏普	GP1A57HRJ00F	间隙：10 mm，狭缝：1.8 mm