Die Tiere wurden mit vier weiblichen Ratten in einem Koloniekäfig und vier männlichen Ratten in einem separaten Koloniekäfig trainiert und getestet. Alle Ratten lernten, die ORTs in vier Tagen oder weniger zu passieren. Die vier weiblichen Ratten erreichten in etwa 6 Wochen Training >85% erfolgreiche Kämpfe mit dem Kraftbedarf von 120 g, und die männlichen Ratten erreichten das gleiche Kriterium in 10 Wochen (im Vergleich zu etwa 3 Wochen beim Standardtraining mit entbehrungsreichen Ratten)7. Diese Schulungsdauer wurde aufgrund mehrerer Hardware- und Softwarefehler, die eine kontinuierliche Fehlerbehebung zwischen Woche 2 und 6 erforderten, erheblich verlängert. Sobald diese Störungen behoben waren, verlief das Training reibungslos, und es wird erwartet, dass die nachfolgenden Trainingszeitpläne mit der aktuellen Literatur vergleichbar sein werden7. Die männlichen Ratten wurden auch länger trainiert, um einer männlichen Ratte mehr Möglichkeiten zu geben, mit dem Ziehen zu beginnen; Er tat dies jedoch nie und wurde nach Woche 7 von weiteren Analysen und Operationen ausgeschlossen. Sobald sich die Leistung der Ratte zu Studienbeginn stabilisiert hatte, wurden für jeden Käfig 5 Tage lang Ausgangsdaten vor dem Schlaganfall erhoben. Die Daten beschränkten sich auf Tage, an denen der ORT den ganzen Tag über mit dem Käfig verbunden blieb (an einigen Tagen waren haltungsbedingte vorübergehende Abschaltungen erforderlich). Für den weiblichen Käfig lagen die Ausgangstage 7, 8, 9, 10 und 12 Tage vor dem Schlaganfall. Bei den Männern lagen die Ausgangstage 8, 9, 10, 11 und 13 Tage vor dem Schlaganfall.
Während ihrer Schlaganfall-Induktionsoperationen wurden den Tieren in dieser Validierung gleichzeitig Elektroden implantiert, die mit drahtlosen Empfangschips verbunden waren, entweder in ihrem basalen Vorderhirn (Koordinaten -5,8 mm anterior/posterior, 0,7 mm links medial/lateral, 8,3 mm dorsal/ventral) oder in ihrem ventralen tegmentalen Bereich (Koordinaten -2,3 mm anterior/posterior, 3,3 mm links medial/lateral, 7,0 mm dorsal/ventral). Diese Implantate waren für die Verwendung in einem anschließenden Wiederherstellungsexperiment vorgesehen und sind für die hier berichtete Validierung des Koloniekäfigs nicht relevant. Die Implantate waren so konzipiert, dass die Haut über ihnen geschlossen werden konnte, wobei sich die Aufnahmechips subkutan unter dem linken Arm befanden.
Ein weibliches Tier starb während der Schlaganfalleinleitung. Ein anderes Weibchen begann einige Tage nach der Genesung abzunehmen, da es nach einem Schlaganfall nie am Griff gezogen hatte. Nach ihrer Euthanasie stellte sich heraus, dass sie wahrscheinlich einige Zeit nach ihrem Schlaganfall eine Hirnblutung erlitten hatte. Diese beiden Tiere wurden vollständig aus dem Datensatz eliminiert, einschließlich der Beurteilung vor dem Schlaganfall.
Nach einem Schlaganfall begannen die Tiere nicht sofort wieder mit dem regulären Hebelziehen, obwohl sie weiterhin über den ORT in die Kammer eindrangen und durch kurze Sitzungen der manuellen Formgebung ermutigt werden mussten (d. h. reduzierter Hebelabstand und Belohnungen, die davon abhängig waren, dass sie sich dem Hebel näherten oder versuchten, den Hebel zu ziehen). Weibliche Ratten zogen an den Tagen 4-7 nach dem Schlaganfall nicht und erhielten daher an den Tagen 8-11 zusätzliches Hebelködern (d.h. einen Klecks Erdnussbutter auf den Hebel) und manuelles Formen. An Tag 11 begannen sie, selbstständig zu ziehen. Die Männchen durften sich bis zum 6. Tag erholen, basierend auf früheren Erfahrungen mit den Weibchen. Sie zogen am Tag 6 nach dem Schlaganfall nicht. Sie erhielten an Tag 7 zusätzliche Köder. Sie begannen am 8. Tag nach dem Schlaganfall selbstständig zu ziehen. Sobald die Tiere wieder mit der Verstärkung für Zugversuche in Kontakt kamen, wurde das zusätzliche Ködern oder Formen eingestellt und Daten nach dem Schlaganfall gesammelt. Die Männchen zogen an Tag 8 nichtgenug, um die komplexeren abhängigen Variablen (zirkadiane Messungen und Pausen nach der Episode) vollständig zu analysieren, so dass sie am 9., 10. und 11. Tag unter demselben Kriterium weiterziehen durften. Der 8., 10. und 11. Tag waren komplette Tage. Der erste Tag des Ziehens nach dem Schlaganfall wurde für alle Analysen mit Ausnahme der zirkadianen Analyse und der Analyse der Pausen zwischen den Kämpfen verwendet; Für diese Analyse wurden der eine Tag für die Weibchen und die drei vollständigen Tage für die Männchen verwendet. Für die Analyse nach einem Schlaganfall lieferten die beiden weiblichen Ratten 55 und 844 Züge an einem Tag und die drei männlichen Ratten 536, 153 und 190 Züge an drei Tagen.
Die Daten wurden nach Pulls und Bouts organisiert. Um ein Zittern zu vermeiden, das vom Gerät selbst ausgeht, wurden die Zugspannungen mit einem Schwellenwert von 5 g und einer Hysterese von +/- 1 g gemessen. Ein Zug wurde registriert, wenn das Tier einen Druck von mehr als 6 g ausübte, und stoppte, wenn der Griff eine Kraft von weniger als 4 g registrierte. Die Tiere neigten dazu, in Anfällen von mehreren schnellen Zügen zu ziehen. Sobald ein einzelner Zug 120 g erreichte, wurde Verstärkung geliefert. Ein Anfall wurde als eine Anhäufung von Pulls betrachtet, deren Spitzen alle weniger als 1 s voneinander entfernt waren. Dieser Schwellenwert wurde auf der Grundlage früherer Daten ausgewählt, die darauf hindeuteten, dass sich auf natürliche Weise ein Cluster zwischen den Spitzenzeiten unter 1 s entwickelte und andere Zwischenintervalle zwischen den Spitzenzeiten zuverlässig viel länger waren. Ratten zogen in der Regel viele Male hintereinander, bevor sie den Futternapf besuchten, selbst wenn frühere Züge im Kampf den Futternapf aktivierten.
Insgesamt wurden 7 abhängige Variablen analysiert. Es wurde ein gepaarter t-Test zwischen den Ausgangsdurchschnitten und den Messungen nach dem Schlaganfall durchgeführt, die in Abbildung 1, Abbildung 2 und Abbildung 3 dargestellt sind. Diese Zahlen zeigen auch Daten nach einzelnen Tieren, um einen Eindruck von den zu erwartenden Unterschieden zwischen den Tagen und zwischen den Individuen für jede Maßnahme zu vermitteln.
Abbildung 1 zeigt die Leistung vor und nach einem Schlaganfall entlang verschiedener Leistungsmaße, die für die Beurteilung der Reichweite von Fachkräften typisch sind 7,8,10. Alle Daten nach einem Schlaganfall wurden zu einem einzigen Datenpunkt aggregiert, auch wenn es mehrere Tage dauerte, bis genügend Studien durchgeführt wurden. Das Protokoll und das automatisierte, selbstinitiierte System bewerteten erfolgreich die Erfolgsrate pro Kampf, die mittlere Kraft pro Zug und die Züge pro Kampf, die alle eine Empfindlichkeit gegenüber dem Schlag mit unterschiedlicher statistischer Signifikanz zeigten.
Abbildung 2 zeigt zwei neuartige Variablen, die sich aus dem Koloniekäfig-ORT-Setup ergeben: Sitzungsinitiierungen und kumulative Sitzungsdauer. Überraschenderweise hatte der Schlaganfall keinen Einfluss auf die Initiierung der Sitzung. Frauen begannen sowohl vor als auch nach dem Schlaganfall zuverlässig mehr Sitzungen als Männer, veränderten jedoch ihre Rate nach dem Schlaganfall nicht. Umgekehrt verlängerte sich die Verweildauer in der Kammer bei den meisten Ratten, möglicherweise aufgrund der verringerten Erfolgsrate der Kämpfe (was zu einer verringerten Belohnungsrate führte)
Die Initiierung der Sitzung (die eine Wahl zwischen Bereicherung und sozialen Belohnungen im Koloniekäfig und der Nahrungsverstärkung darstellt) und die Dauer der Zeit in der Kammer (im Falle einer konditionierten Platzpräferenz mit dem Wert der Belohnung) könnten ebenfalls als Motivationsindikatoren angesehen werden 24,25,26,27. Zusätzliche motivationsbasierte Messungen wurden einbezogen, wie z. B. "Anstrengung", quantifiziert durch Züge pro Sitzung, Minute28 und Pausen zwischen den Kämpfen29, die in Abbildung 3 zu sehen sind. Diese Variablen wurden durch den Schlaganfall beeinflusst. Wie erwartet verringerte sich die Anzahl der Züge pro Sitzungsminute und die Dauer der Pausen zwischen den Kämpfen. Die Änderungen bei letzterem Maß waren jedoch komplex. Die Verteilung der Kampfpausen schien chaotischer zu werden, einschließlich längerer Pausen, einiger sehr langer Pausen und auch mehr kurzer Pausen. Dies kann auf einen Ausfall der ursprünglichen motorisierten Einheit hindeuten; Wenn ja, könnte es ein leicht messbarer Index dafür sein.
Trotz der kleinen Gruppengröße wurde untersucht, ob eine der gemessenen Variablen Korrelationen mit der Erfolgsrate aufwies, was möglicherweise auf ihre funktionelle Bedeutung hindeutet. Shapiro-Wilk-Tests wurden durchgeführt, um die gleichen Verteilungen der Daten für die Variablen Erfolgsrate, mittlerer Spitzenzug, Kampf pro Minute, kumulative Sitzungsdauer, Pausen zwischen den Kämpfen und Züge pro Kampf zu ermitteln. Der Shapiro-Wilk-Test zeigte, dass die Verteilung einiger Variablen erheblich von der Normalverteilung abwich. Daher wurden Spearmans Rangordnungskorrelationen durchgeführt, um die Beziehung zwischen der Erfolgsrate vor oder nach dem Schlaganfall und den folgenden Variablen zu bestimmen: mittlerer Peak, Zugkampf pro Minute, kumulative Sitzungsdauer, Pausen zwischen den Kämpfen und Züge pro Kampf. Keine Variablen vor dem Hub, außer der mittleren Zugkraft, waren signifikant mit der Erfolgsrate korreliert (siehe Tabelle 1). Nach einem Schlaganfall zeigten die meisten Variablen auch keine signifikante Korrelation mit der Erfolgsrate, mit Ausnahme der mittleren Zugkraft (Tabelle 1).
Schließlich ermöglicht der ORT nicht nur die Analyse des motorischen Verhaltens, sondern auch der zirkadianen Musterung. Abbildung 4 zeigt den Anteil jeder Stunde für jeden Käfig, in dem der ORT belegt war, dargestellt als Durchschnitt über die Ausgangstage und die Tage nach dem Schlaganfall. Die blaue Linie in der Abbildung zeigt die gemittelte Anzahl der im Laufe des Tages getätigten Einträge pro Stunde an. Vor dem Schlaganfall beschäftigten sich die Tiere morgens auf hohem Niveau mit der geschickten Greifaufgabe, wodurch sich ihre Dauer im Laufe des Tages verkürzte. Einige Stunden vor dem Einschalten der Lichter stieg das Engagement entweder wieder an (Weibchen) oder nahm sehr leicht zu (Männchen), bevor es kurz nach dem Einschalten der Lichter abbrach. Diese bimodale zirkadiane Verteilung veränderte sich nach dem Schlaganfall vollständig. Die Tiere beschäftigten sich morgens weniger, und ihre Zeit in der Kammer erreichte später am Tag ihren Höhepunkt. Eine solche Musterung kann den allgemeinen Schlaf und zirkadiane Störungen widerspiegeln, die häufig nach einem Schlaganfall beobachtet werden 30,31,32,33.

Abbildung 1: Messung der typischen Leistungsänderungen in der qualifizierten Reichweite nach einem Schlaganfall mit dem ORT-Verfahren. Die Leistung der qualifizierten Reichweite vor und nach dem Schlaganfall wurde gemessen. Die täglichen Durchschnittswerte pro Tier für die Erfolgsrate pro Kampf, die mittlere Kraft pro Zug und die Anzahl der Züge pro Kampf werden über 5 Tage des Ausgangswerts und einen Tag nach dem Schlaganfall (links) und zwischen einem Durchschnitt des Ausgangswerts und einem Tag nach dem Schlaganfall (nach dem Schlaganfall) mit gemeldeten gepaarten t-Tests angezeigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 2: Unterschiedliche selbstinitiierte Sitzungsparameter zeigen unterschiedliche Tendenzen, sich nach einem Schlaganfall zu verändern. Die Messung der Selbstinitiierung für Sitzungen mit qualifiziertem Griffverhalten vor und nach einem Schlaganfall wurde durch das ORT-Verfahren ermöglicht. Die täglichen Durchschnittswerte nach Tieren für Sitzungsbeginne und die kumulative tägliche Sitzungsdauer werden über 5 Tage nach Studienbeginn und einen Tag nach dem Schlaganfall (links) sowie zwischen einem Durchschnitt des Ausgangswerts und einem Tag nach dem Schlaganfall (nach Schlaganfall) mit berichteten gepaarten t-Tests angezeigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 3: Motivationsbezogene Variablen verändern sich nach einem Schlaganfall. Es wurden die Leistungsmaße von Sitzungen zum qualifizierten Reichweitenverhalten vor und nach einem Schlaganfall in Bezug auf die Motivation bestimmt. Die täglichen Durchschnittswerte pro Tier für die Pausendauer zwischen den Anfällen und die tägliche Anzahl der Anfälle pro Sitzungsminute werden über 5 Tage nach dem Ausgangswert und einen Tag nach dem Schlaganfall (links) und zwischen dem Durchschnitt des Ausgangswerts und einem Tag nach dem Schlaganfall (nach dem Schlaganfall) mit gemeldeten gepaarten t-Tests angezeigt. Die Pausen zwischen den Kämpfen veränderten sich in Bezug auf diese Tagesdurchschnitte, aber noch auffälliger war, dass sich auch die Verteilung der einzelnen Pausenlängen nach dem Schwimmen auf beiden Seiten des Durchschnitts änderte. Einzelne Pausenlängen werden für alle Tiere gepoolt und als Verteilungen auf einer Log-Achse (ganz rechts) dargestellt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 4: Die zirkadiane Musterung der selbstinitiierten Sitzungen ändert sich nach einem Schlaganfall. Es wurden die Maße der zirkadianen Musterung von selbstinitiierten Sitzungen mit qualifiziertem Reichweitenverhalten vor (links) und nach (rechts) Schlaganfall für alle Tiere, Weibchen und Männchen, bestimmt. Diese Daten umfassen alle Eingänge und alle Zeiten der Kammerbelegung pro Käfig, gemittelt über die Tage vor und nach dem Schlaganfall. Die beiden Käfige werden dann erneut gemittelt, um die Gesamtverteilungen anzuzeigen (obere Reihe). Zu den Mustern vor dem Schlaganfall gehörte ein hohes Engagement am Morgen, das im Laufe der Wachphase abnahm und kurz vor der Schlafphase einen neuen Höhepunkt erreichte. Muster nach einem Schlaganfall zeigen, dass die Sitzungsdauer im Laufe des Tages zunimmt und vor der Schlafphase ihren Höhepunkt erreicht. Die Ratten befanden sich in ihrem Stallzimmer auf Rückfahrlicht. Die Einschaltzeit wird grau schattiert dargestellt, um die normale Inaktivitätszeit der Ratte anzuzeigen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
| Korrelationen |
| Variablen | Vergleichsvariable | Spearman |
| n | Vor dem Schlaganfall rs | p | Nach dem Schlaganfall rs | p |
| Mittlere Zugkraft | Erfolgsquote | 5 | 1 | 0,001 < | -0.975 | 0.005 |
| Pull Bout pro Minute | Erfolgsquote | 5 | 0.3 | 0.624 | -0.154 | 0.805 |
| Kumulative Sitzungsdauer | Erfolgsquote | 5 | -0.1 | 0.873 | 0.564 | 0.322 |
| Pausen zwischen den Kämpfen | Erfolgsquote | 5 | -0.6 | 0.285 | 0.205 | 0.741 |
| Züge pro Kampf | Erfolgsquote | 5 | 0.1 | 0.873 | -0.821 | 0.089 |
Tabelle 1: Spearman-Korrelationskoeffizienten zwischen Variablen. Spearmans Rangordnungskorrelationen wurden durchgeführt, um die Beziehung zwischen der Erfolgsrate vor oder nach dem Schlaganfall zu bestimmen, und es wurden die folgenden Variablen bestimmt: mittlerer Peak, Zugkampf pro Minute, kumulative Sitzungsdauer, Pausen zwischen den Kämpfen und Züge pro Kampf. Vor der Korrelation wurden Shapiro-Wilk-Tests durchgeführt, um die Erfolgsrate aller Testvariablen gleichmäßig zu verteilen, und zeigten, dass einige Variablen signifikant von der Normalität abwichen. Keine Variablen vor dem Schlag, außer der mittleren Zugkraft, waren sinnvoll mit der Erfolgsrate korreliert. Diese Tabelle zeigt die Ergebnisse der Spearman-Korrelationskoeffizienten (ρ), die bewertet wurden, wenn es einen Zusammenhang zwischen der Erfolgsrate und fünf Testvariablen gab.
Ergänzende Datei 1: Schritte zum Aufbau des ORT. Anleitung zum Drucken und Bauen eines "One Rat-Drehkreuzes". In der Anleitung enthalten sind eine Liste aller benötigten Materialien sowie eine Schritt-für-Schritt-Anleitung (mit Bildern). Die Datei enthält auch Anweisungen zum Anbringen eines Mikroschalters zur Registrierung von Ein- und Ausgängen sowie die Verkabelung und Programmierung zum Anbringen eines RFID-Lesegeräts. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Codierungsdatei 1: Dazu gehören alle Komponenten, die für den 3D-Druck des "One Rat Turnstile" benötigt werden. Diese Datei kann entweder direkt verwendet oder über die Anweisungen in der Zusatzdatei 1 aufgerufen werden. Alle Komponenten in dieser Datei müssen mit dem mitgelieferten "Lineal"-Stück skaliert werden (siehe Zusatzdatei 1 für weitere Details). Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.