Évaluer la préhension des personnes qualifiées chez les souris à l'aide d'un auto-formateur

Résumé

La méthode d'évaluation de l'impact de la formation sur la motricité est un outil utile. Malheureusement, la plupart des évaluations comportementales peuvent être laborieuses et/ou coûteuses. Nous décrivons ici une méthode robotique d'évaluation de la préhension (atteindre-à-grasp) compétence chez les souris.

Résumé

Nous décrivons une méthode pour introduire des souris naïves à une nouvelle préhension (atteindre-à-grasp) tâche. Les souris sont logées individuellement dans des cages avec une fente frontale qui permet à la souris d'atteindre hors de sa cage et de récupérer des granules de nourriture. Une restriction alimentaire minimale est utilisée pour encourager les souris à effectuer la récupération des aliments à partir de la fente. Comme les souris commencent à s'associer à venir à la fente pour la nourriture, les granulés sont manuellement retirés pour stimuler l'extension et la pronation de leur patte pour saisir et récupérer la pastille à travers la fente frontale. Lorsque les souris commencent à atteindre pour les granulés comme ils arrivent à la fente, l'analyse comportementale peut être effectuée en mesurant la vitesse à laquelle ils ont réussi à saisir et à récupérer le granule désiré. Ils sont ensuite présentés à un auto-formateur qui automatise à la fois le processus de fourniture de granulés de nourriture pour la souris à saisir, et l'enregistrement des tentatives réussies et échouées atteindre et saisir. Cela permet de collecte de données d'atteinte pour plusieurs souris avec un minimum d'effort, à utiliser dans l'analyse expérimentale, le cas échéant.

Introduction

Les méthodes pour tester expérimentalement une compétence motrice avant et après- des dommages neurologiques aussi bien que moduler le moment, la quantité, et le type de formation de moteur sont importantes à la recherche translationnelle. Au cours de la dernière décennie, les souris, en raison de la facilité de manipulation génétique qui s'enesticie, sont devenues un système modèle populaire dans lequel il est devenu pour élucider les mécanismes de l'apprentissage moteur avant et après les blessures. Cependant, les tests comportementaux chez les souris n'ont pas été optimisés de la même manière que de tels essais ont été pour d'autres mammifères (en particulier les rats). En outre, il existe des différences importantes entre le comportement d'une souris et d'un rat qui suggèrent fortement la formation des deux espèces de manières différentes^1,2.

Les mouvements préhensiles habiles utilisent une main/patte pour placer la nourriture dans la bouche, pour manipuler un objet, ou pour employer un outil. En effet, atteindre saisir divers objets dans la vie quotidienne est une fonction fondamentale des membres supérieurs et l'acte de portée-manger est une forme de préhension que de nombreux mammifères utilisent. Bon nombre des changements génétiques, physiologiques et anatomiques qui sous-tendent l'acquisition de compétences préhensiles ont été bien définis dans le domaine³. En traduisant les résultats précliniques en résultats cliniques, on a besoin d'un test pertinent qui soit efficace et reproductible. Des études sur la portée des rongeurs et des humains démontrent que le comportement de préhension est similaire chez l'homme et chez les animaux⁴. En conséquence, ces similitudes suggèrent que l'essai de préhension peut servir de modèle translationnel pour étudier l'apprentissage moteur aussi bien que des affaiblissements et des traitements de la maladie humaine. Par conséquent, l'évaluation de la préhension chez la souris peut offrir un outil puissant dans la recherche translationnelle étudiant à la fois la santé et les états de la maladie⁴.

Malheureusement, la tâche de préhension chez la souris, même pour un cadre de laboratoire à petite échelle, peut être laborieuse et longue. Pour atténuer ce problème, nous décrivons ici une version automatisée de la tâche de préhension. La tâche décrite exige que les souris étendent une seule patte à travers la fente frontale de la cage de la souris, pronate la patte étendue, saisissent la récompense de granule de nourriture, et tirent le granule de nouveau à l'intérieur de cage pour la consommation. Les données obtenues sont présentées comme un succès ou un échec de préhension. Cette automatisation enregistre avec succès les données et réduit le fardeau et le temps avec lesquels les chercheurs doivent s'engager dans la tâche.

Protocole

Toutes les méthodes décrites ici ont été approuvées par l'ACUC (Comité des soins et de l'utilisation des animaux) de l'Université Johns Hopkins.

1. Préparation des cages de souris pour utilisation

1. Créez une ouverture à fentes avec des dimensions de 0,8 cm de largeur et 7 cm de hauteur de la base à l'extrémité avant de chaque cage, comme illustré dans la figure 1. Cette fente sert d'ouverture par laquelle l'animal atteindra.
   REMARQUE : L'auto-formateur a été conçu pour l'usage avec les dimensions standard de cage de souris (comme indiqué dans la figure 1) fournie par la plupart des fournisseurs de fourniture de recherche animale. En outre, l'auto-formateur soutiendra facilement d'autres cage-types.
2. À l'intérieur de chaque cage individuelle, ajouter une plate-forme adjacente à la fente pour permettre aux souris de se tenir debout et d'atteindre les granulés présentés. Assurez-vous que la plate-forme est située au-dessus du plancher de litière de la cage, d'environ 3 cm de hauteur. Utilisez des plats Petri apposés avec de la superglue et recouverts d'une feuille de métal d'environ 10 cm x 15 cm, cependant, toute surface plane assez grande pour qu'une souris se dressent pour atteindre sera suffisante.
3. Créez une encoche verticale à travers le milieu de l'avant de la cage mesurant 0,8 cm de diamètre et 7 cm de haut qui permettra à une souris d'atteindre sa patte hors de la cage.
4. À partir d'une mince feuille de métal, (environ 2 mm d'épaisseur) coupeune une porte de cage en rectangles mesurant 5 cm x 10 cm pour servir d'ouverture uniforme à travers laquelle l'animal doit atteindre.
   REMARQUE : Les souris peuvent mâcher des cages en plastique qui changeraient la taille de l'ouverture. La souris atteindra à travers cette fente de 0,8 cm lorsque la porte de la cage métallique est placée au-dessus de l'ouverture fente de la cage pendant l'essai à l'aide de ruban adhésif, en maintenant la largeur effective de la fente entre les cages.
5. Couvrez la fente de chaque cage avec du ruban adhésif lorsque sa souris n'est pas testée pour empêcher l'extase d'être expulsée de la cage.

2. Présentation de souris au mouvement d'atteinte

1. Enregistrez le poids de départ de chaque souris et calculez 85 % de cette valeur pour trouver son poids d'objectif, arrondissant jusqu'à 20 g si le résultat est moindre. Donnez-leur un régime d'alimentation pour les amener à et ensuite maintenir ce poids objectif.
   1. Donnez à chaque souris 2,5 g de granulés le premier jour et notez tout changement dans leur poids 24 h plus tard.
      REMARQUE : Pesez les souris une fois par jour et attendez-vous à une baisse de poids de 0,25-1 g par jour.
   2. Modifier l'alimentation quotidienne de chaque souris au besoin, en fonction de ce changement initial et les changements en cours dans le poids de chaque souris, afin d'induire une perte de poids progressive (moins de 0,8 g perdu par jour) et ensuite maintenir le poids de l'objectif résultant. Variez entre trois à six granulés de 500 mg (1,5 à 3,0 g) par jour pour être efficace.
      REMARQUE: Les souris restent sur ce régime pour maintenir leur poids objectif tout au long du protocole.
2. Quand une souris a atteint son poids d'objectif, introduisez chaque souris au concept de venir jusqu'à la fente fermée pour une boulette de nourriture supplémentaire. Commencez une séance d'entraînement en plaçant une pastille de 45 mg sur la surface des granulés, directement devant la fente, et permettez à chaque souris de la récupérer. La plupart des souris prendront à cet arrangement d'alimentation dans un délai de 1-2 jours.
3. Une fois que la souris associe une fente ouverte à être nourrie, encouragez-la à atteindre avec une patte, plutôt que la bouche.
   REMARQUE: C'est l'étape la plus complexe, en prenant 1-2 jours, et inculquer un comportement contre-productif chez les souris par erreur est très facile; veuillez consulter la section de discussion pour obtenir de plus amples renseignements et conseils.
   1. À l'aide d'une pince à épiler, tenez une pastille dans la même position que la souris a déjà récupéré des granulés. Comme la souris commence à mordre pour le granule, retirez-la d'environ un demi-centimètre de sorte que le granule est hors de portée de sa bouche.
      REMARQUE : Une souris à son poids d'objectif tentera de récupérer le granule hors de portée. Chaque fois que la souris étend une patte à travers la fente, renforcer ce comportement en lui permettant de manger le granule. Certaines souris peuvent montrer une préférence pour une patte sur l'autre lors de l'extension pour la nourriture.
   2. Bien qu'il ne soit pas instrumental à l'expérimentation, enregistrez si la patte gauche ou droite est préférée. Cela peut potentiellement permettre des taux de réussite globaux plus élevés dans l'analyse comportementale; sinon, éliminer une variable en forçant chaque souris à atteindre avec la même patte.
      REMARQUE : De meilleurs résultats sont obtenus si les souris utilisent leur patte préférée.
   3. Comme chaque souris associe l'extension d'une patte avec la consommation d'une pastille, renforcer ce comportement en retenant la pastille en réponse aux tentatives de récupérer la pastille avec la bouche et la langue. Les souris commenceront à se conformer à cet arrangement sur 2 à 3 jours.
   4. Finaliser l'introduction du comportement d'atteinte de la patte désirée en plaçant le granule de 45 mg à un peu moins de 1 cm du bord extérieur de la porte de la cage, de sorte que le point le plus à gauche ou le plus à droite de la pastille (que ce soit à droite ou à gauche de la fente de cage de l'enquêteur 's perspective, respectivement) est tangente à une ligne s'étendant tout droit à partir du bord de la fente de la porte de la cage. Permettre à la souris de tenter de récupérer le granule, en étant vigilant pour enlever le granule et empêcher sa consommation si la souris doit tenter par une autre méthode que l'extension de la patte.
      REMARQUE : Lorsqu'une souris étend systématiquement une patte à saisir et est capable de toucher le granule fourni, elle est prête à être testée à l'aide de l'auto-formateur décrit ci-dessous et de l'analyse comportementale associée. Le temps entre les introductions naïves et la préparation variera d'une souris à l'autre; s'il y a des traînards qui prennent plus de deux semaines à comprendre, ils devraient être exclus de l'ensemble de données.

3. Utilisation de l'auto-formateur

REMARQUE : Veuillez consulter la figure 1-3 et la section de discussion pour une description complète du matériel, du logiciel et des actions physiques de l'auto-formateur.

1. Préparez-vous pour la session de formation.
   1. Calibrer le capteur de granules d'appât. Cliquez sur la flèche Run dans l'interface LabVIEW et notez le capteur de granules d'appât s'lisant à la fois avec et sans granule en place. Cliquez sur le bouton Stop pour arrêter cette exécution d'essai et changer la cible de capteur de granule d'appât à une valeur entre ces deux lectures (Figure 3 et tableau 2). La plupart des conditions d'éclairage fournissent une lecture entre 1 et 4.
   2. Placez la cage de souris modifiée sur l'auto-formateur (Figure 2). Affix la porte de la cage ( Figure 1) et alignez la pastille sur le bord de la fente comme dans la procédure manuelle.
2. Exécutez la session d'entraînement de la souris à l'aide de l'interface LabVIEW.
   1. Renseignements sur les données requises pour consigner les données sur la séance de formation(figure 3 et tableau 2).
      1. Cliquez sur le champ DI souris et tapez le nom de fichier de chaque session d'entraînement à l'aide du clavier de l'ordinateur.
      2. Cliquez sur le Total Pellets to Dispense During Routine field pour contrôler le nombre de granulés distribués pour une seule expérience (généralement 20 à 30). Pour ce faire, cliquez sur les flèches de haut en bas ou entrez le numéro à l'aide du clavier de l'ordinateur.
      3. Cliquez sur le champ Pause After Pellet Number pour définir une pause de 5 s après que le granule indiqué a été retiré du plongeoir. Pour ce faire, cliquez sur les flèches de haut en bas ou entrez le numéro à l'aide du clavier de l'ordinateur.
      4. Cliquez sur le champ Longueur de pause pour définir une pause entre le moment où une pastille est retirée du plongeoir et le moment où une nouvelle pastille est distribuée. Pour ce faire, cliquez sur les flèches de haut en bas ou entrez le numéro à l'aide du clavier de l'ordinateur
         REMARQUE: Habituellement 1 s est un temps de pause approprié. Si les souris sont anxieuses après que chaque granule est distribuée, il est conseillé d'augmenter la longueur de pause en utilisant le champ pause longueur à 5 s.
      5. Enregistrez manuellement la distance à laquelle le granule est placé dans le champ Reach Distance. Pour ce faire, cliquez sur les flèches de haut en bas ou entrez le numéro à l'aide du clavier de l'ordinateur
         REMARQUE : La taille des tableaux d'accélération et de temps est exposée à des fins de débogage et peut être ignorée.
      6. Cliquez sur le champ Folder to Contain Logs pour sélectionner l'emplacement du fichier pour enregistrer les données collectées.
      7. Une fois les champs d'information remplis, cliquez sur le bouton Run pour commencer la session d'entraînement. L'auto-trainer distribuera des granulés individuels et le suivi si elles tombent à travers l'entonnoir jusqu'à ce que le nombre total de granulés a été distribué, et le dernier granule a été soit récupéré ou largué par la souris. Le programme s'arrêtera automatiquement à ce stade. Si nécessaire, il peut également être arrêté prématurément en cliquant sur le bouton Stop.
   2. Une fois que le logiciel est mis en place, placez la cage à la maison de la souris à tester sur le piédestal et observer la souris afin que vous puissiez évaluer si la souris a effectivement appris à tenter le nouveau comportement d'atteindre nécessaire. Après avoir cliqué sur le bouton Run, permettez à la souris d'étudier la fente et son nouvel environnement inconnu.
      REMARQUE : Semblable à lors de l'introduction des souris au concept d'atteindre, attendez-vous à ce que certaines souris soient plus conformes que d'autres. Les souris qui ont saisi le concept devraient essayer d'atteindre dans les 5-10 minutes et associer le mouvement de l'auto-formateur avec le granule présenté, comme quand ils associent une fente découverte avec de la nourriture dans les étapes initiales de ce protocole.

Résultats

En général, il est recommandé que chaque session de formation se compose d'environ 20-30 essais, qui peuvent être fixés par l'utilisateur, exécuté automatiquement par l'auto-formateur et enregistré dans un fichier journal unique par session et la souris. Chaque essai peut être exécuté consécutivement, juste après l'autre, avec 2-5 s de pause. Les souris formées à l'auto-formateur présentent une augmentation des compétences au cours de 10 séances d'entraînement.

Discussion

Notre auto-formateur évalue la portée de l'avant-membre (préhension) d'une manière automatisée. Pour atteindre ce critère d'évaluation, bon nombre des paramètres conçus pour la tâche de préhension de la souris, y compris le placement des granulés, la taille des granulés et les critères d'entraînement, ont été itéronti sur plusieurs années et adaptés des protocoles antérieurs^{2,5 ,6}. L'avancement ici est l'automatisation de la tâ...

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Filament ABS	Imprimé en 3D personnalisé	N/A	utilisé pour le porte-granulés, le cadre, le bras et l’entonnoir
Feuille ABS	McMaster-Carr	8586K581	3/8" d’épaisseur ; utilisé pour les composants de plate-forme, le positionnement des guides de support et la base
Adruino Mini	Adruino	A000087	version nano également compatible ainsi que d’autres microcontrôleurs similaires
Bench-Top Adjustable-Height Support de positionnement	McMaster-Carr	9967T43	Capacité de charge de 35 lb
Tube rond en acrylique transparent	McMaster-Carr	8532K14	ID 3/8
Low-Carbon  ; Fil d’acier	McMaster-Carr	8855K14	0,148"  ; Distributeur
granulés	de diamètre Lafayette Instrument : Neuroscience	80209-45	avec roue de granulés interchangeable de 45 mg et support en option
Photointerrupteur Breakout Board  ;	SparkFun	BOB-09322 ROHS	conçu pour Sharp GP1A57HRJ00F
Capteur d’objets réfléchissants	Fairchild Semi-conducteur	QRD1113	sortie phototransistor
Servomoteur	SparkFun	S8213	engrenage métallique générique (micro taille)
Photo-interrupteur transmissif	Écart	GP1A57HRJ00F	: 10 mm, fente : 1,8 mm