Un système d’acquisition de données à partir de séances de comportement individuel auto-initiées dans le cadre d’une cage de colonie sociale est présenté. L’efficacité de ce système est démontrée à l’aide d’une évaluation automatisée de la portée qualifiée, permettant de caractériser les déficiences motrices post-AVC, les altérations comportementales potentielles liées à la motivation, les variations circadiennes et d’autres variables dépendantes innovantes.
Article de méthode
Collecte de données comportementales sur des rats auto-initiés pour caractériser les déficits post-AVC
* These authors contributed equally
Dans cet article
Résumé
Résumé
Les tests comportementaux sur des modèles de rats sont fréquemment utilisés à diverses fins, notamment la recherche psychologique, biomédicale et comportementale. De nombreuses approches traditionnelles impliquent des séances de test individuelles entre un seul chercheur et chaque animal d’une expérience. Cette configuration peut prendre beaucoup de temps pour le chercheur, et leur présence peut avoir un impact indésirable sur les données comportementales. De plus, la mise en cage traditionnelle pour la recherche sur les rats impose un manque d’enrichissement, d’exercice et de socialisation qui serait normalement typique de l’espèce, et ce contexte peut également fausser les résultats des données comportementales. Surmonter ces limites peut s’avérer utile pour plusieurs applications de recherche, y compris l’étude des lésions cérébrales acquises. Ici, un exemple de méthode est présenté pour entraîner et tester automatiquement le comportement individuel des rats dans une cage de colonie sans la présence d’humains. L’identification par radiofréquence peut être utilisée pour adapter les sessions à chaque rat. La validation de ce système a eu lieu dans le contexte de l’exemple de la mesure de la performance motrice des membres antérieurs avant et après un AVC. Les caractéristiques traditionnelles des troubles comportementaux post-AVC et les nouvelles mesures rendues possibles par le système sont mesurées, notamment le taux de réussite, divers aspects de la force de traction, l’analyse des épisodes, le taux et les modèles d’initiation, la durée des séances et les modèles circadiens. Ces variables peuvent être collectées automatiquement avec peu de limitations. Bien que l’appareil élimine le contrôle expérimental de l’exposition, du moment et de la pratique, la validation a produit une cohérence raisonnable de ces variables d’un animal à l’autre.
Introduction
L’entraînement comportemental et les tests avec des modèles de rats sont importants dans d’innombrables domaines de recherche, de l’exploration des processus cognitifs aux états pathologiques et plus encore1. En règle générale, cette formation et ces tests sont effectués avec des animaux individuels lors de séances individuelles, un chercheur retirant manuellement l’animal de sa cage domestique et le plaçant temporairement dans une sorte d’appareil. Malheureusement, cette approche présente plusieurs difficultés et limites. Tout d’abord, les tests comportementaux peuvent prendre beaucoup de temps pour les chercheurs, et lorsqu’une formation est nécessaire, ce temps devient encore plus important. Deuxièmement, cette approche affecte automatiquement, voire potentiellement confond, les données acquises, comme cela a été établi ailleurs2. Ces facteurs de confusion sont particulièrement saillants lorsque l’on considère les variables liées à l’enrichissement. Plus précisément, les rats de laboratoire sont traditionnellement logés dans de petites cages qui sont juste assez grandes pour un ou deux rats3, et si les roues de course ne sont pas fournies, ils peuvent passer leur vie sans occasions réelles de faire de l’exercice. De plus, le logement isolé peut être une source majeure de stress chez une espèce sociale telle que le rat4. Certains de ces inconvénients liés au bien-être ont probablement un impact sur la physiologie des rats 5,6, ce qui peut empêcher le développement de l’expression comportementale typique de l’espèce4 et avoir un impact sur la qualité des modèles de rongeurs appliqués aux contextes humains.
Les chercheurs ont cherché plusieurs types de solutions à ces problèmes au cours des dernières années. Le type de solution le plus simple a été d’automatiser les tests comportementaux et la formation 7,8,9,10, supprimant ainsi la nécessité pour un seul chercheur de s’occuper d’un seul animal. Une solution supplémentaire a été d’automatiser le transfert d’animaux vers des chambres d’expérimentation11,12, éliminant ainsi la nécessité d’une intervention humaine. Enfin, plusieurs configurations ont été explorées qui permettent aux animaux d’être logés en cage de colonie avec d’autres animaux et avec plus d’espace pour l’exploration et l’enrichissement13. Malgré ces avantages, de telles configurations de colonies peuvent limiter ou compliquer les efforts de collecte de données comportementales différenciées individuellement (voir les efforts pour utiliser la vision par ordinateur)14,15. Si des données comportementales individuelles sont nécessaires, il peut être plus difficile ou plus complexe d’identifier et de récupérer les animaux de la cage de la colonie pour les sessions comportementales également. À l’heure actuelle, il existe peu de systèmes permettant de collecter des données comportementales individuelles à partir de colonies (enrichies) 16,17,18.
Ces inconvénients peuvent avoir un impact spécifique sur la recherche sur les effets comportementaux des lésions cérébrales acquises. Tout d’abord, il est clair que la présence et/ou le sexe des humains ainsi que les pratiques de manipulation affectent le comportement des rongeurs 2,19, et ces variables peuvent avoir un impact différentiel sur le comportement des rats avant vs. après un accident vasculaire cérébral. Deuxièmement, les résultats comportementaux humains après un AVC peuvent être aggravés par une diminution volontaire de l’engagement avec la dose recommandée d’exercices de réadaptation20. Actuellement, les expériences sur les rongeurs ont tendance à ne pas modéliser ce type de contexte, car les rats ne sont pas libres de choisir de s’engager ou de s’abstenir de séances comportementales.
Cet article présente un protocole conçu pour faciliter les tests comportementaux individuels dans le cadre de la mise en cage enrichie des colonies. Cette approche permet non seulement de répondre aux contraintes des pratiques actuelles, mais aussi d’ouvrir des pistes pour l’exploration de mesures innovantes. Un tourniquet à rat unique (ORT) a été mis au point et peut être fixé à une cage de colonie, permettant aux animaux d’entrer indépendamment dans les chambres comportementales et d’initier leurs propres séances d’entraînement et de test. Le système est abordable ; chaque ORT peut être assemblé à faible coût (avec accès à une imprimante 3D). Dans le passé, la validation de ce système a été effectuée à l’aide d’une chambre opérante de base, montrant que les animaux pouvaient être entraînés de manière cohérente à effectuer une simple pression sur un levier opérant sans la présence d’un expérimentateur16. Néanmoins, la question de savoir si cette configuration est applicable à d’autres scénarios reste en suspens. L’objectif est de valider l’efficacité de la mise en cage de la colonie d’ORT, qui a été précédemment établie, pour l’entraînement et la quantification du comportement de portée qualifié pertinent pour la déficience motrice après un AVC. La configuration a été utilisée pour générer de nouvelles variables qui ne sont généralement pas explorées dans la recherche sur l’AVC. Ces variables comprennent des mesures de performance pour la tâche de portée qualifiée et des mesures d’auto-initiation, qui pourraient être pertinentes pour la motivation et la prise de décision. De plus, les changements induits par l’AVC dans les schémas circadiens de l’auto-initiation quotidienne sur l’ensemble de la période de 24 heures ont été efficacement détectés.
Protocole
Toutes les procédures et les soins aux animaux ont été approuvés par le comité institutionnel de protection et d’utilisation des animaux de l’Université du Nord du Texas (IACUC) et ont adhéré au guide des National Institutes of Health pour le soin et l’utilisation des animaux de laboratoire. Des rats Long-Evans mâles et femelles adultes (400-800 g, âgés de 1,5 an), utilisés dans la présente étude, ont été logés dans des cages de colonie.
1. Préparation de l’équipement
- Procurez-vous ou assemblez le tourniquet à rat unique (ORT) conformément aux fichiers de conception et aux instructions de construction (voir le fichier supplémentaire 1 et le fichier de codage supplémentaire 1). Voir Butcher et coll.16 pour plus de détails.
REMARQUE : Les ORT sont spécifiques à la taille d’un rat, donc une cage de colonie doit inclure des animaux qui sont à peu près de la même taille. Si l’on ne souhaite pas auto-assembler les ORT, ils peuvent être achetés pré-assemblés (voir la table des matériaux). - Obtenir et fixer un lecteur d’identification par radiofréquence (RFID, voir le tableau des matériaux) et obtenir et injecter des étiquettes RFID aux animaux.
REMARQUE : Lors de l’injection de balises RFID full duplex (FDX), l’orientation doit être perpendiculaire à l’antenne RFID lorsque le rat traverse l’ORT. Dans cette validation, des étiquettes ont été implantées par voie sous-cutanée entre l’omoplate sur un plan parallèle à la colonne vertébrale. - Fixez l’antenne RFID sur le tube de l’ORT.
- Construire et/ou obtenir le(s) appareil(s) comportemental(s) et la cage de la colonie appropriés pour la question expérimentale. Dans cet exemple, la cagede colonie 21,22 construite sur mesure a été utilisée en conjonction avec des chambres opérantes disponibles dans le commerce (voir la table des matériaux), bien que n’importe quel équipement puisse théoriquement être utilisé.
REMARQUE : La compétition entre les animaux hébergés en colonie pour l’accès au(x) appareil(s) comportemental(s) via l’ORT doit être envisagée. Prévoyez d’avoir besoin d’un ORT + appareil comportemental pour 4 à 6 animaux. - Fixez le(s) ORT (s) entre l’appareil comportemental et la cage de la colonie.
- Découpez un trou dans l’appareil comportemental et la cage de la colonie à l’aide d’un outil rotatif Dremel (voir la table des matériaux) ou d’un instrument similaire. Le diamètre intérieur doit être égal au diamètre extérieur du tunnel ORT construit.
REMARQUE : L’ORT doit être surélevé de quelques pouces pour fonctionner, donc une petite plate-forme ou un support sera nécessaire pour aligner la cage de la colonie et les hauteurs des appareils. - Installez un système RFID pour lire les animaux lorsqu’ils passent dans l’ORT et, si vous le souhaitez, l’intégrer à l’appareil comportemental.
2. Formation comportementale préchirurgicale
- Obtenez une cohorte de rats de la même taille et introduisez-les dans la cage de la colonie.
REMARQUE : Les animaux qui ont été élevés ou logés de manière extensive en isolement ou avec peu de congénères peuvent avoir plus de difficulté à explorer la chambre, surtout lorsqu’il s’agit de traverser des zones sociales de la cage de la colonie. Les animaux doivent être exposés à la mise en cage en groupe tôt dans la vie pour éviter cet écueil. - Supprimez l’accès à tout manipulanda dans l’appareil comportemental et réglez la chambre pour qu’elle livre automatiquement des récompenses toutes les 60 s, en moyenne, lorsqu’elle est occupée.
REMARQUE : Cette étude a utilisé de l’eau de saccharose (30 % à 40 %) comme récompense, mais le lait concentré sucré est également efficace. - Entraînez tous les rats à entrer régulièrement dans le(s) appareil(s) comportemental(s) via l’ORT.
- Au moins une fois par jour, vérifiez les données pour vous assurer que tous les animaux entrent dans l’ORT. Si les animaux n’entrent pas, insérez un objet de la taille d’un enclos dans le mécanisme de verrouillage pour l’empêcher de se verrouiller temporairement et permettre aux animaux d’explorer plus librement. Si les animaux ne pénètrent toujours pas, retirez le tourniquet et fixez une paroi latérale temporaire pour permettre un accès libre au tunnel dans la chambre.
- Une fois que tous les animaux entrent régulièrement dans la chambre, retournez la serrure (et le tourniquet) et réévaluez.
REMARQUE : Les animaux peuvent également occuper l’ORT et la chambre comme répit temporaire des autres rats. Une façon d’éviter ce type de monopolisation de la chambre est de fixer un ORT supplémentaire qui fait le pont avec une simple chambre d’isolement. - Introduisez le manipulandum - la poignée de traction, dans cet exemple - et réglez-le sur la sensibilité la plus élevée. Insérez la poignée juste à l’intérieur de la boîte (jusqu’à 2 cm) ou juste à l’extérieur de la boîte.
REMARQUE : Le ruban de peintre peut évoquer des tentatives de portée s’il est fixé à l’arrière de la poignée, juste hors de portée. - Réduire la fréquence à laquelle la récompense (c.-à-d. 30 % d’eau de saccharose) est livrée automatiquement (p. ex., toutes les 90 à 120 s). N’oubliez pas que n’importe quelle récompense peut être utilisée si elle correspond aux besoins de l’expérimentateur et aux préférences des animaux.
- Vérifiez les données quotidiennement pour vous assurer que tous les animaux ont appris à actionner le levier. Appâtez le levier et/ou changez le niveau d’insertion jusqu’à ce que tous les animaux tirent.
- Arrêtez la livraison automatique des récompenses afin qu’elles ne soient disponibles qu’en activant la poignée.
- S’il a déjà été inséré, rétractez le levier chaque jour (à condition que tous les rats continuent de tirer à ce niveau de rétraction) de 0,25 mm à 0,5 mm jusqu’à ce que le levier soit dans sa position finale, à 1 cm à 1,25 cm à l’extérieur de la chambre.
REMARQUE : La position exacte du levier dépend de la taille des rats. Assurez-vous de choisir une position qui permet d’atteindre la topographie souhaitée. - Lancez un centile ou un autre programme de formation pour augmenter progressivement les forces de traction requises pour activer la poignée.
REMARQUE : Cette étude a utilisé un calendrier de percentiles qui établit le critère de renforcement au quartile supérieur des 15 réponses précédentes. Alternativement, des augmentations progressives du critère de traction peuvent être utilisées7. - Une fois que les animaux atteignent de manière fiable la plage de critères finaux de 120 g de tractions, supprimer le programme de formation en percentiles et fixer le critère d’activation de la poignée à une constante de 120 g.
- Recueillir des données de base à cette exigence de force jusqu’à ce que les taux de réussite soient stables (sans tendance) depuis environ une semaine.
3. Provoquer un accident vasculaire cérébral
- Induire chirurgicalement un accident vasculaire cérébral chez tous les animaux en cage de la colonie en même temps.
REMARQUE : Pour induire l’AVC, un modèle endothélien-1 de l’AVC a été utilisé, qui a été décrit ailleurs23. - Laisser les animaux se rétablir dans des cages traditionnelles, isolés individuellement, pendant 3 à 7 jours.
4. Tests comportementaux postopératoires
- Après la récupération, retournez les animaux dans la cage de la colonie à l’aide de l’appareil à portée qualifié attaché à l’ORT.
- Effectuez les tests comportementaux, en maintenant les exigences de traction à la limite de 120 g (suivre l’étape 2) jusqu’à ce que suffisamment de données soient recueillies pour évaluer les déficits post-AVC (d’un à plusieurs jours).
- Mettre en œuvre toutes les variables indépendantes liées à l’AVC ou au rétablissement au cours des jours subséquents pendant que les animaux accèdent à la chambre.
Résultats
Les animaux ont été entraînés et testés avec quatre rats femelles dans une cage de colonie et quatre rats mâles dans une cage de colonie séparée. Tous les rats ont appris à passer par les ORT en quatre jours ou moins. Les quatre rats femelles ont réussi >85 % de leurs combats à la force requise de 120 g en environ 6 semaines d’entraînement et les rats mâles ont atteint le même critère en 10 semaines (contre environ 3 semaines avec un entraînement standard avec des rats dépourvus)7. La durée de cette formation a été considérablement allongée en raison de plusieurs problèmes matériels et logiciels qui ont nécessité un dépannage continu, entre les semaines 2 à 6. Une fois ces problèmes résolus, la formation s’est déroulée sans heurts, et on s’attend à ce que les calendriers de formation subséquente soient comparables à ceux de la littérature actuelle7. Les rats mâles ont également été entraînés plus longtemps pour offrir plus d’opportunités à un rat mâle de commencer à tirer ; Cependant, il ne l’a jamais fait et a été exclu d’une analyse plus approfondie et d’une intervention chirurgicale après la semaine 7. Une fois que les performances du rat se sont stabilisées au niveau de référence, 5 jours de données de base avant l’AVC ont été obtenus pour chaque cage. Les données ont été limitées aux jours pendant lesquels l’ORT est resté connecté à la cage pendant toute la journée (certains jours ont nécessité des déconnexions temporaires liées à l’élevage). Pour la cage des femelles, les jours de référence étaient de 7, 8, 9, 10 et 12 jours avant l’AVC. Pour les hommes, les jours de référence étaient 8, 9, 10, 11 et 13 jours avant l’AVC.
Au cours de leurs chirurgies d’induction d’AVC, les animaux de cette validation ont été simultanément implantés avec des électrodes connectées à des puces de réception sans fil dans leur cerveau antérieur basal (coordonnées -5,8 mm avant/postérieur, 0,7 mm médial/latéral gauche, 8,3 mm dorsal/ventral) ou leur aire tegmentale ventrale (coordonnées -2,3 mm avant/postérieur, 3,3 mm médial/latéral gauche, 7,0 mm dorsal/ventral). Ces implants étaient destinés à être utilisés dans une expérience de récupération ultérieure et ne sont pas pertinents pour la validation de la cage de colonie-ORT rapportée ici. Les implants ont été conçus de manière à ce que la peau puisse être fermée sur eux, les puces réceptrices étant situées sous-cutanéement sous le bras gauche.
Une femelle est morte lors de l’induction d’un AVC. Une autre femelle a commencé à décliner plusieurs jours après sa guérison, n’ayant jamais tiré sur la poignée après un AVC. Après son euthanasie, il a été découvert qu’elle avait probablement subi une hémorragie cérébrale quelque temps après son accident vasculaire cérébral. Ces deux animaux ont été entièrement éliminés de l’ensemble de données, y compris de l’évaluation pré-AVC.
Après l’AVC, les animaux n’ont pas immédiatement recommencé à tirer régulièrement le levier, bien qu’ils aient continué à entrer dans la chambre via l’ORT et aient dû être encouragés par de courtes séances de mise en forme manuelle (c’est-à-dire une réduction de la distance du levier et des récompenses subordonnées à l’approche ou à la tentative de tirer le levier). Les rats femelles n’ont pas tiré pendant les jours 4 à 7 après l’AVC et ont donc reçu un appât à levier supplémentaire (c’est-à-dire une noisette de beurre d’arachide sur le levier) et un façonnage manuel les jours 8 à 11. Ils ont commencé à tirer de manière autonome le 11e jour. Les mâles ont été autorisés à récupérer jusqu’au jour 6 en fonction de l’expérience antérieure avec les femelles. Ils n’ont pas tiré pendant le 6e jour après l’AVC. Ils ont reçu des appâts supplémentaires le jour 7. Ils ont commencé à tirer de manière autonome le 8e jour après l’AVC. Une fois que les animaux ont de nouveau contacté le renfort pour tenter de tirer, l’appâtage ou le façonnage supplémentaire a été interrompu et des données post-AVC ont été recueillies. Les mâles n’ont pas tiré suffisamment le jour 8 pour une analyse complète des variables dépendantes plus complexes (mesures circadiennes et pause post-combat), de sorte qu’ils ont été autorisés à continuer à tirer le 9e, le 10e et le 11ejour selon le même critère. Les8, 10et 11jours étaient des jours complets. Le premier jour de traction après un AVC a été utilisé pour toutes les analyses, à l’exception de l’analyse circadienne et de l’analyse des pauses entre les épisodes ; Pour cette analyse, on a utilisé un jour pour les femelles et les trois jours complets pour les mâles. Pour l’analyse post-AVC, les deux rats femelles ont fourni 55 et 844 tirages en une journée, et les trois rats mâles ont fourni 536, 153 et 190 tirages en trois jours.
Les données ont été organisées en fonction des tirages et des combats. Pour éviter d’enregistrer des secousses provenant de l’équipement lui-même, les tractions ont été mesurées à l’aide d’un seuil de 5 g avec une hystérésis de +/- 1 g. Une traction a été enregistrée lorsque l’animal a exercé une pression supérieure à 6 g et s’est arrêtée lorsque la poignée a enregistré une force inférieure à 4 g. Les animaux avaient tendance à tirer en plusieurs tractions rapides. Une fois qu’une seule traction atteignait 120 g, un renfort était fourni. Un combat était considéré comme un groupe de tractions dont les sommets étaient tous séparés par moins de 1 s. Ce seuil a été choisi sur la base de données antérieures, qui indiquaient qu’un groupe d’intervalles inter-pics inférieur à 1 s se développait naturellement, et que les autres intervalles inter-pics étaient de manière fiable beaucoup plus longues. Les rats tiraient généralement plusieurs fois de suite avant de visiter la mangeoire, même lorsque des tirages plus tôt dans le combat activaient la mangeoire.
Au total, 7 variables dépendantes ont été analysées. Un test t apparié a été effectué entre les moyennes de base et les mesures post-AVC, qui sont présentées aux figures 1, 2 et 3. Ces figures affichent également des données par animal individuel afin de donner une impression de la variation entre les jours et entre les individus pour chaque mesure à laquelle on pourrait s’attendre.
La figure 1 montre la performance avant et après l’AVC selon plusieurs mesures de performance typiques des évaluations de portée qualifiée 7,8,10. Toutes les données post-AVC ont été regroupées en un seul point de données, même s’il a fallu plusieurs jours pour recueillir suffisamment d’essais. Le protocole et le système automatisé auto-initié ont permis d’évaluer avec succès le taux de réussite par épisode, la force moyenne par traction et les tractions par épisode, qui ont tous montré une sensibilité à l’AVC avec divers degrés de signification statistique.
La figure 2 illustre deux nouvelles variables qui découlent de la configuration de la cage de colonie-TRO : les initiations de session et la durée cumulative de la session. Étonnamment, l’AVC n’a pas affecté les initiations de séance. Les femmes ont initié de manière fiable plus de séances que les hommes avant et après l’AVC, mais ni l’une ni l’autre n’a changé son rythme après l’AVC. À l’inverse, le temps passé dans la chambre a augmenté pour la plupart des rats, peut-être en raison de la diminution du taux de réussite des combats (ce qui entraîne une diminution du taux de récompenses)
L’initiation de la séance (qui représente un choix entre l’enrichissement et les récompenses sociales disponibles dans la cage de la colonie et le renforcement alimentaire) et la durée du temps dans la chambre (dans le cas d’une préférence de lieu conditionnée avec la valeur de la récompense) pourraient également être considérées comme des indices de motivation 24,25,26,27. D’autres mesures basées sur la motivation ont été incluses, telles que « l’effort » quantifié par les tractions par minutede séance 28 et les pauses entre les épisodes29, comme le montre la figure 3. Ces variables ont été affectées par l’AVC. Comme prévu, le nombre de tirages par minute de séance a diminué et la durée des pauses entre les épisodes a augmenté. Cependant, les changements dans cette dernière mesure ont été complexes. La distribution des pauses de combat semblait devenir plus chaotique, y compris plus de longues pauses, quelques très longues pauses et plus de courtes pauses également. Cela peut indiquer une panne de l’unité motrice qualifiée d’origine ; Si c’est le cas, il pourrait s’agir d’un indice facilement mesurable de la même chose.
Malgré la petite taille du groupe, une enquête a été menée pour déterminer si l’une des variables mesurées présentait des corrélations avec le taux de réussite, ce qui pourrait impliquer leur signification fonctionnelle. Des tests de Shapiro Wilk ont été effectués pour évaluer les distributions égales des données pour les variables taux de réussite, traction maximale moyenne, combat par minute, durée cumulative des sessions, pauses entre les épisodes et tirages par épisode. Le test de Shapiro Wilk a indiqué que la distribution de certaines variables s’écartait considérablement de la normalité. Par conséquent, les corrélations de classement de Spearman ont été effectuées pour déterminer la relation entre le taux de réussite avant ou après l’AVC et les variables suivantes : pic moyen, entraînement par minute, durée cumulative de la séance, pauses entre les épisodes et tirages par épisode. Aucune variable avant l’AVC autre que la force de traction moyenne n’a été corrélée de manière significative avec le taux de réussite (voir le tableau 1). Après un AVC, la plupart des variables n’ont pas non plus montré de corrélation significative avec le taux de réussite, à l’exception de la force de traction moyenne (tableau 1).
Enfin, l’ORT permet une analyse non seulement du comportement moteur qualifié, mais aussi du schéma circadien. La figure 4 montre la proportion de chaque heure pour chaque cage dans laquelle l’ORT était occupée, présentée sous forme de moyenne sur les jours de référence et les jours suivant l’AVC. La ligne bleue dans la figure indique un décompte moyen du nombre d’entrées par heure effectuées tout au long de la journée. Avant l’AVC, les animaux s’engageaient dans la tâche de portée qualifiée à des niveaux élevés le matin, diminuant ainsi leur durée tout au long de la journée. Quelques heures avant l’allumage des lumières, l’engagement a de nouveau augmenté (femelles) ou a augmenté très légèrement (mâles) avant de s’arrêter peu de temps après l’allumage des lumières. Cette distribution circadienne bimodale a complètement changé après l’AVC. Les animaux s’engageaient moins le matin et leur temps dans la chambre atteignait son apogée plus tard dans la journée. Un tel schéma peut être le reflet des troubles généraux du sommeil et circadiens souvent observés après un AVC 30,31,32,33.
Figure 1 : Mesure des changements de performance typiques de la portée qualifiée après un coup à l’aide de la procédure ORT. La performance de la portée qualifiée avant et après l’AVC a été mesurée. Les moyennes quotidiennes par animal pour le taux de réussite par épisode, la force moyenne par traction et le nombre de tractions par entraînement sont affichées sur 5 jours après l’AVC et un jour après l’AVC (à gauche) et entre une moyenne de l’inclusion et un jour après l’AVC (après l’AVC) avec les tests t appariés rapportés. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : Différents paramètres de session auto-initiés montrent différentes tendances à changer après un AVC. Les mesures de l’auto-initiation pour les séances de comportement de portée qualifiée avant et après l’AVC ont été rendues possibles par la procédure ORT. Les moyennes quotidiennes par animal pour les initiations de séance et les durées quotidiennes cumulatives des séances sont affichées sur 5 jours après l’AVC et un jour après l’AVC (à gauche) et entre une moyenne de l’inclusion et un jour après l’AVC (après l’AVC) avec les tests t appariés rapportés. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : Les variables liées à la motivation changent après un AVC. Les mesures de performance des séances de comportement de portée qualifiée avant et après l’AVC liées à la motivation ont été déterminées. Les moyennes quotidiennes par animal pour la durée de la pause entre les épisodes et le taux quotidien de séances par minute sont affichés sur 5 jours de référence et un jour après l’AVC (à gauche) et entre une moyenne de l’inclusion et un jour après l’AVC (après l’AVC) avec les tests t appariés rapportés. Les pauses entre les épisodes ont changé en termes de ces moyennes quotidiennes, mais plus frappant encore, la distribution des durées de pause individuelles après un AVC a également changé des deux côtés de la moyenne. Les durées de pause individuelles sont regroupées pour tous les animaux et affichées sous forme de distributions sur un axe logarithmique (à l’extrême droite). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 4 : Changements de schéma circadien des séances auto-initiées après un AVC. Les mesures de la structuration circadienne des séances de comportement d’atteinte qualifiées auto-initiées avant (à gauche) et après (à droite) l’AVC pour tous les animaux, femelles et mâles ont été déterminées. Ces données comprennent toutes les entrées et tous les moments d’occupation de la chambre par cage, calculés en moyenne sur les jours précédant et suivant l’AVC. La moyenne des deux cages est ensuite calculée à nouveau pour montrer les distributions totales (rangée du haut). Les schémas pré-AVC comprenaient un engagement élevé le matin, qui diminuait tout au long de la période d’éveil avec un nouveau pic juste avant la phase de sommeil. Les modèles post-AVC montrent que la durée des séances augmente tout au long de la journée et atteint un pic avant la phase de sommeil. Les rats étaient sur des cycles de lumière inversés dans leur chambre d’habitation. La période d’allumage des lumières est ombragée en gris pour indiquer la période d’inactivité normale du rat. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
| Corrélations | ||||||
| Variables | Variable de comparaison | Spearman | ||||
| n | Avantl’AVC r s | p | Aprèsl’AVC r s | p | ||
| Force de traction moyenne | Taux de réussite | 5 | 1 | <0,001 | -0.975 | 0.005 |
| Tirage par minute | Taux de réussite | 5 | 0.3 | 0.624 | -0.154 | 0.805 |
| Durée cumulée de la session | Taux de réussite | 5 | -0.1 | 0.873 | 0.564 | 0.322 |
| Pauses entre les combats | Taux de réussite | 5 | -0.6 | 0.285 | 0.205 | 0.741 |
| Tirages par combat | Taux de réussite | 5 | 0.1 | 0.873 | -0.821 | 0.089 |
Tableau 1 : Coefficients de corrélation de Spearman entre les variables. Des corrélations entre les rangs et les rangs de Spearman ont été effectuées pour déterminer la relation entre le taux de réussite avant et après l’AVC et les variables suivantes ont été déterminées : pic moyen, entraînement par minute, durée cumulative de la séance, pauses entre les épisodes et tirages par épisode. Avant la corrélation, des tests de Shapiro Wilk ont été effectués pour évaluer le taux de réussite de toutes les variables du test et ont indiqué que certaines variables s’écartaient significativement de la normalité. Aucune variable avant l’AVC autre que la force de traction moyenne n’a été corrélée de manière significative avec le taux de réussite. Ce tableau présente les résultats des coefficients de corrélation de Spearman (ρ) évalués s’il y avait une relation entre le taux de réussite et cinq variables du test.
Fichier supplémentaire 1 : Étapes de la construction de l’ORT. Instructions pour l’impression et la construction d’un « tourniquet à un rat ». Les instructions comprennent une liste de tous les matériaux nécessaires ainsi que des instructions étape par étape (avec des images). Le fichier comprend également des instructions pour la fixation d’un micro-interrupteur pour enregistrer les entrées et les sorties, ainsi que le câblage et la programmation pour la fixation d’un lecteur RFID. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Fichier de codage supplémentaire 1 : Cela comprend tous les composants nécessaires à l’impression 3D du « tourniquet One Rat ». Ce fichier peut être utilisé directement ou accessible en suivant les instructions du Fichier supplémentaire 1. Tous les composants de ce fichier doivent être mis à l’échelle à l’aide de la « règle » incluse (voir le fichier supplémentaire 1 pour plus de détails). Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Discussion
Ce protocole a de multiples utilisations. Tout d’abord, et c’est le plus général, l’ORT a été développé dans le but de permettre une formation comportementale automatisée à sujet unique et la collecte de données dans le contexte du logement social et enrichi. Bien que cette étude ait testé l’idée de collecter des mesures comportementales typiques et de les élaborer dans le contexte de l’AVC, la même chose peut être faite pour d’autres applications et tâches comportementales. Même les mesures recueillies dans cette validation peuvent également être ajustées au besoin pour inclure des calendriers de renforcement alternatifs, des comportements alternatifs, etc. Deuxièmement, cette étude a évalué la capacité du système à recueillir des données relatives à la déficience de la portée qualifiée à la suite d’un AVC. Le protocole actuel a déjà été validé pour l’enseignement et la mesure de l’appui de levierde base 16. Les données actuelles montrent qu’il s’agit d’une approche valable pour recueillir des données sur les déficits moteurs liés à l’AVC, et que des mesures typiques des évaluations traditionnelles de la portée qualifiée ainsi que de nouvelles mesures sont possibles. Lors du dépannage du système ORT en cage de colonie, une grande question était de savoir si les animaux lanceraient eux-mêmes des séances comportementales suffisamment fréquemment, et s’ils le feraient dans divers contextes expérimentaux, en particulier après un AVC. Il a été découvert que tous les animaux ou presque peuvent être encouragés à participer suffisamment à des procédures opératoires simples et maintenant à des tests comportementaux post-AVC. Les périodes post-AVC ont nécessité une certaine mise en forme manuelle, mais les animaux sont rapidement revenus à l’engagement dans la tâche comportementale sans la présence de l’expérimentateur.
Au cours du dépannage, plusieurs points de procédure ont été découverts qui augmentent les chances de succès, et ceux-ci ont été intégrés dans le protocole. Il s’agissait notamment de la nécessité d’adapter l’ORT en fonction de la taille des rats et de s’assurer que les animaux sont de taille similaire et élevés dans un contexte social. De plus, il a été découvert qu’un seul ORT est le plus efficace pour accueillir 4 à 6 rats en raison de la forte concurrence potentielle pour la chambre. Il convient de noter que cette concurrence ne semble pas induire un stress plus important par rapport aux méthodes traditionnelles ; Une expérience précédente a enregistré une réduction des niveaux de cortisol dans la mise en cage de la colonie, par opposition aux tests comportementaux traditionnels16. De plus, il a été constaté que, pour les animaux timides, retirer le tourniquet ou le laisser déverrouillé pendant la phase d’entraînement initiale permet à plusieurs rats d’explorer la chambre ensemble.
Bien que cette approche soit efficace pour évaluer les déficits moteurs post-AVC, il est essentiel de reconnaître quelques limites. Premièrement, les animaux après un AVC peuvent ne pas recommencer immédiatement à tirer et peuvent nécessiter quelques séances de façonnage et/ou d’appâtage manuels. Avec cette approche et d’autres approches spécifiques, l’automatisation complète de la formation et des tests peut être plus difficile. Cependant, il ne s’agit pas d’une limitation propre à la configuration en cage d’une colonie d’ORT, et les animaux lors de sessions comportementales initiées par l’expérimentateur ont souvent le même problème.
Une autre limitation est la possibilité d’utiliser les chambres à d’autres fins que celles prévues. De manière anecdotique, plusieurs cas ont été observés où des animaux sont entrés dans les chambres comportementales et ont passé beaucoup de temps à l’intérieur sans participer activement à la tâche comportementale. Cela arrivait parfois avec tous les animaux, mais surtout avec les mâles. C’est peut-être simplement parce que l’ORT offrait un peu d’intimité aux animaux lorsqu’ils ne souhaitaient pas s’engager socialement. Cela dit, l’ajout de pièces « seules » à la cage de la colonie à l’aide d’autres ORT atténue ce problème.
Il a également été observé que les animaux s’arrêtaient parfois dans le tunnel avec l’ORT à moitié ouvert et y restaient pendant un certain temps. C’est la raison pour laquelle il est préférable d’avoir le lecteur RFID à proximité de la chambre comportementale afin que l’animal ne soit pas enregistré tant qu’il n’est pas complètement entré. On pourrait supposer que s’attarder dans l’ORT est agréable de la même manière qu’une goulotte de compression. Dans tous les cas, les animaux ne s’y attardent pas d’une manière qui empêcherait la collecte de données, en particulier lorsque d’autres chambres d’isolement attachées à l’ORT sont disponibles.
Une autre limitation est qu’il peut être plus difficile d’égaliser le temps de session comportementale ou les opportunités de réponse comportementale entre les individus en groupes. Cette limitation peut être particulièrement pertinente pour les études liées à l’AVC, compte tenu de la relation entre le temps d’entraînement cumulé et la récupération. Cependant, cette limitation peut être au moins partiellement comblée. Si une expérience l’exige, il est possible de programmer de nombreux appareils comportementaux pour mettre fin aux sessions lorsqu’une durée cible ou un nombre cible de réponses sont atteints (c’est-à-dire par l’arrêt des récompenses ou la rétractation du manipulandum). Cette solution ne répond pas à la tendance des individus à ne pas atteindre leurs objectifs. Mais, encore une fois, cette limitation n’est pas propre à cette configuration.
Cette configuration présente également l’avantage que l’entraînement comportemental ou l’exposition peut avoir lieu tout au long de la journée plutôt qu’à quelques moments restreints. Cela pourrait être utile dans plusieurs contextes ; Plus précisément, dans les accidents vasculaires cérébraux, il pourrait être utilisé pour étudier l’effet posologique des approches de réadaptation comportementale.
Enfin, l’ORT ne peut probablement pas être utilisé pour des procédures aversives telles que la défaite sociale, la nage forcée, la peur conditionnée, etc. L’ORT exige que le paradigme comportemental soit appétitif ; Sinon, les animaux risquent d’éviter simplement les chambres comportementales.
Malgré ses limites, cette procédure ajoute des avantages significatifs aux paradigmes comportementaux actuellement disponibles pour les rats. Tout d’abord, la configuration permet une collecte continue de données à haut débit tout en libérant du temps pour l’expérimentateur. Bien qu’il soit important de surveiller en permanence l’équipement et les animaux, les expérimentateurs n’ont besoin d’être présents que pendant de courtes périodes de temps tout au long de la journée. Organiser des séances comportementales pour 8 animaux aurait nécessité 4 à 10 heures de séances quotidiennes en utilisant l’approche traditionnelle. L’approche ORT-colonie en cage réduit non seulement ce temps à pratiquement zéro (en supposant un appareil fonctionnel et automatisé), mais permet également la collecte de données pendant les week-ends avec peu de présence supplémentaire ; Cette disponibilité continue d’activités comportementales pendant les week-ends augmente également l’enrichissement total disponible pour les animaux.
Le protocole ORT offre des avantages en matière de données ainsi que des avantages logistiques. De nombreuses variables dépendantes sont disponibles qui ne sont pas traditionnellement possibles, notamment le rythme, la durée ou d’autres paramètres des sessions auto-initiées telles que celles explorées ici. Les variables circadiennes sont souvent mesurées à l’aide de roues de course ; Cependant, ce protocole permet d’examiner les motifs ainsi que les paramètres de choix dans d’autres types de comportement. L’ORT pourrait même être utilisé pour relier les cages de la colonie et fournir un accès visuel ou olfactif au sexe opposé, ce qui permettrait non seulement d’évaluer la motivation, mais aussi le modèle circadien de la poursuite du partenaire. Cette étude a caractérisé plusieurs nouvelles variables dépendantes qui pourraient être utiles dans la recherche sur l’AVC, y compris les variables circadiennes et les variables liées à l’initiation qui pourraient aider à explorer les questions translationnelles liées à ou dans le contexte de la perte de motivation et de la dépression qui peuvent survenir après un AVC34,35. Bien qu’elles ne soient pas abordées ici, d’autres variables importantes pertinentes pour l’AVC, comme les analyses qualitatives de la cinématique de la portée, devraient également être facilement abordables avec ce protocole ORT de cage de colonie via des caméras activées par le mouvement.
Enfin, un avantage significatif de ce protocole est sa capacité à permettre aux animaux de rester dans des environnements vastes, enrichis et sociaux pendant la majeure partie de leur vie. Les progrès en matière de bien-être animal sont importants dans les laboratoires de base, non seulement pour des raisons éthiques, mais aussi pour des raisons scientifiques. Les animaux qui peuvent se déplacer et socialiser devraient servir de meilleurs modèles pour les états pathologiques qui n’impliquent pas naturellement de restriction ou de privation. De plus, la nature autosuffisante des sessions comportementales dans ce protocole signifie que les humains n’ont pas besoin d’être présents pendant la collecte des données comportementales. La présence d’humains dans un laboratoire peut affecter les données comportementales, parfois de manière différentielle en fonction de l’humain en question, de la qualité de sa formation et de la façon dont il traite les animaux 2,19. Ces impacts incontrôlés et variables sur les données peuvent être minimisés avec le protocole actuel.
Déclarations de divulgation
Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts à divulguer.
Remerciements
Ce travail a été financé en partie par la dotation Beatrice H. Barrett pour la recherche sur les relations neuro-opérantes à l’Université du Nord du Texas (UNT). Nous sommes reconnaissants de la contribution et de l’aide de tous les membres du Laboratoire de neuroplasticité et de réparation, en particulier Valerie Rojas, Mary Kate Moore, Cameron Scallon et Hannah McGee.
Matériaux
| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| Imprimante 3D ; | Consulter le boulon de l’espace de fabrication local | ||
| Boltdepot | 1346 | 6-32 ou 8-32 by ; 0.5 | |
| bolt | Boltdepot | 1348 | 6-32 ou 8-32 by ; 0.75 |
| charnière de porte | XJS (Amazon) | 43398-16234 | 1 » armoire acier inoxydable hinge hinge set ; En option (si la « charnière parfaite » n’est pas imprimée) |
| perceuse | N’importe quelle perceuse électrique fonctionne | ||
| ressort d’extension | Nieko (Amazon) | 50456A | Choisissez et ajustez le ressort en fonction de la taille ORT et de la tension souhaitée |
| Contre-écrous | |||
| granulé | |||
| ruban | |||
| microcontrôleur | Arduino | A000066 | Arduino Uno |
| micro-interrupteur | Sparkfun | KW4-Z5F | mini interrupteur (SPDT-levier à rouleaux) |
| Tourniquet One Rat (ORT) | Vulintus | Contactez l’entreprise pour demander un devis si vous n’auto-assemblez pas | |
| Chambres opérantes comme souhaité pour l’évaluation comportementale : Pour cette expérience, nous avons utilisé des chambres de tirage isométriques automatisées de Vulintus ; | Vulintus | No cat # : contactez Vulintus | Contactez Vulintus pour un devis |
| de filament PLA ; | OVERTURE (Amazon) | Plexiglas MATTEPLA17511 | |
| Lesnlok (Amazon) | B09P74K7BR | transparent, 1/8" d’épaisseur, Découpeur | |
| plexiglas | |||
| programme python | Logiciel Python Logiciel de base | disponible sur demande | |
| Lecteur RFID | Priority 1 Design | RFIDRW-E-USB | Avec antenne |
| Étiquette RFID | Unified Information Devices | UC-1485-10 | |
| tige Boltdepot | 23632 | coupée à > 3,5 | |
| Outil | Utilisé pour percer un trou dans l’appareil et la cage de colonie pour ORT ; tout matériel utilisable | ||
| papier de verre | HSYMQ (Amazon) | TOMPOL-1118-1915-11 | |
| Jeu | douille Tout jeu de clés à douille fonctionne | ||
| à souder | |||
| super colle | 234790 | ||
| fil | Plusivo (Amazon) | EAN0721248989789 |
Références
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Réimpressions et autorisations
