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方法論記事

脳卒中後の欠損を特徴付けるための自発的なラット行動データの収集

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DOI:

10.3791/64967

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2024年3月15日

 ,  , 
1Department of Behavior Analysis, College of Health and Public Service, University of North Texas

* These authors contributed equally

この記事について

サマリー

社会的コロニーケージ設定内で自己開始された個人行動セッションからデータを取得するためのシステムが提示されます。このシステムの有効性は、自動化された熟練したリーチ評価を使用して実証され、脳卒中後の運動障害、モチベーションに関連する潜在的な行動変化、概日変動、およびその他の革新的な従属変数の特性評価を可能にします。

要約

ラットモデルでの行動試験は、心理学的、生物医学的、行動学的研究など、さまざまな目的で頻繁に利用されています。従来のアプローチの多くは、実験において、1人の研究者と各動物との間で1対1の個別の試験セッションを行うものです。この設定は研究者にとって非常に時間がかかる可能性があり、それらの存在は望ましくない方法で行動データに影響を与える可能性があります。さらに、ラット研究のための従来のケージは、通常種に典型的である濃縮、運動、および社会化の欠如を課し、この文脈は行動データの結果を歪める可能性もあります。これらの制限を克服することは、後天性脳損傷の研究を含むいくつかの研究用途にとって価値があるかもしれません。ここでは、ヒトがいないコロニーケージ内で個々のラットの行動を自動的に訓練およびテストするための方法の例が示されています。無線周波数識別を利用して、個々のラットに合わせてセッションを調整することができます。このシステムの検証は、脳卒中前後の熟練した前肢運動能力を測定する例のコンテキストで行われました。脳卒中後の行動障害の従来の特性と、成功率、引っ張り力のさまざまな側面、発作分析、開始率とパターン、セッション時間、概日パターンなど、システムによって可能になる新しい測定が測定されます。これらの変数は、いくつかの制限なしに自動的に収集できます。この装置は、曝露、タイミング、および実践の実験的制御を取り除きますが、検証により、動物間でこれらの変数に合理的な一貫性がもたらされました。

概要

ラットモデルを用いた行動訓練と試験は、認知過程の探索から病態など、数え切れないほどの研究分野で重要である1。通常、このトレーニングとテストは、研究者が手動で動物を自宅のケージから取り出し、一時的に何らかの装置に入れて、1対1のセッションで1匹の動物で実施されます。残念ながら、このアプローチにはいくつかの困難と制限があります。まず、行動テストは研究者にとって非常に時間がかかる可能性があり、トレーニングが必要な場合、その時間要件はさらに大きくなります。第二に、このアプローチは、他の場所で確立されたように、取得したデータに自動的に影響を与えるか、潜在的に混乱させることさえあります2。これらの交絡は、濃縮関連の変数を考慮するときに特に顕著です。具体的には、実験用ラットは伝統的に1匹または2匹のラットにちょうど十分な大きさの小さなケージに収容されており3、ランニングホイールが提供されない場合、彼らは運動する有意義な機会なしに一生を過ごす可能性があります。さらに、孤立した住居は、ラット4などの社会種の主要なストレス源になる可能性があります。これらの福祉関連の欠点のいくつかは、ラットの生理機能5,6に影響を与える可能性が高く、種に典型的な行動発現4の発達を先取りし、人間の状況に適用されるげっ歯類モデルの質に影響を与える可能性があります。

近年、研究者はこれらの問題に対するいくつかのタイプの解決策を追求してきました。最も単純なタイプの解決策は、行動テストとトレーニングを自動化することでした 7,8,9,10、したがって、1人の研究者が1匹の動物に注意を向ける必要がなくなります。追加の解決策は、実験チャンバー11,12への動物の移動を自動化することで、人間の関与の必要性をさらに排除することである。最後に、動物を他の動物と一緒にコロニーケージに収容し、探索と濃縮のためのより多くの余地を与えることを可能にするいくつかの設定が検討されています13。これらの利点にもかかわらず、このようなコロニーのセットアップは、個別に差別化された行動データを収集する努力を制限したり、複雑にしたりする可能性があります(ただし、コンピュータービジョンを使用する取り組みを参照)14,15。個々の行動データが必要な場合、行動セッションのためにコロニーケージから動物を識別して回収することも、より困難または複雑になる可能性があります。現在、(濃縮された)コロニーハウジング16,17,18から個々の行動データを収集するためのシステムはほとんど存在しない。

これらの欠点は、後天性脳損傷の行動への影響に関する研究に特に影響を与える可能性があります。第一に、人間の存在および/または性別、および取り扱い慣行がげっ歯類の行動に影響を与えることは明らかであり2,19、これらの変数は、以前のラットとラットの行動に異なる影響を与える可能性があります。脳卒中後。第二に、脳卒中後の人間の行動結果は、リハビリテーション運動の推奨用量への関与を自発的に減少させることによって悪化する可能性があります20。現在、げっ歯類の実験では、ラットは行動セッションに参加するか棄権するかを自由に選択できないため、この種のコンテキストをモデル化しない傾向があります。

この記事では、濃縮コロニーケージの枠組みの中で個々の行動テストを容易にするために設計されたプロトコルを紹介します。このアプローチは、現在の慣行の制約に対処するだけでなく、革新的な対策を探求するための道を開きます。1匹のラット回転式改札口(ORT)が開発され、コロニーケージに取り付けることができるため、動物は独立して行動室に入り、独自のトレーニングとテストセッションを開始できます。このシステムは手頃な価格です。各ORTは低コストで組み立てることができます(3Dプリンターへのアクセスがある場合)。過去には、このシステムの検証は、基本的なオペラント室を用いて行われ、実験者の立ち会いなしに、動物が単純なオペラントレバープレスを行うように一貫して訓練され得ることを示した16。それにもかかわらず、この構成が他のシナリオに適用できるかどうかという問題は未解決のままです。目的は、以前に確立されたORTコロニーケージセットアップの有効性を検証することです 脳卒中後の運動障害に関連する熟練したリーチ行動をトレーニングおよび定量化します。この構成は、脳卒中研究では通常調査されない新しい変数を生成するために利用されました。これらの変数には、熟練したリーチタスクのパフォーマンス指標と、モチベーションと意思決定に関連する可能性のある自己開始の測定が含まれます。さらに、脳卒中による24時間にわたる毎日の自己開始の概日パターンの変化が効果的に検出された。

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プロトコル

すべての手順と動物の世話は、ノーステキサス大学の施設の動物管理および使用委員会(IACUC)によって承認され、実験動物の世話と使用に関する国立衛生研究所のガイドに準拠しています。本研究で使用した成体の雄および雌のLong-Evansラット(400-800 g、1.5歳)をコロニーケージに収容しました。

1.機器の準備

  1. 設計ファイルと建設説明書に従って、1ラット回転式改札口(ORT)を入手または組み立てます( 補足ファイル1 および 補足コーディングファイル1を参照)。詳細については、Butcher et al.16 を参照してください。
    注:ORTはラットのサイズに固有であるため、コロニーケージにはほぼ同じサイズの動物を含める必要があります。ORTを自己組み立てたくない場合は、組み立て済みの状態で購入できます( 材料の表を参照)。
  2. 無線周波数識別(RFID、 資料表を参照)リーダーを入手して取り付け、RFIDタグを取得して動物に注入します。
    注:RFID全二重(FDX)タグを注入する場合、ラットがORTを通過するときに、方向がRFIDアンテナに対して垂直である必要があります。この検証では、脊椎と平行な平面上の肩甲骨の間にタグを皮下に埋め込んだ。
  3. RFIDアンテナをORTのチューブに取り付けます。
  4. 実験的な問題に適した行動装置およびコロニーケージを構築および/または取得します。この例では、特注のコロニーケージ21,22が市販のオペラントチャンバーと組み合わせて使用されました(材料の表を参照)が、理論的には任意の機器を使用できます。
    注:ORT を介した 行動装置へのアクセスをめぐるコロニー飼育動物の競争を検討する必要があります。4〜6匹の動物ごとに1つのORT +行動装置が必要になることを予想してください。
  5. 行動装置とコロニーケージの間にORTを取り付けます。
  6. ドレメル回転工具( 材料の表を参照)または同様の器具を使用して、行動装置およびコロニーケージにポータル穴を開けます。内径は、建設したORTトンネルの外径と等しくなければなりません。
    注:ORTを操作するには数インチ高くする必要があるため、コロニーケージと装置の高さを揃えるために小さなプラットフォームまたはスタンドが必要になります。
  7. 動物がORTを通過するときに動物を読み取るRFIDシステムを設置し、必要に応じて行動装置と統合します。

2.術前行動訓練

  1. 同じサイズのラットのコホートを入手し、コロニーケージに導入します。
    注:隔離された、または同種の動物がほとんどいない状態で広範囲に飼育または飼育された動物は、特にコロニーケージの社会的領域を横断する場合、チャンバーを探索するのに苦労する可能性があります。動物は、この落とし穴を避けるために、人生の早い段階でグループケージにさらされるべきです。
  2. 行動装置内のマニプランダへのアクセスを削除し、占有時に平均して60秒ごとに報酬を自動配信するようにチャンバーを設定します。
    注:この研究では、報酬としてショ糖水(30%〜40%)を使用しましたが、加糖練乳も効果的です。
  3. すべてのラットを訓練して、ORT を介して 行動装置に定期的に侵入します。
  4. 少なくとも1日に1回は、すべてのデータがORTに入っていることを確認するためにデータをチェックしてください。動物が入ってこない場合は、ペンサイズの物体をロック機構に挿入して、動物がより自由に探索できるように一時的にロックされないようにします。それでも動物が入らない場合は、回転式改札口を取り外し、一時的な側壁を取り付けて、チャンバーへのトンネルへの自由なアクセスを許可します。
  5. すべての動物が定期的にチャンバーに入ったら、ロック(および回転式改札口)を戻し、再評価します。
    注:動物は、他のラットからの一時的な猶予としてORTとチャンバーを占有することもできます。チャンバーのこの種の独占を未然に防ぐ1つの方法は、単純な分離チャンバーにブリッジする追加のORTを取り付けることです。
  6. マニプランダム(この例ではプルハンドル)を導入し、最高の感度に設定します。ハンドルをボックスのすぐ内側(最大2 cm)またはボックスのすぐ外側に挿入します。
    注意: ペインターのテープは、ハンドルの後ろの手の届かないところに貼られていると、リーチの試みを呼び起こすことができます。
  7. 報酬(30%のショ糖水)が自動配信される頻度を減らします(例:90〜120秒ごと)。実験者のニーズと動物の好みに合った報酬を利用できることを忘れないでください。
  8. データを毎日チェックして、すべての動物がレバーを作動させることを学習したことを確認してください。すべての動物が引っ張られるまで、レバーに餌をやったり、挿入レベルを変更したりします。
  9. 報酬の自動配信を中止し、プルハンドルを作動 させることによって のみ報酬を利用できるようにします。
  10. 以前に挿入した場合は、レバーがチャンバーの外側の1 cmから1.25 cmの最終位置になるまで、毎日レバーを0.25 mmから0.5 mm引っ込めます(すべてのラットがその収縮レベルで引っ張り続ける場合)。
    注:レバーの正確な位置は、ラットのサイズによって異なります。目的の到達地形になる位置を選択してください。
  11. パーセンタイルまたはその他のトレーニングプログラムを開始して、ハンドルをアクティブにするために必要な引っ張り力を徐々に増やします。
    注:この研究では、前の15の回答の上位四分位数で強化の基準を設定するパーセンタイルスケジュールを使用しました。あるいは、プル基準の段階的な増加を用いることもできる7。
  12. 動物が最終的な基準範囲である120 gのプルに確実に到達したら、パーセンタイルトレーニングプログラムを削除し、ハンドル活性化の基準を120 gの定数に固定します。
  13. 成功率が約1週間安定している(傾向がない)まで、この戦力要件でベースラインデータを収集します。

3.脳卒中を誘発する

  1. すべてのコロニーケージに入れられた動物で同時に脳卒中を外科的に誘発します。
    注:脳卒中を誘発するために、脳卒中の内皮-1モデルが用いられたが、これは他の場所で説明されている23。
  2. 動物が3〜7日間、個別に隔離された従来のケージで回復するのを待ちます。

4.術後行動検査

  1. 回復後、ORTに取り付けられた熟練したリーチ装置を使用して動物をコロニーケージに戻します。
  2. 脳卒中後の欠損を評価するのに十分なデータが収集されるまで(1〜数日)、プル要件を最終的に120 gに保ち(ステップ2に従う)、行動テストを実行します。
  3. 脳卒中後または回復に関連する独立変数は、動物がチャンバーにアクセスしている間、その後の数日間に実装します。

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結果

動物は、1つのコロニーケージで4匹の雌ラット、別のコロニーケージで4匹のオスラットで訓練およびテストされました。すべてのラットは、4日以内にORTを通過することを学びました。4匹の雌ラットは、約6週間の訓練で120gの力の必要量で>85%の成功した発作に達し、雄ラットは10週間で同じ基準に達しました(恵まれないラットでの標準的な訓練では約3週間と比較して)7。このトレーニング期間は、2週目から6週目にかけて継続的なトラブルシューティングを必要とするいくつかのハードウェアとソフトウェアの不具合により、大幅に延長されました。これらの不具合が解消されると、訓練は順調に進み、その後の訓練スケジュールは現在の文献7に匹敵することが期待されます。雄のラットはまた、1匹の雄のラットが引っ張り始める機会を増やすために、より長く訓練されました。しかし、彼はそうすることはなく、7週目以降のさらなる分析と手術から除外されました。ラットの性能がベースラインで安定したら、各ケージについて5日間の脳卒中前のベースラインデータを取得しました。データは、ORTが一日中...

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ディスカッション

このプロトコルには複数の用途があります。まず、最も広くは、ORTは、社会的で豊かな住宅の文脈で、自動化された単一被験者の行動トレーニングとデータ収集を可能にする目的で開発されました。この研究では、典型的な行動指標を収集し、脳卒中の文脈でそれらを詳しく説明するというアイデアをテストしましたが、他のアプリケーションや行動課題についても同じことができます。この検証で収集された測定値でさえ、必要に応じて調整して、代替の強化スケジュール、代替行動などを含めることもできます。 第二に、この研究では、脳卒中後の熟練者の到達範囲の障害に関連するデータを収集するシステムの能力を評価しました。現在のプロトコルは、基本的なレバー押し16のティーチングと測定について以前に検証されています。現在のデータは、脳卒中関連の運動障害に関するデータを収集するための有効なアプローチであり、従来の熟練したリーチ評価に典型的な測定と新しい測定が可能であることを示しています。コロニーケージORTシステムのトラブルシューティングを行う際、大きな疑問は、動物が十分な頻度で行動セッションを自発的に開始するかどうか、そして特に脳卒中後のさ...

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開示事項

著者らには、開示すべき矛盾はない。

謝辞

この研究は、ノーステキサス大学(UNT)への神経オペラント関係の研究のためのベアトリスH.バレット基金によって部分的に資金提供されました。神経可塑性および修復研究所のすべてのメンバー、特にValerie Rojas、Mary Kate Moore、Cameron Scallon、Hannah McGeeの意見と支援に感謝します。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
3Dプリンター 地元のメーカースペース
のボルトBoltdepot13466-32 または 8-32 0.5インチ
ボルトBoltdepot13486-32 または 8-32 0.75インチ
ドアヒンジXJS(Amazon)43398-162341インチキャビネットステンレス鋼ドアヒンジセット。オプション(「完璧なヒンジ」が印刷されていない場合)
ドリル電気ドリルは
延長スプリングを作動させます ニーコ(アマゾン)50456AORTのサイズと希望の張力に基づいてスプリングを選択および調整
グラニュー糖
ロックナットBoltdepot25516-32または8-32
測定テープ
マイクロコントローラArduinoA000066Arduino Uno
マイクロスイッチSparkfunKW4-Z5Fミニマイクロスイッチ(SPDTローラーレバー)
1ラット回転式改札口(ORT)Vulintus自己組織化オペラントチャンバーでない場合、見積もりを要求するために会社に連絡してください
:この実験では、Vulintusから自動等尺性プルチャンバーを使用しました VulintusNo cat #: 連絡先Vulintus 見積もり
PLA フィラメント OVERTURE (Amazon)UK-MATTEPLA17511
プレキシガラスLesnlok (Amazon)B09P74K7BRクリア、1/8インチ厚、サイズにカット
プレキシガラスカッター
PythonプログラムPythonソフトウェア ご要望に応じて利用可能な
RFIDリーダープライオリティ1デザインRFIDRW-E-USBアンテナ付き
RFIDの札は情報装置UC-1485-10
の棒Boltdepot23632>に切る 3.5 "
回転用具ORTのための装置そしてコロニーのおりの穴を開けるのに使用されて; あらゆるハードウェア使用可能な
砂紙HSYMQ (アマゾン)TOMPOL-1118-1915-11
ソケット レンチ セットあらゆるソケット レンチ セットは働く
はんだごて
瞬間接着剤234790
ワイヤーPlusivo(アマゾン)EAN0721248989789
に相談してください 任意のします 行動評価のために必要に応じてを

参考文献

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  22. Engineering an enriched environment operant chamber and its implications. Davidson, A., et al. Poster Presented at the Texas Association for Behavior Analysis Annual Conference, , Worth, TX. (2019).
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