Summary
Methode om de impact van training op motorische vaardigheden te beoordelen is een nuttig instrument. Helaas kunnen de meeste gedrags beoordelingen arbeidsintensief en/of duur zijn. We beschrijven hier een robot methode voor het beoordelen van prehension (REACH-to-grasp) vaardigheid bij muizen.
Abstract
We beschrijven een methode om naïeve muizen te introduceren in een roman prehension (REACH-to-grasp) taak. Muizen worden afzonderlijk ondergebracht in kooien met een frontale sleuf die de muis toelaat om uit zijn kooi te komen en voedsel pellets op te halen. Er wordt een minimale voedsel beperking gehanteerd om de muizen aan te moedigen het voedsel uit de sleuf te halen. Als de muizen beginnen te associëren komen naar de sleuf voor voedsel, de pellets worden handmatig weggehaald om de uitbreiding en pronatie van hun paw te begrijpen en de pellet door de frontale sleuf te halen. Wanneer de muizen beginnen te bereiken voor de pellets als ze aankomen in de sleuf, de gedrags test kan worden uitgevoerd door het meten van de snelheid waarmee ze met succes te begrijpen en de gewenste pellet te halen. Ze worden vervolgens geïntroduceerd bij een auto-trainer die zowel het proces van het leveren van voedsel pellets voor de muis te begrijpen, en de opname van succesvolle en mislukte bereiken en grijp pogingen automatiseert. Dit maakt het verzamelen van gegevens voor meerdere muizen met minimale inspanning mogelijk, om te worden gebruikt in de experimentele analyse, indien van toepassing.
Introduction
Methoden om experimenteel een motorische vaardigheid te testen pre-en post-neurologische letsel, alsmede het moduleren van de timing, het bedrag en het type motor training zijn belangrijk voor translationeel onderzoek. In de afgelopen tien jaar zijn muizen, vanwege het bijbehorende gemak van genetische manipulatie, uitgegroeid tot een populair modelsysteem om de mechanismen van het leren van de motor vóór en na het letsel te verhelderden. Gedragstesten bij muizen zijn echter niet op dezelfde manier geoptimaliseerd dat dergelijke assays voor andere zoogdieren (vooral ratten) zijn geweest. Verder zijn er belangrijke verschillen tussen het gedrag van een muis en een rat die sterk suggereren om de twee soorten op verschillende manieren te trainen1,2.
Bekwame prehensiele bewegingen gebruiken een hand/poot om voedsel in de mond te plaatsen, om een object te manipuleren of om een gereedschap te gebruiken. Inderdaad, het bereiken van het begrijpen van verschillende objecten in het dagelijks leven is een fundamentele functie van de bovenste ledematen en de REACH-to-Eat Act is een vorm van prefensie die veel zoogdieren gebruiken. Veel van de genetische, fysiologische en anatomische veranderingen die ten grondslag liggen aan grijp skill Acquisition zijn goed gedefinieerd in veld3. Bij het vertalen van preklinische bevindingen naar klinisch onderzoek heeft men een relevante test nodig die efficiënt en reproduceerbaar is. Onderzoeken van knaagdieren en menselijk bereiken tonen aan dat het gedrag van de prefensie vergelijkbaar is bij mens en dier4. Dienovereenkomstig, deze gelijkenissen suggereren dat prehension testen kan dienen als een translationeel model voor het onderzoeken van motorische leren, alsmede bijzondere waardeverminderingen en behandelingen van de menselijke ziekte. Daarom kan het evalueren van prehension bij muizen een krachtig hulpmiddel bieden in translationeel onderzoek dat zowel gezondheids-als ziektetoestanden bestudeert4.
Helaas, de prehension taak bij muizen, zelfs voor een kleinschalige laboratorium setting, kan worden bewerkelijk en tijdrovend. Om dit probleem te verhelpen, beschrijven we hier een geautomatiseerde versie van de prehension-taak. De beschreven taak vereist muizen om een enkele poot uit te breiden door de eigen kooi van de muis, de verlengde poot te pronken, de voedsel pellet beloning te grijpen en de pellet terug te trekken naar het kooi interieur voor consumptie. De resulterende gegevens worden gepresenteerd als een succes of mislukking van de prehension. Deze automatisering registreert de gegevens met succes en vermindert de last en de tijd waarmee onderzoekers de taak moeten aangaan.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alle hier beschreven methoden zijn goedgekeurd door het ACUC (Animal Care and use Committee) van de Johns Hopkins University.
1. voorbereiding van muis kooien voor gebruik
- Maak een sleuf opening met afmetingen van 0,8 cm breed en 7 cm hoogte van de basis aan de voorkant van elke kooi, zoals geïllustreerd in Figuur 1. Deze sleuf dient als de opening waardoor het dier zal bereiken.
Opmerking: de auto-trainer is ontworpen voor gebruik met de standaard afmetingen van de muis kooi (zoals weergegeven in Figuur 1) die worden geleverd door de meeste leveranciers van dierlijk onderzoek. Verder zal de auto-trainer gemakkelijk andere kooi types ondersteunen. - Binnen elke individuele kooi, voeg een platform grenzend aan de sleuf om de muizen te laten staan en de gepresenteerde pellets te bereiken. Zorg ervoor dat het perron zich boven de kooi bodem van het strooisel bevindt, ongeveer 3 cm hoog. Gebruik Petri schalen aangebracht met superlijm en afgedekt door een metalen plaat ongeveer 10 cm x 15 cm, echter, elk plat oppervlak groot genoeg voor een muis om te bereiken vanaf zal volstaan.
- Maak een verticale inkeping door het midden van de voorkant van de kooi meten 0,8 cm over en 7 cm hoog, waardoor een muis zijn poot uit de kooi kan bereiken.
- Snijd een kooi poort van een dun vel metaal (ongeveer 2 mm dik) in rechthoeken van 5 cm x 10 cm om te dienen als een uniforme opening waardoor het dier te bereiken is.
Opmerking: muizen kunnen kauwen op plastic kooien die de grootte van de opening zouden veranderen. De muis zal bereiken via deze 0,8 cm slot wanneer de metalen kooi poort wordt geplaatst over de sleuf opening van de kooi tijdens het testen met behulp van tape, behoud van de effectieve breedte van de sleuf tussen kooien. - Bedek de sleuf van elke kooi met tape wanneer de muis niet wordt getest om te voorkomen dat zwerfvuil uit de kooi wordt verdreven.
2. introductie van muizen tot de bereikte beweging
- Noteer het startgewicht van elke muis en bereken 85% van die waarde om hun doelgewicht te vinden, afronding tot 20 g als het resultaat minder is. Geef ze een voer regime om ze te brengen en vervolgens te behouden dit doelgewicht.
- Geef elke muis 2,5 g pellets de eerste dag en noteer elke verandering in hun gewicht 24 h later.
Opmerking: Weeg de muizen één keer per dag af en verwacht een gewichts daling van 0,25-1 g per dag. - Verander de dagelijkse voeding van elke muis zoals vereist, op basis van deze initiële verandering en voortdurende veranderingen in het gewicht van elke muis, om geleidelijk gewichtsverlies te veroorzaken (minder dan 0,8 g verloren per dag) en vervolgens het resulterende doelgewicht te behouden. Varieer tussen de drie tot 6 500 mg pellets (1,5 tot 3,0 g) per dag om effectief te zijn.
Opmerking: muizen blijven op dit dieet om hun doelgewicht in het hele protocol te behouden.
- Geef elke muis 2,5 g pellets de eerste dag en noteer elke verandering in hun gewicht 24 h later.
- Wanneer een muis zijn doelgewicht heeft bereikt, introduceer je elke muis met het concept van het komen tot de gated slot voor een aanvullende voedsel pellet. Start een trainingssessie door een korrel van 45 mg op het pelletoppervlak te plaatsen, direct voor de sleuf, en laat elke muis deze ophalen. De meeste muizen zullen binnen 1-2 dagen naar dit voer arrangement gaan.
- Zodra de muis koppelt een open sleuf met wordt gevoed, moedig ze te bereiken met een poot, in plaats van de mond.
Let op: dit is de meest complexe stap, het nemen van 1-2 dagen, en het instillen van contraproductief gedrag bij muizen per ongeluk is heel eenvoudig; Raadpleeg de sectie discussie voor meer informatie en advies.- Gebruik een paar pincet, houd een pellet in dezelfde positie als de muis eerder pellets heeft teruggevonden. Als de muis begint te bijten voor de pellet, trek het ongeveer een halve centimeter zodanig dat de pellet buiten het bereik van de mond is.
Opmerking: een muis met zijn doelgewicht zal proberen de out-of-REACH pellet op te halen. Wanneer de muis een poot door de sleuf uitbreidt, versterken dat gedrag door het toe te staan om de pellet te eten. Sommige muizen vertonen mogelijk een voorkeur voor één poot boven de andere bij het verlengen van voedsel. - Hoewel niet instrumentaal voor experimenten, opnemen of de linker-of rechterpoot de voorkeur heeft. Dit kan mogelijk leiden tot hogere algemene succespercentages in de gedrags test; u ook een variabele elimineren door elke muis te dwingen met dezelfde poot te bereiken.
Opmerking: betere resultaten worden verkregen als muizen hun voorkeur poot gebruiken. - Zoals elke muis koppelt het uitbreiden van een poot met het eten van een pellet, verder versterken dat gedrag door het voor de pellet in reactie op pogingen om de pellet te halen met de mond en tong. Muizen zullen beginnen te voldoen aan deze regeling over 2 aan 3 dagen.
- Voltooi de introductie van het gewenste paw-bereiken gedrag door de 45 mg pellet iets minder dan 1 cm van de buitenste rand van de kooi poort te plaatsen, zodat het meest linkse of rechtse punt van de pellet (of het nu rechts of links van de kooi sleuf van de onderzoeker is het perspectief van de kooi) raakt aan een lijn die zich rechtstreeks uitstrekt van de rand van de sleuf van de Cage Gate. Laat de muis proberen om de pellet op te halen, waakzaam om de pellet te verwijderen en te voorkomen dat het verbruik als de muis moet proberen door een andere methode dan paw extensie.
Opmerking: wanneer een muis consequent een poot uitbreidt om op te grijpen en de meegeleverde pellet kan aanraken, is hij klaar om te testen met behulp van de hieronder beschreven auto-trainer en bijbehorende gedrags test. De tijd van naïeve introducties tot de voorbereiding zal variëren tussen muizen; Als er straleurs zijn die meer dan twee weken duren om te begrijpen, moeten ze worden uitgesloten van de gegevensset.
- Gebruik een paar pincet, houd een pellet in dezelfde positie als de muis eerder pellets heeft teruggevonden. Als de muis begint te bijten voor de pellet, trek het ongeveer een halve centimeter zodanig dat de pellet buiten het bereik van de mond is.
3. de auto-trainer gebruiken
Opmerking: Zie afbeelding 1-3 en de sectie discussie voor een volledige beschrijving van de hardware, software en de fysieke acties van de auto-trainer.
- Bereid u voor op de trainingssessie.
- Kalibreer de Bait pellet sensor. Klik op de Run -pijl in de Labview-interface en Let op de Bait pellet sensor die zowel met als zonder een pellet op zijn plaats leest. Klik op de Stop knop om deze test te stoppen en verander de Bait pellet sensor target in een waarde tussen die twee metingen (Figuur 3 en tabel 2). De meeste lichtomstandigheden zorgen voor een lezing tussen 1 en 4.
- Plaats de gemodificeerde muis kooi op de auto-trainer (Figuur 2). Bevestig de kooi poort ( Figuur 1) en lijn de pellet uit tot aan de rand van de sleuf zoals in de handmatige procedure.
- Voer de trainingssessie van de muis uit met de LabVIEW-interface.
- Voer informatie in die nodig is om gegevens over de trainingssessie te registreren (afbeelding 3 en tabel 2).
- Klik op het veld muis-id en typ de bestandsnaam van elke trainingssessie via het toetsenbord van de computer.
- Klik op de totale pellets te doseren tijdens routine veld om te bepalen hoeveel pellets worden afgeleverd voor een enkel experiment (meestal 20-30). Klik hiervoor op de pijlen omhoog of omlaag of voer het nummer in via het toetsenbord van de computer.
- Klik op het veld pauze na pellet nummer om een 5 s pauze in te stellen nadat de aangegeven pellet uit de duikplank is gehaald. Klik hiervoor op de pijlen omhoog of omlaag of voer het nummer in via het toetsenbord van de computer.
- Klik op het veld pauze lengte om een pauze in te stellen tussen de tijd dat een pellet uit de duikplank wordt gehaald en de tijd dat er een nieuwe pellet wordt afgeleverd. Klik hiervoor op de pijlen omhoog en omlaag of voer het nummer in via het toetsenbord van de computer
Opmerking: meestal is 1 s een geschikte pauzetijd. Als de muizen angstig zijn nadat elke pellet is afgeleverd, is het raadzaam om de pauze lengte te verhogen met behulp van het veld pauze lengte tot 5 sec. - Noteer handmatig de afstand waarop de pellet in het veld bereik afstand wordt geplaatst. Klik hiervoor op de pijlen omhoog en omlaag of voer het nummer in via het toetsenbord van de computer
Opmerking: de grootte van de versnelling en tijd arrays is beschikbaar voor foutopsporing doeleinden en kan worden genegeerd. - Klik op het veld map met Logboeken om de bestandslocatie te selecteren om de verzamelde gegevens op te slaan.
- Zodra de informatievelden zijn ingevuld, klikt u op de knop uitvoeren om de trainingssessie te starten. De auto-trainer zal individuele pellets doseren en volgen of ze door de trechter vallen totdat het totale aantal pellets is afgeleverd, en de laatste pellet is opgehaald of gedropt door de muis. Het programma wordt op dit moment automatisch gestopt. Indien nodig kan het ook voortijdig worden gestopt door op de knop stoppen te klikken.
- Zodra de software is ingesteld, plaatst u de huis kooi van de muis op het voetstuk en ziet u de muis zodat u meten of de muis inderdaad heeft geleerd om het vereiste roman bereiken gedrag te proberen. Na het klikken op de lopen knop, laat de muis om de sleuf en de nieuwe, onbekende omgeving te onderzoeken.
Opmerking: net als bij het introduceren van muizen op het concept van bereiken, verwachten sommige muizen meer compliant dan anderen. Muizen die het concept hebben begrepen, moeten proberen binnen 5-10 min te bereiken en zullen de beweging van de auto-trainer associëren met de gepresenteerde pellet, als wanneer ze een ongedekte sleuf met voedsel associëren in de beginfase van dit protocol.
- Voer informatie in die nodig is om gegevens over de trainingssessie te registreren (afbeelding 3 en tabel 2).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
In het algemeen wordt aanbevolen dat elke trainingssessie bestaat uit ongeveer 20-30 proefversies, die door de gebruiker kunnen worden ingesteld, automatisch worden uitgevoerd door de auto-trainer en worden opgeslagen in een enkel logboekbestand per sessie en muis. Elke proef kan achtereenvolgens worden uitgevoerd, direct na de andere, met 2-5 s van pauze. Muizen getraind op de auto-trainer vertonen een toename van de vaardigheid over 10 trainingssessies.
Om het nut van de auto-trainer te vergelijken met handmatige training (beschouwd als de Gold-standaard), we getraind volwassen mannelijke C57bl/6 muizen van 100 tot 140 dagen oud handmatig en met behulp van de auto-trainer. Alle hantering en gebruik van dieren werden uitgevoerd volgens en met goedkeuring van het Dierenzorg-en gebruiks Comité van de Johns Hopkins University. Muizen getraind met de auto-trainer leerden de prefension taak en vertonen een duidelijke toename van de motorische vaardigheid (Figuur 4). Deze toename van de vaardigheid is vergelijkbaar met die gezien wanneer het dier handmatig wordt getraind zonder het gebruik van de auto-trainer (Figuur 4). Voor deze gegevens, handmatige prehension werd gescoord als succesvol wanneer de muis bereikt zijn forelimb door de spleet, pakte de pellet, en aten zonder het te kloppen uit de rust ruimte, laten vallen, of op een andere manier te verliezen controle. Het percentage van succesvolle prehension pogingen werd bepaald per pellet. Een opleidings blok bestond uit 30 pellets op een afstand van 1 cm met elke pellet gepresenteerd één per keer. Muizen die getraind werden op de auto-trainer werden getraind volgens het hierboven beschreven protocol. Elk punt in Figuur 4 vertegenwoordigt een dag van training waarbij de dieren voor 30 pellets en grafieken als percentage correct bereikten. Er was geen statistisch verschil tussen de twee lijnen met behulp van een niet-parametrische t-toets met correctie voor meervoudige vergelijkingen.
Figuur 1: exemplaire foto's van de huis kooi. (A) vogels in de ogen van een standaard huis kooi aangepast met het platform (oranje) en sleuf op de voorkant van de kooi. B) vooraanzicht van een huis kooi gewijzigd met een sleuf opening met ongeveer 0,8 cm x 7 cm. (C) kooi poort gesneden uit een dun vel metaal en verpakt met tape om randen te beschermen. D, E) voor de sleuf geplaatste kooi poort om te dienen als uniforme opening waardoor de muis te bereiken is; voorzijde (D) en schuine (E) uitzicht. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 2 : Exemplaire foto's van auto-trainer. (a, B) Afgebeeld zijn de auto-trainer zonder (a) of met (B) een gemodificeerde muis kooi op zijn plaats. (C-J) Gedetailleerd uitzicht op de duikplank voedsel pellet houder ontwerp bekeken hetzij vanaf de voorzijde (c, D, H, I) of van de zijkant (E, F, G, J), met (D, e, f, i) of zonder (c, G, H, j) een voedsel pellet. Merk op dat de pellet afstand van het dier gemakkelijk kan worden aangepast als kooi afstand van de duikplank aanpasbaar is. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 3 : Screenshot van de software. Screenshot van het programma dat wordt gebruikt om de auto-trainer uit te voeren. De afbeelding toont de belangrijke invoervelden die in het protocol worden beschreven. Zie tabel 2 voor verdere beschrijving. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 4 : Representatieve gegevens. Geschoolde prehension stijgt naar een soortgelijk niveau met behulp van zowel auto-trainer en handmatige training paradigma's. Plot toont REACH-to-grasp succes (gemiddelde +/-SEM; handleiding: grijs, n = 14; auto-trainer: zwart, n = 15). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
| Stap | Geschatte duur (in dagen) | Commentaar |
| 2,1 gewichtsverlies | 3 tot 5 | Afhankelijk van het intieel gewicht en dus hoeveel gewicht te verliezen tot op het doel |
| 2,2-sleuf training | 1 | Muizen leren comfortabel voelen naderen van de open sleuf voor voedsel |
| 2,3 Shaping | 4 tot 8 | |
| 2.3.1 poot gebruik | 1 | Succes hier hangt af van het snel verstrekken van de pellet na de muis, ontkend zijn voedsel, paaws voor de pellet. |
| 2.3.2 paw-voorkeur | 1 | Nagaan of de muis de voorkeur geeft aan linker-of rechterpoot. |
| 2.3.3 cursief slecht poot gebruik | 2 tot 3 | Zoals in de vorige stap, het is essentieel om te voorkomen dat het ophalen met de mond en tong. |
| 2.3.4 pincet | 1 | Sommige muizen zullen struikelen over het nemen van de pellet zelf in plaats van uit de pincet, voeden ze een beetje minder |
| 3. automatische training | 10 tot 15 | Dagen tot asumptote. |
Tabel 1: tijdschema van de muis training met de auto-trainer.
| INVOERVELD | Gebruiken |
| Muis-ID | Voer de bestandsnaam in waaronder de verzamelde gegevens zullen worden opgeslagen. |
| Totale pellets te doseren tijdens routine | Voer het totale aantal pellets in dat tijdens de trainingssessie zal worden afgeleverd. |
| Pauze na Pelletnummer | Verouderde functie. Kan worden gebruikt om de trainingssessie te onderbreken nadat de opgegeven pellet is afgeleverd. |
| Lengte (s) onderbreken | Lengte van de tijd die de pauze duurt. |
| Bereik afstand (mm) | Noteer de afstand boven het minimum waarover de muis moet reiken om de pellet op te halen. Standaard nul. |
| Grootte van versnellingsmeter en tijd arrays | Functie die is blootgesteld voor foutopsporingsdoeleinden. Houd de standaardwaarde van 500. |
| Map die Logboeken bevat | Klik op het mappictogram om te kiezen waar de verzamelde gegevens worden opgeslagen. |
| Apparaatnaam | LabVIEW-functie die hardware met software verbindt. Standaard ingesteld op Dev1. Afhankelijk van USB-aansluitingen kan de hardware in het vervolgkeuzemenu onder een ander nummer worden weergegeven. Kies apparaten totdat er een werkt. |
| Pijlknop, linksboven | Klik hierop om het programma uit te voeren, zowel voor een trainingssessie als voor kalibratie. |
| Stop teken, knop linksboven | Het programma voortijdig stoppen. |
Tabel 2: software-interface.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Onze auto-trainer evalueert op geautomatiseerde wijze forelimb REACH-to-grasp (prehension). Om dit eindpunt te bereiken, zijn veel van de parameters die zijn ontworpen voor de taak van de muis, zoals pelletplaatsing, korrelgrootte en trainings criteria, gedurende meerdere jaren herhaald en aangepast van eerdere protocollen2,5 ,6. De vooruitgang hier is de automatisering van de taak met behulp van een robot die huis-kooi huisvesting toestaat. Met de huis kooi kunnen de muizen kalm blijven en de taak met minder angst uitvoeren. Niet-thuis-kooi training wordt geassocieerd met verhoogde stress die kan leiden tot de toegenomen tijd en verminderde precisie7,8,9. We demonstreren hier precisie die lijkt op onze eigen resultaten met handmatige Home-Cage training5,7,8. Hoewel er een thuis-kooi training bestaat voor de rat10, is dit de eerste auto-trainer die gebruik maakt van het trainen van muizen in hun huis kooi.
Onze auto-trainer beschikt over een verstelbaar platform waarop een sleuf kooi rust en kan worden verlaagd of verhoogd tot de juiste hoogte voor uitlijning met een voedsel pellet houder (ook wel een duikplank genoemd). Een pellet-doseersysteem plaatst de voedsel pellet op de duikbord houder. De Food pellet houder heeft een bait pellet sensor die bestaat uit een reflecterende object sensor om te detecteren of er een voedings pellet aanwezig is of niet op de duikbord houder. Vanwege de lichtgevoeligheids problemen kan de reflecterende object sensor bij de installatie worden gekalibreerd om de verlichtings omgeving van het laboratorium aan te passen. De kooi van elke muis wordt op de auto-trainer geplaatst, zodat de binnenste rand van de pellet in lijn is met de buitenste rand van de sleuf van de kooi poort, overeenkomend met stap 2.3.4 van de handmatige procedure die hierboven is beschreven. Twee verloren pellet sensoren georiënteerd in tegengestelde richtingen in een trechter onder de duikplank pellet houder detecteren vallende pellets. Een voordeel van het gebruik van twee verloren pellet sensoren is dat het zorgt voor een hoge detectienauwkeurigheid voor verschillende voedsel pellets van verschillende maten en vormen. Beide verloren pellet sensoren bestaan uit een standaard transmissieve foto-interrupter met een door-hole ontwerp, om de beweging van een vallende pellet te voelen zonder contact te vereisen.
De software bestaat uit een programma dat de auto-trainer draait en verzamelt gegevens over successen en mislukkingen. Gebruikersinvoer bestaat uit de bestandslocatie waarin de gegevens worden vastgelegd, hoeveel pellets in één trainingssessie worden afgeleverd, een optie om de trainingssessie te onderbreken na het doseren van een bepaalde pellet, een veld om de toegenomen afstand (indien aanwezig) op te nemen over welke de muis moet bereiken en een veld om de array grootte te bepalen die wordt gebruikt in de berekeningen van het programma (die tijdens normaal gebruik kunnen worden genegeerd). Verder stelt de software de gebruiker in staat om de reflecterende object sensor van de duikplank af te stemmen om zo nodig de lichtgevoeligheid te kalibreren. Een uitvoer van elke proefversie wordt weergegeven voor de gebruiker, evenals opgenomen en opgeslagen in een logboekbestand voor later ophalen.
Een enkele proef bestaat uit één voedsel pellet tijd doorgebracht op de duikplank totdat het wordt verwijderd door actie van de muis. Als een pellet de duikplank verlaat zoals bepaald door de Bait pellet sensor en de pellet wordt gedetecteerd door de trechter kort daarna door een van de verloren pellet sensoren, wordt deze opgenomen als een mislukte trial door de software. Als de pelletpellet sensor vaststelt dat de pellet de duikplank verlaat, maar er geen vallende voorwerpen worden gedetecteerd door een van de verloren pellet sensoren, wordt aangenomen dat het in de kooi is getrokken door de muis en wordt geteld als een succesvolle trial.
Deze formulering wordt gebruikt omdat het nuttig is om een gedrags test te ontwerpen waarin de taak om direct uit te voeren, in plaats van indirect, de beloning biedt. Op deze manier is er geen onduidelijkheid over het deel van het dier over wat de taak is (bijv. honger hebben, voedsel vinden, voedsel eten, voedsel eten). Onder de vele taken die gebruik maken van een dergelijk paradigma, de prehension taak is heel populair geworden voor dergelijke evaluaties. De taak vereist enkel dat een dier één enkele ledemaat gebruikt om één enkel levensmiddel te bereiken en te begrijpen, dat het dier vervolgens voor consumptie in zijn mond brengt. De prehension-taak beoordeelt een gedrag dat zeer vergelijkbaar is met een dagelijks gedrag dat door veel zoogdieren wordt gebruikt. Belangrijker nog, de prehension taak lijkt op menselijk motorische gedrag4. Deze generalizability verhoogt de verwachting dat de principes afgeleid van de preklinische beoordeling van het gedrag klinisch toepasbaar zijn in ziektetoestanden. Bijvoorbeeld, beperkingen in bekwame forelimb en hand gebruik zijn te zien in een beroerte, de ziekte van Huntington, de ziekte van Parkinson en multiple sclerose. Zo is het modelleren van gedrags tekorten en het daaropvolgende herstel bij muizen van onschatbare waarde voor het begrijpen van menselijk herstel en hoe het kan worden aangemoedigd2,11,12,13.
Veel aspecten van de auto-trainer die hierin worden voorgesteld, profiteren enorm van het onderzoeksproces. Ten eerste vereisen de meeste gedragstesten een experimenteerder om dagelijkse sessies nauwkeurig te trainen en te bewaken, wat kostbaar kan zijn, arbeidsintensieve en buitensporig tijdrovend is. Met onze auto-trainer kunnen gedragsgegevens onafhankelijk van een experimenteerder worden verzameld. Ten tweede kan onze auto-trainer worden gerepliceerd zodat meerdere muizen objectief, efficiënt en gelijktijdig kunnen worden getraind en geëvalueerd, waardoor de tijd en inspanning worden geminimaliseerd. Ten derde, de lage kosten van de auto-trainer maakt replicatie en het gebruik van meerdere auto-trainers gelijktijdig voor grootschalige en efficiënte testen.
Opgemerkt moet worden dat het kritieke punt dat zorgvuldige controle vereist is tijdens de vormings fase van de opleiding. Met name de belangrijkste zwakte van dit protocol is het risico dat slecht gebruik in sommige muizen11wordt vastgesteld. Het protocol is bedoeld om tests na te bootsen, zoals de ladder-Rung test in dat slagen in de taak biedt de beloning. Echter, de taak zelf moet nog steeds worden geleerd aan de muizen in stap 2,3 van het Protocol, in tegenstelling tot de ladder geveerde test. Het concept dat het meest waarschijnlijk zal leiden tot een muis te struikelen in het leren van deze taak is van het uitbreiden van een poot uit de kooi naar het gebruik van de poot om de pellet daadwerkelijk te begrijpen. In de eerste sessie van stap 2.3.1, moeten muizen worden beloond voor simpelweg het uitschuiven van een poot uit hun kooi. Echter, de volgende paar dagen moeten onderzoekers zorgen voor het belonen van muizen minder voor het alleen uitbreiden van het paw, en meer voor het uitbreiden van het poot en het aanraken van de pellet, zoals we beschrijven in stap 2.3.3.
Houd er rekening mee dat ongeveer 5% van de muizen zal mislukken om te vorderen voorbij dit stadium, meestal vanwege de beperkte uitbreiding van hun cijfers te trekken in de voedsel pellet. Dergelijke muizen zullen falen met een of beide poten met weinig aandacht voor de werkelijke locatie van de pellet, het verstrekken van weinig of geen nuttige gegevens. Om de kans op falen van een muis in dit stadium te minimaliseren, is voorzichtigheid sterk aanbevolen bij het wegtrekken van de pellet met de pincet tijdens het leerproces. In het bijzonder moet de muis worden beloond met voedsel, niet alleen wanneer het een poot uitbreidt, maar ook wanneer die poot de pellet grijpt en voldoende kracht toepast die voldoende is voor de tevredenheid van de onderzoeker. Een soortgelijk risico voor mogelijke mislukking in dit stadium wordt veroorzaakt door muizen die hun tong gebruiken om pellets naar hen te likken. Bij het trainen van muizen die de neiging om te likken, plaats de pellet verder lateraal weg van de sleuf. Muizen zullen het moeilijk vinden om met de tong over een grotere zijwaartse afstand te bereiken, maar het bewegingsbereik van de arm en poot zijn beter in staat om de afstand te sluiten.
Ons beschreven protocol wordt gemakkelijk uitgebreid naar verschillende labomgevingen of verschillende methoden voor het verzamelen van gegevens. De auto-trainer is bijvoorbeeld erg handig als een arbeidsbesparend apparaat, maar is niet strikt vereist voor het verzamelen van gegevens, omdat pellets kunnen worden geleverd en successen/mislukkingen met de hand kunnen worden opgenomen. Individuele bereiken kunnen ook worden gecategoriseerd op basis van meer gedetailleerde informatie dan gewoon succes/falen, bijvoorbeeld door rekening te houdend met de invalshoek van elke muis, het aantal pogingen dat de pellet niet aanraakt, of de mechanica van het ophalen beweging, die in de afgelopen jaren14meer aandacht heeft gekregen. Het vermogen van het dier om een pellet op te halen is maar één maat. Met behulp van extra hardware kunnen we ook de snelheid, hoek en traject van de ledematen van het dier meten. Deze kinematica is een belangrijk aspect van het leren van de motor, zowel voor als na een neurologische verwonding. Op dit moment zijn we bezig met het opnemen van verschillende nieuwe middelen om de bewegings-en kinematica van de grijp actie van de muis te analyseren. We onderzoeken het gebruik van High-Speed camera's om kinematische metingen van de greep en het bevestigen van druk omvormers en versnellingsmeters aan de voedings pellet houder te verkrijgen voor het meten van kracht-en massa gegevens in verband met de greep. Deze nieuwe functies zullen de functionaliteit van de auto-trainer verbeteren om belangrijke gegevens te verzamelen doorgegeven een eenvoudige doorgang of falen trial en helpen illustreren de gang van de greep van de muis door ziekteprogressie. In de toekomst zullen we gebruik maken van de robot geassisteerde prehension taak als een platform om te evalueren type, dosis, en timing van revalidatie na neurologische letsel. Verder gaan we de taak verbeteren, met verfijningen om te helpen bij het verminderen van onjuist gedrag en het verbeteren van de aanschaf snelheid en trainingstijd van de taak.
Kortom, we hebben een nieuwe auto-trainer ontwikkeld voor het beoordelen van de prehension vaardigheid van Upper forelimb bij muizen. De taak vereist muizen om hun poot te bereiken door een spleet, een kleine voedsel pellet te vatten en de pellet in de richting van hun lichaam te trekken, zodat ze de pellet kunnen eten. De taak instellen is mechanisch beperkt om te verzekeren dominante paw gebruik. Muizen kunnen snel en tegelijkertijd getraind worden, met alleen het vormgevingsproces dat handmatige invoer vereist. De test kan efficiënt worden toegediend en automatisch geanalyseerd. Deze high-throughput gedrags test kwantificeert slagingspercentage en is gemakkelijk te wijzigen voor toekomstige analyse van kinematica en kracht dynamica.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Dan Täsch en URI Täsch van Step Analysis, LLC hebben auto-trainer apparaat vervaardigd met betaling van Richard J. O'Brien en Steven R. zeiler.
Acknowledgments
Het auto-trainingsapparaat werd gebouwd door Jason Dunthorn, URI Täsch, en dan Täsch bij Step Analysis, LLC, met ondersteuning voorontwerp input en instructies van Robert Hubbard, Richard O'Brien en Steven zeiler.
Teresa Duarte van het centrum van Champalimaud voor het onbekende verschafte waardevol inzicht en ideeën over het beschrijven en categoriseren van muis bereiken van acties.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| ABS Filament | Custom 3D Printed | N/A | utilized for pellet holder, frame, arm and funnel |
| ABS Sheet | McMaster-Carr | 8586K581 | 3/8" thickness; used for platform compononents, positioning stand guides and base |
| Adruino Mini | Adruino | A000087 | nano version also compatiable as well as other similar microcontrollers |
| Bench-Top Adjustable-Height Positioning Stand | McMaster-Carr | 9967T43 | 35 lbs. load capacity |
| Clear Acrylic Round Tube | McMaster-Carr | 8532K14 | ID 3/8" |
| Low-Carbon Steel Wire | McMaster-Carr | 8855K14 | 0.148" diameter |
| Pellet Dispenser | Lafayette Instrument: Neuroscience | 80209-45 | with 45 mg interchangeable pellet size wheel and optional stand |
| Photointerrupter Breakout Board | SparkFun | BOB-09322 ROHS | designed for Sharp GP1A57HRJ00F |
| Reflective Object Sensor | Fairchild Semiconductor | QRD1113 | phototransistor output |
| Servo Motor | SparkFun | S8213 | generic metal gear (micro size) |
| Transmissive Photointerrupter | Sharp | GP1A57HRJ00F | gap: 10 mm, slit: 1.8 mm |
References
- Whishaw, I. Q. An endpoint, descriptive, and kinematic comparison of skilled reaching in mice (mus musculus) with rats (rattus norvegicus). Behavior Brain Research. 78, 101-111 (1996).
- Farr, T. D., Whishaw, I. Q. Quantitative and qualitative impairments in skilled reaching in the mouse (mus musculus) after a focal motor cortex stroke. Stroke. 33, 1869-1875 (2002).
- Zeiler, S. R., Krakauer, J. W. The interaction between training and plasticity in the poststroke brain. Current Opinion in Neurology. 26, 609-616 (2013).
- Klein, A., Sacrey, L. A., Whishaw, I. Q., Dunnett, S. B. The use of rodent skilled reaching as a translational model for investigating brain damage and disease. Neuroscience and Biobehavioral Reviews. 36, 1030-1042 (2012).
- Zeiler, S. R., et al. Medial premotor cortex shows a reduction in inhibitory markers and mediates recovery in a mouse model of focal stroke. Stroke. 44, 483-489 (2013).
- Becker, A. M., Meyers, E., Sloan, A., Rennaker, R., Kilgard, M., Goldberg, M. P. An automated task for the training and assessment of distal forelimb function in a mouse model of ischemic stroke. Journal of Neuroscience Methods. 258, 16-23 (2016).
- Bruinsma, B., et al. An automated home-cage-based 5-choice serial reaction time task for rapid assessment of attention and impulsivity in rats. Psychopharmacology. , 1-12 (2019).
- Francis, N. A., Kanold, P. O. Automated operant conditioning in the mouse home cage. Frontiers in Neural Circuits. 11 (10), (2017).
- Balcombe, J. P., Barnard, N. D., Sandusky, C. Laboratory routines cause animal stress. Contemporary Topics in Laboratory Animal Science. 43, 42-51 (2004).
- Fenrich, K. K., et al. Improved single pellet grasping using automated ad libitum full-time training robot. Behavior Brain Research. 281, 137-148 (2015).
- Ng, K. L., et al. Fluoxetine maintains a state of heightened responsiveness to motor training early after stroke in a mouse model. Stroke. 46 (10), 2951-2960 (2015).
- Whishaw, I. Q., Suchowersky, O., Davis, L., Sarna, J., Metz, G. A., Pellis, S. M. Impairment of pronation, supination, and body co-ordination in reach-to-grasp tasks in human parkinson's disease (pd) reveals homology to deficits in animal models. Behavior Brain Research. 133, 165-176 (2002).
- Dobrossy, M. D., Dunnett, S. B. The influence of environment and experience on neural grafts. Nature Review Neuroscience. 2, 871-879 (2001).
- Alaverdashvili, M., Foroud, A., Lim, D. H., Whishaw, I. Q. "Learned baduse" limits recovery of skilled reaching for food after forelimb motor cortex stroke in rats: A new analysis of the effect of gestures on success. Behavior Brain Research. 188, 281-290 (2008).
