Methodenartikel

Introductie van Clicker Training als een Cognitive Verrijking voor Laboratory Mice

12.9K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/55415

⸱

6 maart 2017

 ,  ,  ,  , 
1Translational Animal Research Center, University Medical Centre, Johannes Gutenberg-Universität Mainz, 2Department of Veterinary Medicine, Institute of Animal Welfare, Animal Behavior and Laboratory Animal Science, Freie Universität Berlin

* These authors contributed equally

In dit artikel

Samenvatting

De ontwikkeling van nieuwe verfijningstrategieën voor laboratoriummuizen is een uitdagende taak die bijdraagt aan het vervullen van het 3R-principe. Dit protocol introduceert clickertraining als een cognitieve verrijkingsprogramma voor laboratoriummuizen.

Samenvatting

Het vaststellen van nieuwe verfijningstrategieën in de laboratoriumdierkunde is een centraal doel in het vervullen van de vereisten van Richtlijn 2010/63/EU. Eerder onderzoek bepaalde een diepgaande invloed van zachte behandelingsprotocollen op het welzijn van laboratoriummuizen. Door het introduceren van clickertraining bij het houden van muizen, bevorderen we niet alleen de vriendelijke behandeling van muizen, maar stellen we ze ook in staat om cognitieve verrijking te ervaren. Clickertraining is een vorm van positieve bekrachtigingstraining met behulp van een geconditioneerde secundaire versterker, het 'klik' geluid van een clicker, dat dient als een tijdsbrug tussen het versterkte gedrag en een aankomende beloning. De effectieve implementatie van het clickertrainingsprotocol met een cohort van 12 BALB/c ingebreide muizen van elk geslacht bleek ongecompliceerd. De muizen leerden vrij snel wanneer ze werden uitgedaagd met taken van het clickertrainingsprotocol, en bijna alle getrainde muizen overwonnen de uitdagingen die ze kregen (100% van de vrouwelijke muizen en 83% van de mannelijke muizen). Deze studie heeft aangetoond dat clickertraining voor muizen sterk correleert met verminderde angst bij de muizen tijdens mens-muis interacties, zoals blijkt uit verminderd angstgerelateerd gedrag (bijv., defaecatie, vocalisatie en urineren) en minder depressie-achtige gedragingen (bijv., zweven). Door een betrouwbaar protocol te ontwikkelen dat gemakkelijk kan worden geïntegreerd in de dagelijkse routine van het houden van laboratoriummuizen, kan de levenslange ervaring van welzijn bij de muizen aanzienlijk worden verbeterd.

Inleiding

Het ontwikkelen van nieuwe strategieën voor de verfijning laboratoriummuizen is een uitdagende taak die bijdraagt aan de verwezenlijking van de 3 V's (vervanging, vermindering en verfijning) van proefdierkunde 1. Verbeteringen op het gebied van verfijning kan verder bijdragen aan het welzijn van de miljoenen dieren die worden gebruikt voor experimentele doeleinden. Daarom is intensief onderzoek nodig in het veld. Dit is ook een bepaald doel van richtlijn 2010/63 van de Europese Unie. Richtlijn 2010/63 / EU wijst erop dat het lifetime ervaring van proefdieren moet worden verbeterd en dat "bedrijven stelt gewenning en trainingsprogramma's die geschikt zijn voor de dieren, de procedures en de duur van het project" (artikel 3.7) 2.

Proefdieren kunnen ervaren veel stressvolle situaties terwijl ze worden gehouden en gefokt voor experimenten. Meestal is de interactie tussen de arbeidAtory muizen en de verantwoordelijke personen is eerder beperkt. Daarom kan een vertrouwensrelatie niet ontwikkelen. Dit kan toegenomen angst en stress reactie op behandeling, hetgeen nadelig is voor het gedrag en fysiologie, en derhalve het welzijn van de dieren 3, 4, 5, 6 wekken. Bovendien, routinematig uitgevoerd laboratorium procedures, zoals algemene handelingen, terughoudendheid, en bloed of weefsel bemonstering kan stress responsen, die door het meten van verschillende parameters, zoals stress hormonen of het gedrag van 7, 8 kan worden onderzocht veroorzaken. Het is aangetoond dat het hanteren's efficiënt de angst naar de onderzoeker in laboratorium knaagdieren 9, 10, 11 kunnen verlagen. Omgaan met programma's kunnen dan ook het verbeteren van de dieren 'omstandigheden en kon een belangrijke bijdrage leveren aan het welzijn van dieren 5.

Het doel van deze studie is om positieve versterking training voor muizen als een specifieke behandeling programma te introduceren. Positieve bekrachtiging training is een vorm van operante conditionering die de onderzoeker geeft een middel om vorm diergedrag. Als het dier een gewenste gedrag uitvoert, wordt gevolgd door een positieve stimulans (hier, een levensmiddel beloning). De bedoeling is dat de dieren de beloning voor de respectieve gedrag verbindt. Clicker training is een vorm van positieve versterking training met behulp van een geconditioneerde secundaire bekrachtiger, de "klik" geluid van een clicker, en is bewezen dat een specifiek gedrag 12 te versterken.

Meer specifiek, het klikgeluid dient als een "time brug" tussen het gedrag en de komende 13 beloning. De trainer klikt precies wanneer het dier het gewenste presteertgedrag, zonder tijd te vertragen 14, en vervolgens presenteert het eten beloning. Dit versterkt de beloond gedrag, dat wordt uitgevoerd met een hogere frequentie. Clicker training wordt veel gebruikt bij gezelschapsdieren en heeft zijn weg naar proefdierkunde, waar het met succes is uitgevoerd met niet-humane primaten 13, 15, 16 gemaakt. Omdat muizen in plaats van te leren snel wanneer uitgedaagd met operante conditionering paradigma's, zou de invoering van een tweede reinforcer hun cognitieve vermogens 5, 17, 18, 19 niet overspannenheid.

Door de invoering van klikker training om het houden van muizen, muizen in staat stellen we cognitieve verrijking ervaren. Het ontwerp van cognitieve verrijking moet de muizen in staat stellen om hun cognitieve vaardigheden te gebruiken om solve problemen en om controle te krijgen over hun omgeving 20, 21. Verschillende studies met verschillende soorten bewijzen het positieve effect van cognitieve verrijking op het welzijn van dieren in gevangenschap 22, 23, 24. Verbeteren het vermogen van de dieren succesvol omgaan met milieuproblemen bijdraagt aan hun welzijn 25, 26.

Bovendien, als de dieren ervaren lage spanning tijdens hun leven, zijn ze minder gevoelig voor nadelige copingstrategieën bij confrontatie met stressoren die liggen in biomedisch onderzoek. Aldus kan de consequente toepassing van cognitieve verrijking bijdragen tot een homogenisering van de fenotypen proefpersonen. Dit zal bijdragen aan de 3R principe van reductie, omdat het aantal vakken vereist kan verminderenstatistische eisen 27 voldoen.

Door het ontwikkelen van een betrouwbaar protocol dat gemakkelijk in de dagelijkse routine van het houden van het laboratorium muizen kunnen worden geïntegreerd, kunnen we een aanzienlijke verbetering van hun leven ervaring van welzijn.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

Ethiek Verklaring: De behandeling van de muizen en de experimentele procedures werden uitgevoerd in overeenstemming met de Europese, nationale en institutionele richtlijnen voor de verzorging van dieren.

OPMERKING: Het protocol bevat vijf dagen van de interventies (maandag tot vrijdag), met pauzes in het weekend (zaterdag en zondag). Het protocol kan gemakkelijk worden aangepast aan specifieke behoeften.

1. Het bepalen van een Reward Geschikt als tweede Reinforcer

OPMERKING: Gebruik voedsel beloningen, zoals vacuüm verpakt voedsel of diervoeder dat de voedselveiligheid voldoet aan. Bijvoorbeeld, verschillende soorten noten, chocolade, kleverige beren, of gedroogde vruchten zijn geschikt.

  1. Steek een kleine petrischaal met verschillende voedsel beloningen (stukjes van 0,5 cm 3) in de home-kooi (figuur 1).
  2. Na 10 min, controleer voor restjes.
  3. Als al deze beloningen worden gegeten na 10 min, verkorten van de tijdspanne tot een voorkeur kan worden geschat.
  4. Op dag 4 en 5 (bijvoorbeeld Thursday en vrijdag), voeg kleine hoeveelheden de voorkeur ( "winner") beloning voor de home-kooi een ongunstige beïnvloeding van alle muizen vast in de kooi om de beloning.
  5. Wanneer de muizen niet gewend aan muis tunnels, voeg een tunnel naar de kooi (ten minste 2 dagen voor het begin van de training, bijvoorbeeld in het weekend).
  6. Herhaal stap 1,2-1,4 op 3 opeenvolgende dagen (bv maandag tot woensdag).

2. Clicker Training

  1. De voorbereidingen voor elke trainingssessie
    LET OP: Iedere keer dat een muis moet worden opgetild in dit protocol, til hem in een rustige en zachte manier. Legde een hand onder de muis om het op te tillen. Tijdens de eerste keer, kan de muizen worden geschud, maar de gewenning proces wordt beëindigd na enkele dagen. Wanneer deze stap tot moeilijkheden, is het nuttig om te verwijzen naar het protocol voor "cupping op de open kant" 28.
    1. Bereid een kooi met strooisel.
    2. Transfer de kooi van de muis worden opgeleid om een ​​rustige plek.
    3. Bereid de beloning en hebben een timer en de klikker / target-stick combinatie klaar.
      LET OP: Als de muizen zijn gewend aan handling en al een vertrouwensrelatie met de experimentator, kan de muizen gevoed worden met de hand. Anders, hechten de beloning aan een stok of tang zodanig dat de muizen een afstand ervan weerhouden de experimentator.
    4. Verwijder alle voorwerpen uit de home-kooi, die nu dienst doet als het oefenterrein (bv, muis huizen, nest-bouwmateriaal, enz.).
    5. Breng de kooi metgezellen om een ​​voorbereide kooi.
  2. Algemene regels die gelden voor alle opleidingen
    OPMERKING: De volgende algemene regels gelden voor alle sessies en zal niet opnieuw het hele protocol worden vermeld.
    1. Train elke muis gedurende 5 minuten. Schakelen tussen 30-s training en 15-s break perioden.
    2. Laat de muis knagen aan de beloning niet langer dan een seconde. Vervolgens neemt u de stick (met de beloning) uit de kooi.
    3. Voer de volgende patroon van het belonen:
      1-10 prestaties van gedrag: belonen elke keer.
      11-21 prestaties van gedrag: beloon elke tweede keer.
      Van 22 prestaties van het gedrag op: beloon elke derde keer.
    4. Na 4 min training wordt het volgende optreden van het gewenste gedrag versterkt door een jackpot beloning. Laat de muis om te knagen aan het voedsel beloning drie keer langer dan voorheen.
  3. Training Dag 1: "Het koppelen van de secundaire wapening met het voedsel beloning"
    1. Stel de timer op 5 min, druk op start, en voeg de muis tunnel naar de home-kooi.
      LET OP: Maak gebruik van de aangeboren thigmotaxis van muizen en plaats de tunnel naast een muur (figuur 2). Voor de eerste sessies zal dit de kans op de muis de tunnel te verbeteren.
    2. Wacht tot de muis inspecteert de tunnel. Zodra de mouse gaat de tunnel op en legt de beloning aan het eind van de tunnel.
    3. Laat de muis voeden zich met de beloning tijdens de vergadering in de tunnel.
    4. Klik continu gedurende 15 s, terwijl de muis zit in de tunnel.
    5. Zodra de muis verlaat de tunnel, ga terug naar stap 3.2.
  4. Trainingssessie Dagen 2-5: "Het lopen door een tunnel"
    1. Stel de timer op 5 min, druk op start, en voeg de muis tunnel naar de home-kooi.
    2. Zodra de muis het tunnel op en legt de beloning aan het eind van de tunnel.
    3. Zolang de muis in de tunnel op en geeft de beloning presenteren op dezelfde wijze.
    4. Herhaal dit voor de komende 30 s, en dan pauzeren 15 s om de tunnel te nemen uit de kooi.
    5. Voeg de tunnel weer in en klik op zodra de muis reenters de tunnel.
    6. Presenteren de beloning aan het eind van de tunnel.
    7. Laat de muis te knagen tot 1 s.
    8. Neem de beloning.
    9. Zodra de muis start opnieuw in de tunnel op zichzelf presenteren de beloning voor het einde van de tunnel (figuur 3).
  5. Training week 2: "Naar aanleiding van een target stick"
    1. Stel de timer op 5 min, druk op start, en zet de hele wereld aan het eind van het doel stok in de kooi.
    2. Zodra de muis interesse toont in de wereld op en legt de beloning naast de bol (figuren 4 en 5).
    3. Beloon de muis pas nadat het de hele wereld met zijn neus raakt.
    4. Wanneer de muis de uitgevoerde actie om de beloning is gekoppeld, wijzigt u de positie van de wereld tijdens de trainingssessie (figuur 6).
    5. Wacht tot de muis om dit laatste uitdaging aan te gaan.
    6. Leg de hele wereld in de kooi.
    7. Kort voor de muis de bol raakt, langzaam en voorzichtig de positie van de bol wijzigen 1 cm.
    8. Klik en belonen als de muis de afstand heeft overschreden en raakt de hele wereld.
    9. Herhaal deze procedure tot de muis betrouwbaar volgt.
    10. Langzaam breiden de afstand die de muis over te steken.
  6. Trainingssessie week 3: "Naar aanleiding van het doel stok om de experimentator de hand"
    1. Plaats één hand in de training kooi terwijl u de clicker / target-stick combinatie en de beloning met de andere hand.
    2. Stel de timer op 5 min, druk op start, en zet de hele wereld aan het eind van het doel stok naast de kant.
    3. Zodra de muis interesse toont in de wereld op en legt de beloning naast de bol.
    4. Zodra de muis deze uitdaging heeft voldaan, verplaatst de hele wereld een aantal stappen dichter bij de kant.
    5. Leg de hele wereld op de palm van de hand. Klik en belonen terwijl de muis zit op de palm van de hand (Figuur 7).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

De eerste en een van de belangrijkste stappen was het vaststellen van een voedselbeloning. Daarom werden de muizen verschillende soorten noten, een suikeroplossing, marmelade en verschillende soorten chocolade aangeboden in een petrischaal (figuur 1). In onze ervaring, de muizen vertoonden een duidelijke voorkeur voor witte chocolade. Daarom gebruikten we witte chocolade voor alle verdere training processen.

D...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

De effectieve uitvoering van de clicker training protocol met een cohort van 12 BALB / c inteelt muizen van elk geslacht bleek eenvoudig te zijn. Eerdere studies hebben de effectiviteit van clicker training bevestigd met een aantal soorten, en we uitgebreid dit aan muizen. Omdat muizen zijn de laagste ontwikkelde zoogdieren bij proefdieren, worden hun vaardigheden vaak onderschat. Daarom is de meest verrassende aspect van de gegevens is dat trainingssucces kan worden bereikt met vrijwel alle muizen.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

Dit werk werd ondersteund door het Translational Animal Research Center van het Universitair Medisch Centrum van de Johannes Gutenberg-Universiteit Mainz. De auteurs zijn Thomas Wacker zeer dankbaar voor zijn technische ondersteuning.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Lid voor open behuizingTecniplastGM500LID117
SealSAfe Plus bovenkant voor open behuizingTecniplastGM500400SU
Type II lang, filter bovenkant kooienTecniplastGM500PFSPC
Aspen strooisel Lab & Vet Service GmbHH0234-300Omgevingsverrijking
Rode polycarbonaat MuizenhuisTecniplastACRE011Omgevingsverrijking
WeefselpapierTork, SCA Hygiene Products GmbH290179Omgevingsverrijking
Voedsel - ssniff M-H ExtrudatssniffV1126-000ad libitum
Doel Stick met ClickerTrixie2282
PVC Buis (Tunnels) Thyssen KruppRTPVCU04003005
Witte Chocolade/witte chocolade roomBedrijf maakt niet uit, bij voorkeur biologische kwaliteit
PincetFineScienceToolsbijv. 11150-10Of elk ander gereedschap om chocolade te fixeren
Prism Version 6.0 voor Windows GraphPad Software

Referenties

  1. Russell, W. M. S., Burch, R. L. The Principles of Humane Experimental Technique. , Methuen and Co., Ltd. 25-27 (1959).
  2. European Commission. Directive 2010/63/EU of the European Parliament and of the Council of 22 September 2010 on the protection of animals used for scientific purposes. Official Journal of the European Union. , (2010).
  3. Balcombe, J. P., Barnard, N. D., Sandusky, C. Laboratory routines cause animal stress. Contemporary topics in laboratory animal science / American Association for Laboratory Animal Science. 43 (6), 42-51 (2004).
  4. Meijer, M. K., Sommer, R., Spruijt, B. M., van Zutphen, L. F. M., Baumans, V. Influence of environmental enrichment and handling on the acute stress response in individually housed mice. Laboratory animals. 41 (2), 161-173 (2007).
  5. Gouveia, K., Hurst, J. L. Reducing mouse anxiety during handling: effect of experience with handling tunnels. PloS one. 8 (6), e66401(2013).
  6. Meaney, M. J., Diorio, J., et al. Early environmental regulation of forebrain glucocorticoid receptor gene expression: implications for adrenocortical responses to stress. Developmental neuroscience. 18 (1-2), 49-72 (1996).
  7. Gärtner, K., Büttner, D., Döhler, K., Friedel, R., Lindena, J., Trautschold, I. Stress response of rats to handling and experimental procedures. Laboratory animals. 14 (3), 267-274 (1980).
  8. Izumi, J., Hayashi-kuwabara, Y. U., Yoshinaga, K., Tanaka, Y., Ikeda, Y. Evidence for a Depressive-like State Induced by Repeated Saline Injections in Fischer 344 Rats. Nature. 57 (4), 883-888 (1997).
  9. Fridgeirsdottir, G. A., Hillered, L., Clausen, F. Escalated handling of young C57BL/6 mice results in altered Morris water maze performance. Upsala journal of medical sciences. 119 (1), 1-9 (2014).
  10. Heredia, L., Torrente, M., Domingo, J. L., Colomina, M. T. Individual housing and handling procedures modify anxiety levels of Tg2576 mice assessed in the zero maze test. Physiology and Behavior. 107 (2), 187-191 (2012).
  11. Maurer, B. M., Döring, D., Scheipl, F., Küchenhoff, H., Erhard, M. H. Effects of a gentling programme on the behaviour of laboratory rats towards humans. Applied Animal Behaviour Science. 114 (3-4), 554-571 (2008).
  12. Skinner, B. F. How to Teach Animals. Scientific American. 185, 26-29 (1951).
  13. Bailey, R. E., Gillaspy, J. A. Operant psychology goes to the fair: Marian and Keller Breland in the popular press, 1947-1966. The Behavior Analyst. 28 (2), 143-159 (2005).
  14. McGreevy, P. D., Boakes, R. A. Carrots and sticks: principles of animal training. , Cambridge University Press. (2007).
  15. Gillis, T. E., Janes, A. C., Kaufman, M. J. Positive reinforcement training in squirrel monkeys using clicker training. American journal of primatology. 74 (8), 712-720 (2012).
  16. Schapiro, S. J., Bloomsmith, M. A., Laule, G. E. Positive reinforcement training as a technique to alter nonhuman primate behavior: quantitative assessments of effectiveness. Journal of applied animal welfare science: JAAWS. 6 (3), 175-187 (2003).
  17. Martin, L., Iceberg, E. Quantifying Social Motivation in Mice Using Operant Conditioning. Journal of visualized experiments : JoVE. (102), e53009(2015).
  18. Sclafani, A., Ackroff, K. Operant licking for intragastric sugar infusions: Differential reinforcing actions of glucose, sucrose and fructose in mice. Physiology and Behavior. , 115-124 (2016).
  19. Bathellier, B., Tee, S. P., Hrovat, C., Rumpel, S. A multiplicative reinforcement learning model capturing learning dynamics and interindividual variability in mice. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (49), 19950-19955 (2013).
  20. Clark, F. E. Can cognitive challenge enhance the psychological well-being of large-brained mammals in zoos? [unpublished doctoral thesis]. , Royal Veterinary College and Institute of Zoology. London, UK. (1999).
  21. Shettleworth, S. J., et al. Cognition, evolution, and behavior. , Oxford University Press. Oxford, UK. (2010).
  22. Hagen, K., Broom, D. M. Emotional reactions to learning in cattle. Applied Animal Behaviour Science. 85 (3-4), 203-213 (2004).
  23. Ernst, K., Puppe, B., Schön, P., Manteuffel, G. A complex automatic feeding system for pigs aimed to induce successful behavioural coping by cognitive adaptation. Applied Animal Behaviour Science. 91, 205-281 (2005).
  24. Puppe, B., Ernst, K., Schn, P. C., Manteuffel, G. Cognitive enrichment affects behavioural reactivity in domestic pigs. Applied Animal Behaviour Science. 105 (1-3), 75-86 (2007).
  25. Zebunke, M., Puppe, B., Langbein, J. Effects of cognitive enrichment on behavioural and physiological reactions of pigs. Physiology and Behavior. 118, 70-79 (2013).
  26. Manteuffel, G., Langbein, J., Puppe, B. Increasing farm animal welfare by positively motivated instrumental behaviour. Applied Animal Behaviour Science. 118 (3-4), 191-198 (2009).
  27. Bayne, K., Würbel, H. The impact of environmental enrichment on the outcome variability and scientific validity of laboratory animal studies. Science Direct. 33 (1), 273-280 (2014).
  28. Hurst, J. L., West, R. S. Taming anxiety in laboratory mice. Nature Methods. 7 (10), 825-826 (2010).
  29. Crawley, J. N. What's Wrong With My Mouse?. , (2007).
  30. Loos, M., Koopmans, B., et al. Within-strain variation in behavior differs consistently between common inbred strains of mice. Mammalian genome : official journal of the International Mammalian Genome Society. 26 (7-8), 348-354 (2015).
  31. Seibenhener, M. L., Wooten, M. C. Use of the Open Field Maze to Measure Locomotor and Anxiety-like Behavior in Mice. Journal of visualized experiments : JoVE. (96), e1-e6 (2015).
  32. Can, A., Dao, D. T., Arad, M., Terrillion, C. E., Piantadosi, S. C., Gould, T. D. The Mouse Forced Swim Test. Journal of Visualized Experiments. , 4-8 (2011).
  33. Clayton, L. A., Tynes, V. V. Keeping the Exotic Pet Mentally Healthy. Veterinary Clinics of North America: Exotic Animal Practice. 18 (2), 187-195 (2015).
  34. Ward, S. J., Melfi, V. The implications of husbandry training on zoo animal response rates. Applied Animal Behaviour Science. 147 (1-2), 179-185 (2013).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Positieve bekrachtigingdierenwelzijntarget stick trainingangstverminderingzachte hanteringverfijningsstrategie nmuisgedrag

Gerelateerde artikelen