De knop supinatie Task: Een semi-geautomatiseerde methode voor de beoordeling van de voorpoot functie bij ratten

Summary

Dit manuscript wordt beschreven van een semi-geautomatiseerde taak die supinatie bij ratten kwantificeert. Ratten bereiken, begrijpen en een sferische manipulandum supinate. De rat wordt beloond met een pellet overschrijdt de beurt hoek een criterium dat door de gebruiker ingesteld. Deze taak verhoogt de doorvoer, gevoeligheid voor schade, en objectiviteit ten opzichte van traditionele taken.

Abstract

Taken die nauwkeurig beweeglijkheid in diermodellen meten zijn kritiek te begrijpen hand functie. Huidige rat gedrags taken die beweeglijkheid grotendeels meten gebruik videoanalyse van bereiken of voedsel manipulatie. Hoewel deze taken eenvoudig te implementeren zijn en robuust over ziekte modellen zijn, zijn ze subjectief en moeizaam voor de experimentator. Automatiseren van traditionele taken of het maken van nieuwe geautomatiseerde taken kunt maken van de taken meer efficiënte, objectieve en kwantitatieve. Omdat het ratten zijn minder beïnvloed vingervlugge dan primaten, centraal zenuwstelsel systeem (CNS) letsel produceert meer subtiele tekorten in beweeglijkheid, echter, supinatie is zeer bij knaagdieren en cruciaal bij de hand functie bij primaten. Dus, we ontwierpen een semi-geautomatiseerde taak die voorpoot supinatie bij ratten maatregelen. Ratten zijn opgeleid om te bereiken en een knop-vormige manipulandum begrijpen en draai van de manipulandum in supinatie een beloning ontvangen. Ratten kunnen de vaardigheid binnen 20 ± 5 dagen verwerven. Terwijl het eerste deel van de opleiding is zeer gecontroleerd, wordt veel van de opleiding gedaan zonder direct toezicht. De taak betrouwbaar en reproducibly vangt subtiele tekorten na blessure en functionele herstel dat komt nauwkeurig overeen met klinisch herstel Curven toont. Analyse van de gegevens wordt uitgevoerd door gespecialiseerde software via een grafische gebruikersinterface die is ontworpen voor intuïtief. Wij geven ook oplossingen voor veelvoorkomende problemen ondervonden tijdens training en Toon dat kleine correcties aan gedrag vroeg in opleiding produceren betrouwbare verwerving van supinatie. De knop supinatie taak biedt dus efficiënt en kwantitatieve evaluatie van een kritische beweging voor beweeglijkheid bij ratten.

Introduction

Een verlies van beweeglijkheid nadat zenuwstelsel letsel of ziekte aanzienlijk onafhankelijkheid en kwaliteit van leven voor beïnvloede individuen ^1,,^2,,^{3,4 vermindert}. Beweeglijkheid is dus een belangrijk resultaat maatregel voor het begrip van de wetenschap van neurale reparatie en herstel als ook de fundamenten van neurale controle van beweging en motorisch leren. Traditioneel, zijn handmatige taken, zoals het bereiken van één pellet, pasta manipulatie, en Irvine, Beatties en Bresnahan (IBB) voorpoot schaal gebruikt om te evalueren van beweeglijkheid in dieren, specifiek knaagdieren ^{5, 6,7}. Deze taken hebben als gevolg van hun minimale taak Acquisitietijd worden gepopulariseerd. Zij zijn echter van kwalitatieve aard, moeizaam voor de experimentator, en soms, ongevoelig voor functionele bijzondere waardevermindering na blessure met subtiele tekorten ^5,,^7,,^8,9. Deze beperkingen van traditionele taken hebben aangespoord de ontwikkeling van meer kwantitatieve metingen van motor functie in dieren, in het bijzonder het bereiken van de voorpoot.

Er zijn verschillende voordelen aan het automatiseren van taken, namelijk de objectiviteit, de grotere gegevensdoorvoer en de verminderde analyse tijd. Nieuwe geautomatiseerde taken bieden een gevoeliger maatregel beweeglijkheid na blessure dan conventionele taken ^8,10te evalueren. Daarnaast voorzien ze adaptieve opleiding en testen die de opleiding kleermakers en moeite om de prestaties van een dier. Tot slot, geautomatiseerde taken genereren grote hoeveelheden gegevens, waarmee twee voordelen. In de eerste plaats verhoogt een verhoging in gegevens, zowel binnen een proces en het aantal experimenten de statistische macht van een studie. Ten tweede, het geeft neurowetenschappers een grotere set gegevens waaruit motorisch leren, opleiding, en compensatie meer krachtig door middel van analyse van kinetische en kinematische informatie ¹¹te gaan studeren.

Verschillende groepen hebben geprobeerd om traditionele taken te automatiseren. High speed camera's kunnen worden gebruikt kinematische gegevens verzamelen van taken, zoals de interne pellet taak ¹²te bereiken. Alaverdashvili en Wishaw hebben high-speed camera's gebruikt om bereiken bewegingen en analyseren van cijfers bewegingen met behulp van frame-voor-frame-motion meting software piek Motus ¹³. Deze software niet identificeren cijfers met behulp van computer-visie, maar in plaats daarvan vereist de experimentator te digitaliseren bewegende punten door de cursor. Bovendien hebben sommige taken in combinatie met feeders en kooien is gebruikt voor het automatiseren van de opleiding proces ^14,15,16.

Andere groepen hebben krachtsensors evenals high speed camera's gebruikt om te evalueren van ruimtelijke aanpassingen in geschoolde voorpoot bereiken met behulp van manipulatie van de pasta, terwijl anderen hebben ontworpen taken vast te leggen van meer complexe bewegingen ¹⁷van kracht. Een dergelijke taak is een bereik en pull taak die gebruikmaakt van een drie-mate-van-vrijheid robotic apparaat om vast te leggen van de vlakke en roterende beweging van bewegingen ¹⁸van de voorpoot van de rat. Dit heeft voordelen in zijnde kundig voor het meten van de kinetiek van bewegingen, maar met een verhoging in de complexiteit en de kosten.

Wij tonen hier, een semi-automatische voorpoot taak die supinatie in ratten ^{8 maatregelen}. Voorpoot supinatie is de rotatie van de poot vanuit naar de palm palm. Supinatie is zowel een uitstekende markering van corticospinal tract functie en een klinisch relevante beweging bij de mens die nodig is voor het dagelijks leven activiteiten ^8,19,20. Bovendien, is supinatie zeer gevoelig voor schade en inactivering, vooral in vergelijking met enkele pellet bereiken van ⁸. De taak van supinatie, ontwikkeld in een samenwerking tussen de Burke Medical Research Institute en de Universiteit van Texas in Dallas, de roterende beweging van de maatregelen in het horizontale vlak ^8,10. Ratten worden geplaatst in een gedrags vak (figuur 1A) en zijn getraind in het doen van drie bewegingen (figuur 1B): bereiken via een rechthoekige opening; begrijpen van een sferische manipulandum; supinate tot een hoek van de aangewezen.

De taak van het gedrag wordt gecontroleerd door de PC-software (Figuur 1 c). De controlerende software verzendt instructies naar een microcontroller die aangesloten op de auto-positioner, optische encoder, spreker en feeder. De microcontroller en de aansluiting van randapparatuur worden aangeduid als de doos van de microcontroller. Informatie vloeit voort uit optische encoder, de microcontroller, vervolgens de computer, en dan terug naar de microcontroller. Als de controlerende software heeft de microcontroller gesignaleerd dat de proef een succes was, activeert de microcontroller de feeder als u wilt afzien van een pellet. Aan het begin van elke sessie geeft de controlerende software de informatie van de etappe de microcontroller, die leidt van de auto-positioner positie van de knop op de gedefinieerde afstand van de etappe van het diafragma. De auto-positioner kan ook handmatig worden bediend met behulp van de pijltoetsen, gelegen aan de auto-positioner. De optische encoder registreert gegevens op 100 Hz en maatregelen wijzigingen in de hoek. Alle gegevens worden opgeslagen in binaire indeling.

De experimentator gebruikt opleiding van de opeenvolgende fasen binnen de software om te trainen van de rat van gewenning aan supinating tempogebonden hoek en succes. Tijdens de gewenning, wordt de knop manipulandum binnen het diafragma venster zonder een tegenwicht geplaatst. Na een week van zeer gecontroleerde opleiding, de rat Hiermee koppelt u de knop aan een beloning en begint de knop zelfstandig draaien. Zodra de rat is in staat om zelfstandig, is de knop ingetrokken tot 1,25 cm in 0.25 cm stappen totdat de rat annuleertekenzwenking onafhankelijk op 1,25 cm. tegenwicht is dan toegevoegd in stappen van 1 g van 3 g naar 6 g. Automated opleiding stadia trein het dier naar de knop supinate bij 6 g tot 75 graden. Deze fase van de opleiding is grotendeels ongecontroleerde; Zodra de taak ratten aannemen met goede vorm (hieronder besproken), blijven ze goed supinate. Opleiding is voltooid als ratten 75 graden op een succespercentage (hit rate) van 75% ^{8 supinate}. Hier beschrijven we een typische opleiding protocol en de huidige oplossingen voor veelvoorkomende problemen die wij hebben ondervonden. We tonen de progressie van representatieve geslaagde en mislukte ratten door middel van het protocol van de opleiding, en laten zien dat de taak kan worden gewijzigd om aan te tonen van functionele stoornis met subtiele of meer ernstige tekorten.

Protocol

dit protocol beschrijft de taak instellen en tot oprichting van leven en voorwaarden, alsmede opleiding dieren voederen, dieren na blessure testen en analyseren van gedrag gegevens. De vier stappen van dierlijke opleiding worden beschreven alsmede: gewenning, beloning association, tegenwicht opleiding en opleiding tot criterium zet hoek. Alle dierproeven werden goedgekeurd door de IACUC van Weill Cornell geneeskunde en de Universiteit van Texas in Dallas.

1. instelling van de taak

1. ontwerp een gedrags box gemaakt van duidelijke plastic dat maatregelen 150 mm breed 200 mm lang 250 mm hoog.
   Nota: Hier, de rechthoekige opening is 14,2 mm breed door 25,4 mm hoog. De knop manipulandum diameter van 9,5 mm is gemaakt met methacrylaat en heeft twee haltes die supinatie tot minder dan 100° beperken. Elk van deze parameters zijn getest en geoptimaliseerd voor de tekorten die zijn beschreven in de sectie resultaten. De gedrags-box en manipulandum staan in figuur 1A.
2. De microcontroller-box op de computer aansluiten. Tot vier microcontroller vakken kunnen worden aangesloten op elke computer.
3. Gebruiken om te beginnen met de taak, de controle-software ( Figuur 1 c).
   1. Selecteer de knop apparaat voor controle. Voer de naam van de certificaathouder in de " onderwerp " veld. Kies de fase voor de opleiding onder de " fase " dropdownmenu.
      Opmerking: De fasen dicteert drie parameters voor elk afzonderlijk experiment: de " Hit venster, " " Hit drempel, " en " eerste drempel. " een hit wordt gedefinieerd als de hoek criterium bereiken binnen een bepaalde periode van tijd. " Venster hit " verwijst naar de tijd voor het vragenuur voor een dier om te starten van een proces en bereiken de criterium-hoek. " Hit drempel " is de hoek van het criterium voor een succesvolle proef. " Eerste drempelwaarde " is de hoek van de criterium te starten van een proces en klik op venster; Dit geeft het begin van de beurt. Meer informatie over de fasen is beneden te zien onder de sectie " opleiding dieren. "
   2. Klik op " Start " om te beginnen de trainingssessie. Klik op " Feed " handmatig voeden het dier en " stoppen met " om te stoppen met de trainingssessie.
      Opmerking: Handmatige invoer moet worden gebruikt voor het onderhouden van belangstelling voor de taak en wordt in detail beschreven in sectie 3. Na het stoppen van de sessie, sessiegegevens worden opgeslagen op station C:.

2. Woon- en voederen voorwaarden

1. gebruik volwassen vrouwelijke Sprague-Dawley ratten (175-200 g). Huis ratten samen in standaard kooien met omgekeerde 12u donker/12 h licht cyclus. Het uitvoeren van alle trainingen en testen tijdens de donkere cyclus met de lichten gedimd.
   Opmerking: Vrouwelijke ratten worden gebruikt omdat ze gemakkelijker zijn te trainen van ²¹. Hier werden de Sprague-Dawley gebruikt omdat het een gemeenschappelijke stam in motor opleiding, en het is de overheersende stam voor transgenics. Echter gezien de verstelbare aard van de taak (tegenwicht, beurt hoek criterium, afstand tot de knop, en de knop zelf) deze kunnen gemakkelijk worden aangepast voor verschillende stammen en grotere (bijvoorbeeld mannen) of kleiner (bv Wistar) ratten.
2. Voor de eerste 5 dagen van de studie, geven ratten een volledige dal naast qua voedingswaarde volledige, chocolade smaak pellets voor vijf dagen. Na de vijfde dag, voedsel-beperken ratten tot 85% van hun normale gewicht curve.
3. Nadat voedsel beperking is begonnen, voeden de rats 7,5 g chocolade pellets (pas omhoog of omlaag om 85% voor leeftijd gecorrigeerde gewicht) in het geheel van hun opleiding. Als ratten niet 7,5 g chocolade pellets hebben ontvangen in hun trainingen, aanvulling withstandard chow na de slotzitting.
   Opmerking: ad libitum met standaard chow Weekend voeding is tot zondagavond, vervolgens voedsel-ontnemen overnachting. Bij het uitvoeren van chirurgische ingrepen of andere invasieve ingrepen, toestaan voedsel ad libitum ten minste drie dagen vóór, en vervolgens voor drie dagen na de ingreep (afhankelijk van hersteltijden) alvorens ratten op voedsel beperking weer.

3. Opleiding Procedure

Opmerking: een overzicht van de opleiding-procedure wordt getoond in figuur 3A. In het gehele protocol, train de rats tweemaal daags, eenmaal in de ochtend en eenmaal in de middag. Ten minste 3 uur wachten na de ochtendsessie vóór het begin van de middagsessie.

1. Gewenning
   Opmerking: het doel van gewenning is de rat vertrouwd te maken met het test vak en behandeling.
   1. De knop apparaat volledig intrekken door het indrukken van de pijltoets-omlaag op de auto positioner.
   2. Plaats de rat in het gedrags vak gedurende 15 minuten
   3. Na 15 min in het vak, behandelen elke rat in de handen gedurende ten minste vijf minuten om de rat aan de experimentator vertrouwd te.
   4. Herhaal dit vijf dagenlang.
2. Beloning vereniging
   Opmerking: het doel is het opleiden van de rat draaien van de knop koppelen aan een beloning van voedsel. Verwachten dat de lengte van de volledige sessie van 30 minuten te besteden aan de taak tijdens de beloning vereniging fase van de opleiding.
   1. Open de software en de inbreng van de rat naam. Het werkgebied ingesteld op " K1: knop vormgeving - geen riemschijf. "
      Opmerking: Hiermee wordt de afstand van de manipulandum van het diafragma ingesteld op 0,0 cm, de " Init. Thresh. " 3 ° bevindt, " HIT Thresh. " 5 graden, en " HIT venster " op 2 s. Hierdoor is de rat worden gevoed, zolang de rat de knop afgelopen 3 graden draait. De " HIT venster " blijft op 2 s in de gehele opleiding.
   2. Zet de rat in de gedragsmatige vak en druk op " Start " om te beginnen van de zitting.
   3. Vertrouwd de rat aan de trog beloning door verstrekking van 2-3 pellets op een moment en tik op de kant van het vak waar de beloning trog zich bevindt. Afzien van de pellets met behulp van de handmatige invoer knop.
   4. Zodra de rat de locatie van de beloning weet, handmatig 1 pellet afzien wanneer de rat tegenover de diafragma ligt.
   5. Eens de rat wordt verplaatst naar het diafragma in afwachting van een pellet beloning, voorwaarde de rat om te interageren met de manipulandum.
      1. Gevraagd de rat om door het plaatsen van een 45 mg voedsel pellet in de buurt van de manipulandum, of door het toepassen van pellet stof rechtstreeks naar de manipulandum te gaan, zodat het reiken en het te begrijpen. Als de rat weg van het diafragma verplaatst, tik op het vak in de buurt van de manipulandum voor het omleiden van haar aandacht.
         Opmerking: Als de rat heeft aangeraakt de knop met haar bereiken poot, dan zal het programma de rat voeden. Alle interacties die neem niet het gebruik van poten (d.w.z. bijten, duiken de manipulandum) zijn onjuist en moet niet worden beloond.
   6. Zodra de rat begint met aanraken van de knop met de gewenste poot en 10 opeenvolgende keer op 0,0 cm krijgen beloond, gebruik de pijltoets-omlaag op de auto-positioner ( figuur 1A) te trekken van de manipulandum door 0,25 cm. Repeat deze in 0.25 cm verhoogd totdat de manipulandum 1,25 cm van het diafragma is.
   7. Pers " stoppen " na 30 min om de sessie te beëindigen.
   8. Beloning vereniging totdat de rat supinates de manipulandum met de gewenste poot op 1,25 cm van het diafragma ( figuur 1B).
   9. Zodra de rat heeft voltooid 2 opeenvolgende sessies supinating van de manipulandum en het ophalen van de pellet beloning, tegenwicht training beginnen.
3. Tegenwicht training te trainen van de ratten te 6 g tegenwicht supinate.
   1. Plaats 3 g tegenwicht op het manipulandum door de connector aan het einde van de ballast te hechten aan de L-vormige bevestigingspunt op de manipulandum. De tekenreeks tegenwicht doorwerken in de katrol tot de tegenwicht vrij hangt.
   2. Open software en input van de rat naam. Het werkgebied ingesteld op " K2: knop vormgeving - riemschijf. "
      Opmerking: Hiermee wordt de afstand van de manipulandum van het diafragma ingesteld op 1,25 cm, de " Init. Thresh. " bij 3°, en de " HIT Thresh. " op 5 graden. De manipulandum afstand blijft op 1,25 cm vanaf dit punt naar voren.
   3. Zet de rat in de gedragsmatige vak en druk op " Start " om te beginnen van de zitting.
   4. Pers " stoppen " na 100 + succesvolle proeven. Zodra de rat heeft 2 opeenvolgende sessies van 100 + succesvolle proeven voltooid, verhoging van het gewicht door 1 g na het einde van een sessie. Verhoging van het gewicht van 3 g tot 6 g, in latere sessies.
   5. Na 2 opeenvolgende sessies van supinatie op 6 g en 100 + succesvolle proeven gaat u verder met stap 3.4.
      Opmerking: Het duurt gemiddeld 6 sessies (3 dagen) te werken tot van 3 g tot en met 6 g. begin in tegenwicht opleiding, is het absoluut noodzakelijk dat juiste supinatie verkeer wordt beloond en onjuiste supinatie beweging krijgt vorm uit. Voor een rondleiding en uitleg over de juiste en onjuiste supinatie vorm, Zie Figuur 2.
4. Opleiding tot basislijn
   Opmerking: Vergeet niet om door te gaan naar de vorm juiste supinatie beweging. Nogmaals, verwijzen naar Figuur 2 voor een visuele gids over juiste/onjuiste supinatie verkeer en hoe om te verzachten onjuiste supinatie. Trainen van de ratten te supinate aan de basislijn criteria; hier, is dit 75 graden met 6 g tegenwicht op een succespercentage van 75% of hoger.
   1. 6 g tegenwicht plaats op de manipulandum.
   2. Open software en input van de rat naam. Het werkgebied ingesteld op " KSB4: knop opleiding mediaan 75 Max. "
      Opmerking: Hiermee stelt u de " Init. Propageren. " 5 ° bevindt, " HIT drempel Minimum " bij 15°, en " HIT drempel maximaal " op 75°. Dit heet een " adaptieve " fase van de opleiding, wat betekent dat de drempel zal toenemen naarmate de rat ' s prestaties verbetert. Voor de " KSB4 " stadium, de drempel is eerst instellen op de vorige sessie ' s laatste drempel. Als geen vorige sessie werd uitgevoerd op deze stap, is de drempel ingesteld op het minimum drempel van 15 graden. Na de eerste 10 proeven van de sessie, wordt de drempel berekend als de mediaan van de piek in de vorige 10 proeven hoeken. Dus, de drempel is verschillend voor elk afzonderlijk experiment en hangt af van de rat ' s prestaties in de vorige proeven.
   3. Stop de sessie na 30 min.
   4. Doorgaan opleiding met behulp van het adaptieve werkgebied totdat de gemiddelde piek hoek 75 graden is of hoger. Ga vervolgens verder met stap 3.5. Dit gebeurt over het algemeen na ongeveer 10 dagen of 20 sessies.
5. Nulmeting opnemen van vier opeenvolgende basislijnen
   1. 6 g tegenwicht plaats op de manipulandum.
   2. Open software en input van de rat naam. Het werkgebied ingesteld op " K27: 75 graden. " deze manier stelt u de " Init. Propageren. " op 5 ° en " HIT drempel op 75°.
   3. Pers " stoppen " na 30 min of 100 trials, voorvalt eerst, om de sessie te beëindigen.
   4. Ga verder tot er vier opeenvolgende basislijnen met een succespercentage van 75% of hoger.

4. Na schade beoordeling

1. Open software en invoergegevens naar de naamwoord van de rat. Het decor naar hetzelfde statische werkgebied als pre letsel basislijn testen. Dit blijft dezelfde parameters gebruikt voor baseline.
2. Pers " Start " en uitvoeren van sessie tot 30 min.
   Opmerking: Deelname mogelijk te weinig na blessure. Dit kan worden verholpen door de hand van de handleiding feed knop of het plaatsen van een beloning pellet in de buurt van de manipulandum te verleiden de rat aan te gaan met de manipulandum.
3. Herhalen wekelijks met wekelijkse intervallen testen totdat de gewenste lengte van beoordelen van na schade heeft bereikt.
   Opmerking: Hier, wij beoordelen na letsel prestaties wekelijks voor zestal week.

5. Gegevens analyseren

Opmerking: gegevens worden opgeslagen op een standaardlocatie op de C:-schijf van een PC. Gegevens zijn vastgelegd bij 100 Hz tijdens het hit venster en opgeslagen in binaire indeling. Hier was de gegevens geanalyseerd met behulp van een aangepast programma, genaamd beweeglijkheid. Stuur een email naar Dr. Jason Carmel voor toegang tot deze gratis software.

1. Open beweeglijkheid en klik " norm. "
2. Zoek naar de map waar de gegevens van de rat is en selecteer de gewenste map.
3. Na het selecteren van de map, selecteer de rats p.a..
4. Klik op " houd " of " negeren " wilt behouden of verwijderen van bestanden die zijn onvolledig of bevatten geen gegevens.
   Opmerking: Er zijn momenten wanneer sessies worden gestart met behulp van de verkeerde parameters en opleiding podium en terwijl ze worden onmiddellijk gestopt, een bestand wordt nog steeds gemaakt. Dit bestand moet worden verwijderd tijdens de analyse. Er zijn ook gevallen, vooral acuut na blessure, wanneer een dier geen processen vanwege hun blessure of weinig proeven voert. Voor deze sessies, moet een bestand worden bijgehouden, omdat het een vertegenwoordiging van hun prestaties. Wanneer een bestand met geen succesvolle proeven is gehouden, een NaN wordt geplaatst op de juiste plaats voor berekende variabelen.
5. Kiezen of aantekeningen van het experiment nu of later; als " nu annoteren " is geselecteerd, wordt een nieuw venster geopend. Typ het " experimenteren naam, " " groepsnamen, " " gebeurtenisgegevens, " en " totale nummer van weken " in de experiment.
6. Onderwerpen aan een groep toewijzen.
7. Input het aantal sessies van de gegevens in elke week of de tijd de punt. De invoer sessies scheiden door een spatie en zorg ervoor dat niet te zetten een spatie na het laatste nummer d.w.z. (1 1 1 1).
8. Ingang de tijdlabels punt. Scheiden van de etiketten van de invoer door een spatie en zorg ervoor dat u niet een ruimte zetten nadat de laatste label d.w.z. (Pre Wk1 Wk2 Wk3).
9. Selecteren wanneer de gebeurtenis zich heeft voorgedaan; een optie om op te slaan van de analyse-sessie wordt weergegeven. Klik op " Ja " de analyse-sessie opslaan.
10. Is een overzicht van de geannoteerde en unannotated gegevens verschijnt. Dit geeft de mogelijkheid om gegevens uitzetten.
11. Voor de unannotated gegevens, klikt u op " grafiek onderwerp " uitzetten voor een individuele certificaathouder of " grafiek onderwerpen " alle onderwerpen op dezelfde grafiek uitzetten.
12. Voor de geannoteerde analyse, klikt u op " Plot " uitzetten in de experiment.
13. Voor zowel geannoteerde en unannotated, klik op de vervolgkeuzepijl voor een lijst van variabelen moeten worden uitgezet. Klik op de variabele als u wilt weergeven van de plot.
14. Klik op exporteren om te exporteren, de grafiek en/of de gegevens die zijn gekoppeld aan de grafiek.

Results

Vroeg in de opleiding besteedt de experimentator meer tijd aan taak vormgeven van rat gedrag. Zoals de ratten koppelen rat supinatie met beloning, de handen op afneemt tijd (figuur 3A). Tijdens de gewenning, beloning association en tegenwicht opleiding, wordt de volledige sessie lengte (30 min) besteed aan de taak. Echter na een rat is supinating met een gewicht van 6 g, vermindert de tijd op de taak geleidelijk aan ongeveer 15 min als van de rat supinatie hoek toeneemt. Tot slot, wanneer de rat volgens de basislijn bereikt, de tijd op de taak is minimaal; de experimentator moet alleen plaatst de rat in de gedrags en start het programma. Het maximum aantal experimentator gelijktijdig met werken kan ratten is twee ratten tijdens beloning association, vier ratten tijdens tegenwicht opleiding en opleiding tot basislijn en zoveel ratten als er zijn dozen tijdens nulmeting en na letsel testen. Gemiddeld, 75% van de ratten (n = 56) verwerven van de taak.

Nadat de rat is gekoppeld een beloning supinatie, is er een positieve progressie in de rat supinatie hoek (figuur 3B). In figuur 3Bgevorderd de rat van 3 g tot 6 g tegenwicht vanaf dag 3 tot dag 7. Na tegenwicht opleiding, was er een korte periode van adaptieve opleiding vanaf dag 7 tot dag 9, tijdens welke supinatie gestegen van 26 tot 30 graden. Want er niet veel veranderen was, is een statische drempel werkte vanaf dag 9 tot en met 18. Tijdens deze periode, de rat gestaag gestegen van 30 graden tot 75 graden in 8 dagen. Er is dagelijkse variabiliteit in de gehele opleiding, in het bijzonder dagen 12 en 14. Maar in het algemeen er een opwaartse trend in supinatie hoek. Tegen het einde van de dag 17 na gewenning, de rat zijn eerste basislijn had opgenomen, en vier sessies later het afgewerkt nulmeting. Van gewenning aan opname van een vierde basislijn duurt de opleiding protocol een gemiddelde van 20 ± 5 dagen.

Terwijl het bekijken van een ideale progressie via het protocol van de opleiding is belangrijk, het bekijken van een mislukte progressie is even belangrijk (Figuur 4). In figuur 4A, de oranje lijn toont een rat die met succes het protocol voltooit, de blauwe lijn toont een mislukte rat, en lichtgrijze lijnen tonen een andere zes succesvolle ratten. Succesvolle ratten bereikt basislijn in 15 ± 0,6 dagen (n = 7). De vertegenwoordiger van de succesvolle rat gebruikt een 1 uur greep, terwijl de mislukte rat een greep 3 uur gebruikt. Beide ratten koppelen aan de knop een beloning in 2 dagen. Bovendien tonen beide ratten een soortgelijke supinatie hoek (figuur 4A) progressie in de eerste vier dagen nadat de ballast is toegevoegd. Echter na dit punt begint de succesvolle rat te breken uit de buurt van de mislukte rat. Dit is omdat de mislukte rat greep kon worden gecorrigeerd voordat dit punt (Zie Figuur 2).

Voor de succesvolle rat is er een steile stijging van supinatie hoek die begint op het plateau tussen 50 en 60 graden, maar dan weer hervat een regelmatiger beklimming naar 75 graden. Voor de mislukte rat is er echter een meer geleidelijke toename supinatie hoek. Zoals de rat randplateau rond de 20 graden, de rat krijgt geduwd aan het supinate meer, maar uiteindelijk het verliest interesse in de taak, zelfs met handmatige invoer, en de hoek van supinatie vermindert snel rond dag 15 na gewenning. Hoewel er een lichte herstel na dag 17 na gewenning, worstelt de rat om te supinate van meer dan 25 graden. Als een rat is nog niet basislijn overdag 20 bereikt, wij beschouwen deze rat mislukte en verwijderen van de rat uit de studie.

Naast supinatie hoek, kan men een visueel onderzoek van de golfvormen supinatie (figuur 4B-D) uitvoeren voor de geslaagde en mislukte rat. Bij het uitvoeren van een visuele inspectie, we zoeken op verschillende kenmerken van de golfvorm: helling van de lijn, de latentie en het aantal pieken in het venster van de tijd voor het proces. De helling van de lijn wordt berekend als de afgeleide van de curve tussen het begin van de curve en de piek van de curve. De latentie wordt berekend als de tijd tussen de aanvang van het proces en de curve overschrijding van de drempel van de hit. Tot slot, pieken worden berekend met behulp van de afgeleide te vinden lokale maxima in het verhoor venster. Eerder, we vonden dat helling van de lijn, of de snelheid, is een robuuste maatregel van supinatie kinetiek en is gevoelig voor subtiele tekort ⁸.

In het eerste derde van de opleiding na het begin om te supinate met behulp van 6 g (figuur 4B), toont de succesvolle rat (figuur 4B1) een enkele golfvorm met een piek in de buurt van 20 graden, terwijl de mislukte rat (figuur 4B2 ) toont een dubbele bocht, of twee pieken, met de eerste piek in de buurt van 10 graden en de tweede piek in de buurt van 5 graden. In het middelste derde van de opleiding (figuur 4C), toont de succesvolle rat (figuur 4C1) een toename van de piek hoek van 20 graden tot 50 graden met een meer gedefinieerde, één piek-curve. De mislukte rat (figuur 4C2), ondertussen, enige toont een marginale verhoging piek hoek tot 20 graden maar verbeterd in zijn vorm; het gebruikt nu slechts een enkele bocht. Door het laatste derde deel van de opleiding (Figuur 4 d), toont de succesvolle rat (Figuur 4 d1) een zeer uitgesproken één golfvorm met een piek rond de 65 °, ten opzichte van de mislukte rat (Figuur 4 d2) met een hoek van de piek van 20 graden maar nu met een extra piek op 2 s van 15°. Dit is een andere goede indicator dat met de toenemende moeilijkheid van de opleiding, de rat kon corrigeren haar greep 3 uur, en op zijn beurt niet supinate goed. Zelfs als deze rat was niet van de studie uitgesloten en kan uiteindelijk het uitvoeren van tot 75 graden, zou vragen over de vraag of het ware supinatie versus supinatie met compensatie blijven.

Ten slotte, de taak van supinatie detecteert functionele bijzondere waardevermindering na meerdere soorten letsel, met inbegrip van een gesneden laesie van de corticospinal tractus, de belangrijkste weg voor vrijwillige beweging in mensen en voorpoot motorschors laesie uitgevoerd met endothelin injecties (Figuur 5) ^8,10,22. Ratten in de groep pyramidotomy (paarse, n = 8) werden opgeleid om te supinate van ten minste 75° bij 6 g bij een succespercentage van 75% of hoger, terwijl de ratten in de groep van de corticale laesie (groen, n = 10) werden opgeleid om te supinate van 60° op 7,5 g op 75% of hoger. Ratten in beide groepen sprake van een scherpe daling in slagingspercentage na blessure (figuur 5A). Slagingspercentage voor ratten in de pyramidotomy groep daalde van 90% ± 2% tot 14% ± 8%. De sucCess tarief voor ratten met corticale laesie daalde van 76% ± 1% tot 10% ± 3%. Door de week 6, beide groepen waren nog bijzondere waardevermindering heeft ondergaan: de pyramidotomy-groep werd bij 34% ± 11% terwijl de corticale laesie groep bleef bij 16% ± 7%. Wat betreft supinatie hoek tonen beide groepen een daling vanaf pre aan na verwonding (figuur 5B). Als gevolg van de verschillende criterium basislijn supinatie hoeken had de pyramidotomy-groep een hogere pre letsel supinatie hoek (85° ± 2,9 °) dan de corticale laesie groep (67° ± 0.52°). De pyramidotomy groep daalde tot 38° ± 10°, terwijl de corticale laesie groep tot 27° ± 2,9 daalde °.

Figuur 1: Beschrijving van de werkzaamheid van supinatie. (A) de rat wordt geplaatst in een Plexiglas doos met een diafragma waardoor het bereikt en grijpt een knop die supinatie moet zijn ingeschakeld. De knop heeft twee stops om te voorkomen dat supinatie hoeken groter is dan 100°. De knop heeft ook een katrol met contragewicht; Hierdoor ontstaat een koppel dat de rat overwinnen moet om te supinate. De knop is aangesloten op een optische encoder die hoek met een nauwkeurigheid van 0,25 maatregelen °. Deze optische encoder is verbonden met een microcontroller, die op zijn beurt is aangesloten op een computer die de taak onder controle. De computer de microcontroller wanneer naar trigger audio-feedback-signalen en een pellet van de feeder afzien wanneer het criterium van een succes wordt bereikt. De microcontroller bepaalt ook de auto positioner waarvan de positie tussen 0 en 1,25 cm wordt gedicteerd door de fase van de opleiding ingesteld door de computer. (B) de rat voert de taak in drie opeenvolgende bewegingen: 1 uur, en supinating bereiken door het diafragma, de knop met een greep van de macht grijpen attractiepark. (C) de knop supinatie taak wordt beheerd door controlesoftware. De experimentator ingangen de naam van het onderwerp en kiest het stadium van de opleiding, terwijl de corresponderende parameters wordt ingesteld. Een golfvorm van een enkele succesvolle supinatie proef wordt weergegeven in het blauw, terwijl de sequentie van geslaagde en mislukte proeven zijn getoond in groen en rood, respectievelijk. Een proces wordt gekenmerkt succesvol door de controle-software als de supinatie hoek groter dan de hit drempel binnen het gedefinieerde tijdsinterval, is overwegende dat een proef mislukken als dit niet het geval is gemarkeerd. Dit programma controleert één doos. Vier programma's kunnen per computer gelijktijdig worden uitgevoerd. Dit cijfer is gewijzigd van Sindhurakar et al., 2017, Neurorehabilitation en neurale reparatie⁸. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figuur 2: Supinatie bewegingen. Schema's en beschrijvingen van gemeenschappelijke juiste en onjuiste supinatie bewegingen die zich voordoen bij de opleiding protocol. Juiste bewegingen toestaan voor ware supinatie, terwijl de onjuiste bewegingen omvatten compensatiemechanismen die voorkomen ware supinatie dat kunnen. Inbegrepen zijn de voorgestelde oplossingen voor het corrigeren van verkeerde bewegingen. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figuur 3 : Opleiding protocol. (A) standaard tijdlijn. Er zijn vijf opleidingsperioden duren ongeveer 25 dagen in totaal: gewenning (5 d), beloning Association (1-3 d), gewicht opleiding (3-4 d), opleiding tot basislijn (8-12, d) en nulmeting (2-4 d). Het lijnpatroon op de tijdlijn bepaalt de tijd die nodig is voor de experimentator te besteden aan de taak van elke sessie. Aangezien de opleiding protocol opbrengst, vermindert de tijd op de taak. (B) algemene progressie van een rat kunnen supinate van de vereniging van de beloning aan de nulmeting. Over het algemeen, er is een positieve lineaire progressie van de rat naar basislijn, maar zoals waargenomen, is er variabiliteit van een rat prestaties in het gehele opleiding protocol. Na gewicht opleiding, is er een periode van adaptieve opleiding, waar de hoekdrempel supinatie is veranderd aan de rat's prestaties. Dit adaptieve opleiding wordt gevolgd door een statische drempelmethode paradigma de rat basislijn heeft bereikt. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figuur 4: Taak van geslaagde en mislukte overname. (A) progressie van supinatie hoek in de gehele opleiding protocol voor acht ratten, zeven geslaagde en mislukte. Één vertegenwoordiger rat die basislijn criterium (succesvolle, oranje bereikt) en een mislukte rat (blauw) worden verder gebruikt als case-studies. In de eerste zeven dagen van de training na gewenning, zowel de geslaagde en mislukte rat toonde vergelijkbare vooruitgang in supinatie hoek. Door dag 11 na gewenning, was de succesvolle rat 55 ° supinating terwijl de mislukte rat supinated 25 °. Na dag 15 na gewenning, de succesvolle rat toonde een sterke opwaartse progressie, terwijl de mislukte rat in prestaties daalde. In het laatste derde deel van de opleiding na gewenning, had de mislukte rat plateaued 30 ° terwijl de succesvolle rat was supinating 80 °. (B) gemiddelde golfvorm (zwarte lijn) met een betrouwbaarheidsinterval van 95% (oranje voor succesvolle, blauw voor mislukte) voor het eerste derde van de opleiding na 6 g tegenwicht wordt toegevoegd. (B1) Succesvolle rat - één piek rond 20°. (B2) Mislukte rat - dubbele piek met globale maximum van 10°. (C) gemiddelde golfvorm (zwarte lijn) met een betrouwbaarheidsinterval van 95% (oranje voor succesvolle, blauw voor mislukte) voor het tweede derde van de opleiding na 6 g tegenwicht wordt toegevoegd. (C1) Succesvolle rat - één piek bij 45°. (C2) Mislukte rat - verbeterde vorm met één piek in de buurt van 20°. (D) gemiddelde golfvorm (zwarte lijn) met een betrouwbaarheidsinterval van 95% (oranje voor succesvolle, blauw voor mislukte) voor het laatste derde van de opleiding na 6 g tegenwicht wordt toegevoegd. (D1) Succesvolle rat - uitgesproken één piek bij de 65°. (D2) Mislukte rat - dubbele piek met globale maximum 20 °. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figuur 5:sterke > taak gevoeligheid voor verschillende modellen van de schade. Ratten in de groep pyramidotomy (paarse, n = 8) werden opgeleid om te supinate 75° bij 6 g bij een succespercentage van 75% of hoger, terwijl de ratten in de groep van de corticale laesie (groen, n = 10) werden opgeleid om te supinate 60° bij 6 g op 75% of hoger. Gegevens zijn gemiddelde ± standaardafwijking. (A) slagingspercentage voor pyramidotomy laesie versus corticale laesie. Beide modellen letsel sprake van een scherpe daling in slagingspercentage van pre aan na verwonding (week 1). Slagingspercentage voor pyramidotomy daalde van 0.90 ± 0,02 tot 0.14 ± 0.08, terwijl slagingspercentage voor corticale laesie van 0,76 ± 0,01 daalde. (B) supinatie hoek voor pyramidotomy versus corticale laesie. Beide groepen toonden een daling vanaf pre aan na verwonding: de pyramidotomy-groep daalde tot 38.2 ° ± 10.1 ° terwijl de corticale laesie groep tot 27.1 ° ± 2,9 daalde °. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Discussion

De knop supinatie taak evalueert voorpoot supinatie in ratten met behulp van kwantitatieve en semi-geautomatiseerde methoden. Om te bereiken deze eindpunten, hebben veel van de parameters die zijn ontworpen voor de taak, inclusief knop uitlijning, manipulandum ontwerp en de criteria van de opleiding, over meerdere jaren is herhaald. Knop uitlijning is ingesteld, we experimenteerden met drie verschillende aanpassingen van de knop met betrekking tot het diafragma: links van de knop die is uitgelijnd met de linkerkant van het diafragma, de knop gecentreerd in diafragma, en de rechterkant van de knop uitgelijnd met de rechterkant van de een perture. We vestigden zich aan de rechterkant van de knop worden uitgelijnd met de rechterkant van het diafragma, als deze geproduceerde ratten die werden opgeleid in de kortste hoeveelheid tijd en die supinated met minimale compenserende mechanismen, in het bijzonder interferentie van de linker poot.

We gewijzigd wat betreft manipulandum ontwerp, verschillende designelementen om te draaien met de voorpoot te maximaliseren en minimaliseren van gebruik van het lichaam. Bovendien, aangepast we de moeilijkheidsgraad van de taak om de ernst van het voorspelde tekort. Na pyramidotomy, supinatie is de beweging die sterk wordt beïnvloed, maar de bijzondere waardevermindering is nog steeds relatief subtiel. Dus, we getraind de ratten naar een hogere basislijn criterium (75°) om ervoor te zorgen dat de grote tekorten werden waargenomen na blessure. Voor corticale laesies, die meer afbreuk te doen aan, was 60 graden drempel bij 7,5 g voldoende om aan te tonen een significant tekort na blessure. Aanvullende parameters die werden geoptimaliseerd door een trial-and-error aanpak omvatten apertuurgrootte, knop afstand van diafragma, en venster van de tijd om een succesvolle proef.

Er zijn enkele kritische punten in het gehele protocol opleiding waarvoor zorgvuldig toezicht. Als u traint op basislijn, is de adaptive thresholding methode gebruikt met succes om te trainen van ratten tot 75° ¹⁰. Echter kan ratten plateau op een piek hoek kleiner is dan 75°; de prestaties blijft hetzelfde na 4-5 sessies. Om prestaties te verbeteren, kan een statische drempel worden ingezet. Een statische drempel de drempel nog altijd een set graad, die onafhankelijk is van de prestaties van de rat, in tegenstelling tot een adaptieve drempel die verandert op basis van recente prestaties. Als de rat randplateau tijdens adaptieve opleiding, moet de experimentator een statische drempel wijzigen. Statische opleiding etappes varieert van 20 tot 70 graden in stappen van 10°. (Etappe K28 - K33). Kies de statische fase op basis van de rat gemiddelde piek hoek in de vorige 2 of meer sessies. Bijvoorbeeld, als de rat is gemiddeld 45°, selecteert u de statische fase voor 50 graden (K31). Alle statische stadia instellen de "Init. Propageren."5 °. Tijdens de opleiding als de rat motivatie verliest, handmatig voeden de rat als het supinates dicht bij maar niet boven de drempel.

Bovendien, tijdens de nulmeting regress ongeveer 5% van de ratten 5-10° in hun hoek supinatie en 5-10% in slagingspercentage tussen sessies. Als dit gebeurt, de rat worden niet hersteld van de hoek van de gemiddelde piek 75° na 3-4 sessies, verlagen de statische fase tot binnen 10 graden van de huidige gemiddelde hoek van de rat voordat hij terugkeerde naar stap 3.5. Het is belangrijk om niet opnieuw een rat naar de adaptieve fases zodra het heeft gelegd op statische opleiding stadia.

Er zijn enkele beperkingen aan de taak. Zodra de onjuiste greep standpunt heeft vastgesteld, kan veranderen van grijpen gedrag (Figuur 2) moeilijk zijn. Vroegtijdige opsporing en correctie is dus belangrijk. Om op te lossen van een rat greep, kan het diafragma worden gewijzigd door vernauwing van de grootte van het diafragma in de horizontale en/of verticale richting; meestal tape we een glasplaatje aan de rand van het diafragma die moeten worden aangepast. Voor de meeste ratten verbetert dit hun greep vorm, want het dwingt hen om te begrijpen van de manipulandum op een specifieke wijze. Dit, beurtelings, verbetert hun vermogen tot goed supinate.

Naast deze uitdaging kunnen ratten compenserende mechanismen om te supinate ontwikkelen. Voorbeelden hiervan zijn het gebruik van het hoofd op de steun van de voorpoot in supinatie; verlaging van de elleboog en de schouder gezamenlijke te Draai de knop; met behulp van de linker poot draai de knop of de bereiken paw duw. Al deze gedragingen kunnen worden gebruikt met succes de taak te voltooien. Zoals hierboven vermeld, kunnen gedrag met betrekking tot de greep worden gecorrigeerd door het manipuleren van het diafragma. Compenserende mechanismen buiten de greep, echter, vereist actieve deelname door de experimentator compenserende gedrag niet te belonen. Na blessure, hebben we ratten nemen verschillende proeven te plaatsen van de poot in de juiste positie voor supinating waargenomen. Hoewel we hebben niet geanalyseerd welke onderdelen van de taak kunnen bijdragen tot het verlies van supinatie, dit kunnen onder meer verlies van nauwkeurige grip en verminderde kracht modulatie, onder de vele mogelijkheden.

De semi-automatische supinatie taak duurt, gemiddeld 20 ± 5 dagen te trainen ratten op basislijn, en 25% van de dieren niet worden opgeleid voor de taak. Bijdragen aan de trainingstijd is het feit dat wij natuurlijk recht-preferente ratten niet hebt geselecteerd, maar in plaats daarvan alle dieren dwingen te gebruiken hun juiste poten zoals gebruikelijk is in de meeste bereiken testen. We hebben niet geprobeerd met behulp van de links-voorkeur-ratten, maar het zou een interessante exploratieve studie eerst identificeren paw voorkeur en vervolgens de trein van de dominante poot. Als u wilt dit, zouden we moeten spiegelen van de oriëntatie van de deuren, zodat het diafragma wordt omgekeerd; Dit kan gemakkelijk worden gedaan.

Vergeleken met traditionele taken zoals de IBB of één pellet bereiken, meet de taak van supinatie kwantitatief en objectief voorpoot bereiken. Het toont de gevoeligheid voor ernstige blessure (corticale laesie) en subtiele letsel (pyramidotomy), en de procedure van de opleiding kan worden aangepast afhankelijk van de ernst van het letsel model. Want het is een semi-automatische, staat de taak van de experimentator te trainen meerdere ratten gelijktijdig, afhankelijk van de fase van de opleiding. Dit verbetert sterk de productiviteit en de rat doorvoer van de experimentator. De taak is betrouwbaar en reproduceerbaar tussen ratten. Door het creëren van een gids voor probleemoplossing (Figuur 2) voor onderzoekers om te verwijzen naar tijdens de opleiding protocol, hebben we verschillende onjuist gedrag alsmede oplossingen corrigeren gestandaardiseerd. Ten slotte, de taak biedt een intuïtieve middel voor het analyseren van grote hoeveelheden gegevens en geeft de experimentator de mogelijkheid om dieper ingaan op de kinetiek van supinatie.

In de toekomst, zullen we gebruiken de semi-automatische supinatie taak als een platform om te evalueren van type, de dosis en tijdstip van rehabilitatie. Ons lab is geïnteresseerd in de effecten van stimulatie op functionele verbetering na blessure. Bovendien, wij zijn geïnteresseerd in hoe therapieën die neurale stimuleren herstel of verbetering van neurale geleiding en communicatie kan invloed hebben op rehabilitatie. Wij hebben ook belang bij het wijzigen van de taak om compatibel te zijn met electrofysiologie zodat we motorisch leren bestuderen kunnen; ratten met hoofdcaps routinematig uitvoeren van de taak, en het toevoegen van een commutator voor het opnemen of stimulatie zou eenvoudig te doen. De taak, zoals wordt beschreven, is voor ratten, maar er zijn ook laboratoria experimenteren met het gebruik van muizen voor de taak. In het algemeen, kan deze taak kan worden gebruikt voor het evalueren van de voorpoot functie bij knaagdieren in een breed scala van modellen van schade en ziekte staten en op zijn beurt voor de evaluatie van rehabilitatie strategieën. Vooruit, dat we zullen blijven verbeteren van de taak, met verfijningen om te helpen verminderen van onjuist gedrag en taak verwerving tarief en de trainingstijd te verbeteren.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Base Cage - Rat Model	Vulintus	MotoTrak Rat System	N/A
Controller	Vulintus	MotoTrak Rat System	N/A
Behavior Module	Vulintus	MotoTrak Rat System	Supination Task, Methacrylate Dual Stop Knobs
Pellet Dispenser - 45mg	Vulintus	MotoTrak Rat System	N/A
Autopositioner	Vulintus	MotoTrak Rat System	N/A
45 mg, Chocolate Flavor, 50,000/Box	Bio-Serv	F0299	N/A
HP Z230 Tower WorkStation	HP	N/A	Intel Xeon CPU E3-1225 v3 @ 3.20 GHz, 16GB RAM, 1TB HDD. Min Requirements: 8GB RAM, Multi-Core Processor
Dexterity	Burke Medical Research Institute		Matlab software for data analysis
Enviropak	WF Fisher and Son	N/A	N/A