Het evalueren van geschoolde Prehension bij muizen met behulp van een auto-trainer

Samenvatting

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.

Samenvatting

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.

Inleiding

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 trainen^1,2.

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.

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

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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

1. 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.
   1. 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.
   2. 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.
2. 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.
3. 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.
   1. 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.
   2. 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.
   3. 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.
   4. 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.

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.

1. Bereid u voor op de trainingssessie.
   1. 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.
   2. 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.
2. Voer de trainingssessie van de muis uit met de LabVIEW-interface.
   1. Voer informatie in die nodig is om gegevens over de trainingssessie te registreren (afbeelding 3 en tabel 2).
      1. Klik op het veld muis-id en typ de bestandsnaam van elke trainingssessie via het toetsenbord van de computer.
      2. 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.
      3. 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.
      4. 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.
      5. 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.
      6. Klik op het veld map met Logboeken om de bestandslocatie te selecteren om de verzamelde gegevens op te slaan.
      7. 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.
   2. 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.

Resultaten

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.

Discussie

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 protocollen^{2,5 ,6}. De vooruitgang hier is de automatisering van de taak met behulp van een robot die huis-kooi huisves...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
ABS Filament	Custom 3D Printed	N/A	gebruikt voor pellethouder, frame, arm en trechter
ABS Sheet	McMaster-Carr	8586K581	3/8" dikte; gebruikt voor platformcomponenten, positionering standgeleiders en basis
Adruino Mini	Adruino	A000087	nano versie ook compatibel evenals andere vergelijkbare microcontrollers
Bench-Top Adjustable-Height Positioning Stand	McMaster-Carr	9967T43	35 lbs. laadvermogen
Clear Acrylic Round Tube	McMaster-Carr	8532K14	ID 3/8"
Low-Carbon Staaldraad	McMaster-Carr	8855K14	0.148" diameter
Pellet Dispenser	Lafayette Instrument: Neuroscience	80209-45	met 45 mg verwisselbare pelletmaat wiel en optionele stand
Photointerrupter Breakout Board	SparkFun	BOB-09322 ROHS	ontworpen voor Sharp GP1A57HRJ00F
Reflective Object Sensor	Fairchild Semiconductor	QRD1113	fototransistor uitgang
Servo Motor	SparkFun	S8213	generieke metalen versnelling (micro formaat)
Transmissive Photointerrupter	Sharp	GP1A57HRJ00F	opening: 10 mm, spleet: 1,8 mm