RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
pl_PL
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Ten artykuł przedstawia protokół, który pozwala na nieinwazyjną i automatyczną ocenę sprawności motorycznej, a także adaptacyjne i asocjacyjne uczenie się motoryczne w przypadku wyzwań, przy użyciu urządzenia zwanego Drabiną Erasmusa. Trudność zadania można dostosować w celu wykrycia upośledzenia motorycznego w zakresie od dużego do subtelnego stopnia.
Zachowanie jest kształtowane przez działania, a działania wymagają umiejętności motorycznych, takich jak siła, koordynacja i nauka. Żadne z zachowań niezbędnych do podtrzymania życia nie byłoby możliwe bez zdolności do przechodzenia z jednej pozycji do drugiej. Niestety, zdolności motoryczne mogą być zagrożone w wielu chorobach. Dlatego badanie mechanizmów funkcji motorycznych na poziomie komórkowym, molekularnym i obwodowym, a także zrozumienie objawów, przyczyn i progresji zaburzeń motorycznych, ma kluczowe znaczenie dla opracowania skutecznych metod leczenia. W tym celu często wykorzystuje się modele mysie.
Ten artykuł opisuje protokół, który pozwala na monitorowanie różnych aspektów sprawności motorycznej i uczenia się u myszy za pomocą zautomatyzowanego narzędzia o nazwie Erasmus Ladder. Test składa się z dwóch faz: fazy początkowej, w której myszy są szkolone do poruszania się po poziomej drabinie zbudowanej z nieregularnych szczebli ("uczenie się motoryczne"), oraz drugiej fazy, w której na drodze poruszającego się zwierzęcia pojawia się przeszkoda. Zaburzenia mogą być nieoczekiwane ("wyzwanie w uczeniu się motorycznym") lub poprzedzone tonem słuchowym ("asocjacyjne uczenie się motoryczne"). Zadanie jest łatwe do wykonania i jest w pełni wspierane przez zautomatyzowane oprogramowanie.
Ten raport pokazuje, jak różne odczyty z testu, analizowane za pomocą czułych metod statystycznych, pozwalają na dokładne monitorowanie zdolności motorycznych myszy przy użyciu małej kohorty myszy. Sugerujemy, że metoda będzie bardzo czuła do oceny adaptacji motorycznych napędzanych modyfikacjami środowiska, a także subtelnych deficytów motorycznych we wczesnym stadium u zmutowanych myszy z upośledzonymi funkcjami motorycznymi.
Opracowano różne testy do oceny fenotypów motorycznych u myszy. Każdy test dostarcza informacji na temat określonego aspektu zachowania motorycznego1. Na przykład test w otwartym polu informuje o ogólnej lokomocji i stanie lękowym; badania koordynacji i równowagi przy użyciu rotarod i belki kroczącej; Analiza śladów stóp dotyczy chodu; bieżnia lub koło do biegania podczas wymuszonych lub dobrowolnych ćwiczeń fizycznych; A złożone koło polega na nauce umiejętności motorycznych. Aby przeanalizować fenotypy motoryczne myszy, badacze muszą wykonywać te testy sekwencyjnie, co wiąże się z dużo czasu i wysiłku, a często także z kilkoma kohortami zwierząt. Jeśli informacje znajdują się na poziomie komórkowym lub obwodów, badacz zwykle decyduje się na test, który monitoruje powiązany aspekt i na tej podstawie podąża. Brakuje jednak paradygmatów, które dyskryminują różne aspekty zachowań motorycznych w sposób zautomatyzowany.
Ten artykuł opisuje protokół korzystania z Erasmus Ladder2,3, systemu, który pozwala na kompleksową ocenę różnych cech motorycznych u myszy. Główne zalety to powtarzalność i czułość metody, a także zdolność do miareczkowania trudności motorycznych i oddzielania deficytów w sprawności motorycznej od upośledzonego asocjacyjnego uczenia się motorycznego. Główny element składa się z poziomej drabiny z naprzemiennie wysokimi (H) i niskimi (L) szczeblami, wyposażonymi w czujniki dotykowe, które wykrywają położenie myszy na drabinie. Drabina wykonana jest z 2 x 37 szczebli (L, 6 mm; H, 12 mm) oddalone od siebie o 15 mm i ustawione naprzemiennie od lewej i prawej z odstępami 30 mm (
Drabina Erasmusa została opracowana stosunkowo niedawno2,3. Nie był szeroko stosowany, ponieważ konfiguracja i optymalizacja protokołu wymagała skoncentrowanego wysiłku i została specjalnie zaprojektowana do oceny zależnego od móżdżku uczenia się asocjacyjnego bez szczegółowego badania jego potencjału do ujawniania innych deficytów motorycznych. Do tej pory został potwierdzony pod kątem jego zdolności do ujawniania subtelnych zaburzeń motorycznych związanych z dysfunkcją móżdżku u myszy3,4,5,6,7,8. Na przykład myszy z nokautem connexin36 (Cx36), u których połączenia szczelinowe są upośledzone w neuronach oliwkowych, wykazują deficyty zapłonu z powodu braku sprzężenia elektrotonicznego, ale fenotyp motoryczny był trudny do określenia. Testy z wykorzystaniem drabiny Erasmusa sugerowały, że rola dolnych neuronów oliwkowych w zadaniu uczenia się motorycznego móżdżku polega na kodowaniu precyzyjnego kodowania czasowego bodźców i ułatwianiu zależnych od uczenia się reakcji na nieoczekiwane zdarzenia3,4. Mysz z nokautem rybonukleoproteiny 1 (Fmr1) z łamliwym chromosomem X Messenger, model zespołu łamliwego chromosomu X (FXS), wykazuje dobrze znane upośledzenie poznawcze wraz z łagodniejszymi defektami w tworzeniu pamięci proceduralnej. Nokauty Fmr1 nie wykazały znaczących różnic w czasie kroków, błędnych krokach w próbie lub poprawie sprawności motorycznej w porównaniu z sesjami w drabinie Erasmusa, ale nie dostosowały swojego wzorca chodu do nagle pojawiającej się przeszkody w porównaniu z ich rodzeństwem z miotu typu dzikiego (WT), potwierdzając specyficzne deficyty pamięci proceduralnej i asocjacyjnej3,5. Co więcej, specyficzne dla komórek myszy zmutowane linie z defektami funkcji móżdżku, w tym upośledzoną wydajnością komórek Purkinjego, wzmocnieniem i wyjściem interneuronów warstwy molekularnej lub komórek ziarnistych, wykazywały problemy w koordynacji ruchowej ze zmienionym nabywaniem efektywnych wzorców kroków i liczbą kroków podejmowanych w celu przekroczenia drabiny6. Uszkodzenie mózgu u noworodka powoduje deficyty uczenia się móżdżku i dysfunkcję komórek Purkinjego, które można również wykryć za pomocą Erasmus Ladder7,8.
W tym filmie prezentujemy obszerny przewodnik krok po kroku, który szczegółowo opisuje konfigurację pokoju behawioralnego, protokół testu behawioralnego i późniejszą analizę danych. Ten raport został opracowany tak, aby był dostępny i przyjazny dla użytkownika i został zaprojektowany specjalnie po to, aby pomóc nowicjuszom. Protokół ten zapewnia wgląd w różne fazy treningu motorycznego i oczekiwane wzorce motoryczne, które przyjmują myszy. Wreszcie, w artykule zaproponowano systematyczny przepływ pracy do analizy danych przy użyciu potężnego podejścia regresji nieliniowej, wraz z cennymi zaleceniami i sugestiami dotyczącymi adaptacji i zastosowania protokołu w innych kontekstach badawczych.
W obecnym badaniu wykorzystano dorosłe (2-3 miesiące) myszy C57BL/6J obu płci. Zwierzęta trzymano w pomieszczeniach od dwóch do pięciu sztuk w klatce z dostępem ad libitum do pożywienia i wody w jednostce zwierzęcej pod obserwacją i utrzymywano w środowisku o kontrolowanej temperaturze przez 12-godzinny cykl ciemności/światła. Wszystkie procedury zostały przeprowadzone zgodnie z przepisami europejskimi i hiszpańskimi (2010/63/UE; RD 53/2013) i zostały zatwierdzone przez Komisję Etyki Generalitat Valenciana oraz Komisję ds. Dobrostanu Zwierząt Universidad Miguel Hernández.
1. Konfiguracja pokoju behawioralnego
2. Protokół testu behawioralnego
3. Analiza danych
UWAGA: Lista parametrów jest automatycznie mierzona przez Erasmus Ladder na podstawie natychmiastowego zapisu aktywności czujników dotykowych. Do analizy parametry wyjściowe wybrane przez użytkownika są organizowane i przetwarzane w arkuszach kalkulacyjnych. Wraz z wykresami generowanymi przez oprogramowanie, użytkownicy mogą generować wykresy za pomocą wybranego oprogramowania do tworzenia wykresów, aby wizualizować określone zmiany różnych parametrów w sesjach.
Urządzenie, konfiguracja i zastosowany protokół Erasmus Ladder są przedstawione w Rysunek 1. Protokół składa się z czterech sesji bez zakłóceń i czterech sesji prowokacyjnych (42 próby każda). Każda próba to jeden przejazd po drabince między początkowym i końcowym polem bramek. Na początku sesji mysz jest umieszczana w jednym z pól startowych. Po upływie ustawionego czasu 15 ± 5 s (stan "spoczynku") światło jest włączane (wskazówka 1, maksymalnie na 3 s). Następnie stosuje się lekką wskazówkę powietrzną (wskazówka 2, maksymalnie 45 s), aby zachęcić myszy do opuszczenia pudełka i przejścia na przeciwległy koniec. Czas reakcji na sygnał powietrzny może się różnić w zależności od myszy i sesji i może być używany jako parametr do porównywania stanów motywacji lub lęku między grupami. Nowa próba jest rozpoczynana natychmiast po tym, jak mysz dotrze do pola końcowego celu.
U myszy WT nie zaobserwowano różnic w czasie odpoczynku i czasie reakcji na sygnał świetlny w dniach 1-4, ale czas reakcji na sygnał powietrzny nieznacznie się zmniejszył między dniem 1 a 2 (Rysunek 2A). Pomiary czasu do przejścia przez drabinę dały znaczącą krzywą uczenia się od 1 do 4 dni, którą można było dopasować do krzywej regresji mocy (R = 0,50, *p = 0,047, Rysunek 2B). Kluczowym parametrem określającym czas potrzebny na przejście przez drabinę jest występowanie pomyłek w krokach. Wraz ze skróceniem czasu na drabinie, liczba prób, w których myszy popełniały błędy, zmniejszyła się w trakcie niezakłóconych sesji, ponieważ myszy nauczyły się chodzić po wyższych szczeblach (stopnie H-H) i unikać niższych, co było bardziej efektywnym wzorcem przekraczania drabiny (R = 0,90, ***p < 0,0001, Rysunek 2C).
Od 5 do 8 dnia, myszy były poddawane sesjom wyzwań, w których wprowadzano nieoczekiwaną przeszkodę (USA) (jeden szczebel jest losowo podnoszony o 18 mm ponad powierzchnię schodka). W niektórych próbach ton (CS, 90 dB, 15 kHz ton trwający 250 ms) jest prezentowany 250 ms przed perturbacją amerykańską (patrz Rysunek 1B).
Wraz z rozpoczęciem sesji wyzwań w dniu 5, zwierzęta potrzebowały więcej czasu na przejście przez drabinę podczas prób tylko w USA z powodu nieprzewidzianego wprowadzenia przeszkody (dzień 4: 5.01 s; Rysunek 2B; dzień 5: 7,84 s; Rysunek 3; sparowany test t,*p < 0,039). Wydajność myszy poprawiła się od 5 do 8 dni, co dało znaczną krzywą uczenia się w sesjach tylko w Stanach Zjednoczonych (R = 0,50, *p = 0,045, Rysunek 3, pomarańczowy). W próbach uczenia się asocjacyjnego, w których przeszkoda była sparowana z dźwiękiem, zwierzęta wykonywały codzienne sesje znacznie szybciej w porównaniu z próbami tylko w USA (R = 0,63, Rysunek 3, fioletowy; dwukierunkowy RM ANOVA, *p = 0,028). Wreszcie, w próbach kontrolnych, w których ton był prezentowany samodzielnie (tylko CS), odnotowano znaczącą krzywą uczenia się, która przypominała sesje bez zakłóceń (R = 0,82, ***p < 0,001, Rysunek 3, niebieski).
Analiza wzorców kroków dostarczyła dodatkowego potwierdzenia i zwiększonej czułości w wykrywaniu różnic między próbami tylko amerykańskimi a próbami asocjacyjnymi. Rysunek 4A pokazuje, jak odsetek prób z błędami pozostał stały we wszystkich badaniach tylko w USA (R = 0,01, p = 0,90, pomarańczowy), podczas gdy znaczny spadek prób z błędnymi krokami zaobserwowano podczas sparowanych sesji (R = 0,61, *p = 0,01, fioletowy). Rysunek 4B pokazuje znaczącą różnicę między czasami kroku przed i po perturbacji w próbach tylko w USA (dwukierunkowe RM ANOVA, *p = 0,05), ale nie w próbach sparowanych, gdzie myszy uczyły się szybciej pokonywać przeszkodę. Wszystkie badane zmienne i zastosowane testy statystyczne przedstawiono w tabeli uzupełniającej S1.

Rysunek 1: System, protokół i parametry. (A) Drabina Erasmusa składa się z poziomej drabiny otoczonej dwoma polami bramkowymi. Kreskówka przedstawia drabinę z naprzemiennie wysokimi i niskimi szczeblami oraz zapisanymi głównymi parametrami, w tym typami kroków (normalne kroki, wypełniona linia; lub błędne kroki, linia przerywana) oraz czas kroku przed i po perturbacji zdefiniowany jako czas, w którym mysz potrzebuje pokonać przeszkodę (bodziec bezwarunkowy; wyższy szczebel) ogłaszany lub nie przez sygnał dźwiękowy (bodziec warunkowy). (B) Protokół składa się z czterech sesji bez zakłóceń i czterech sesji prowokacyjnych (jedna sesja/dzień, 42 próby/sesja), które pozwalają na oddzielną analizę uczenia się motorycznego (niezakłóconego i tylko CS na niebiesko), kwestionowanego uczenia się motorycznego (tylko US, na pomarańczowo) i asocjacyjnego uczenia się motorycznego (sparowane CS + US, na fioletowo). Skróty: H = wysoki; L = niski; CS = bodziec warunkowy; US = bodziec bezwarunkowy. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Sprawność motoryczna myszy WT podczas niezakłóconych sesji. (A) Czas odpoczynku w polu bramkowym (stały, 15 s), czas reakcji na sygnały: światło (stałe, 3 s) i powietrze (zmienne); w ciągu 1-4 dni niezakłóconych sesji. (B) Czas na przejście przez drabinę po sygnale (światło i powietrze) podczas niezakłóconych sesji. (C) Odsetek prób w każdej sesji bez zakłóceń, w których zwierzę pominęło krok. Do zbadania postępów w nauce wykorzystano analizę regresji mocy (R = 0,50: *p = 0,047, R = 0,90 ***p < 0,0001, odpowiednio, n = 4 myszy). Skrót: WT = typ dziki. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Wydajność myszy WT podczas sesji wyzwań. Średni czas na drabince po wskazówkach w dniach 5-8 dla prób tylko w USA (pomarańczowy), sparowanych (fioletowy) i tylko CS (jasnoniebieski). Do zbadania postępów w nauce wykorzystano analizę regresji nieliniowej mocy (*p = 0,047, **p = 0,0093, ***p < 0,001, n=4 myszy). Dwukierunkowa ANOVA RM do porównania typów badań (*p = 0,028, **p = 0,008, n=4 myszy, dwa samce i dwie samice, średnia ± SEM). Skróty: CS = bodziec warunkowy; US = bodziec bezwarunkowy. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Zmiany we wzorcach kroków myszy podczas sesji wyzwań. (A) Procent prób na sesję, w których zwierzę pominęło krok podczas sesji tylko w USA i w parach. Do zbadania procesu uczenia się wykorzystano analizę regresji mocy (*p = 0,013) oraz dwukierunkową ANOVA RM do porównania typów prób (*p = 0,032, n = 4 myszy). (B) Czas kroku przed i po perturbacji (s) w sesjach tylko w USA i sparowanych podczas sesji. Dwukierunkowe powtarzane pomiary ANOVA, *p < 0,05, n = 4 myszy, dwa samce i dwie samice, średnia ± SEM. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Rysunek uzupełniający S1: Interfejs oprogramowania: jak stworzyć eksperyment i wybrać protokół. Zrzuty ekranu z oprogramowania ilustrujące przepływ pracy opisany w kroku 2.1 protokołu, obejmujące kroki od 2.1.4 do 2.1.8. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Rysunek uzupełniający S2: Interfejs oprogramowania: jak rozpocząć sesję i wyeksportować dane. Zrzuty ekranu z oprogramowania ilustrujące przebieg pracy opisany w krokach protokołu 2.2 i 2.5, obejmujący kroki od 2.2.4 do 2.2.7 i od 2.5.1 do 2.5.3. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Tabela uzupełniająca S1: Tabela statystyczna. Opis wszystkich badanych zmiennych i zastosowanych testów statystycznych, podany w Rysunek 2B,C, Rysunek 3, oraz Rysunek 4A,B. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Autorzy nie mają do ujawnienia żadnych konfliktów interesów.
Ten artykuł przedstawia protokół, który pozwala na nieinwazyjną i automatyczną ocenę sprawności motorycznej, a także adaptacyjne i asocjacyjne uczenie się motoryczne w przypadku wyzwań, przy użyciu urządzenia zwanego Drabiną Erasmusa. Trudność zadania można dostosować w celu wykrycia upośledzenia motorycznego w zakresie od dużego do subtelnego stopnia.
Dziękujemy technikowi audiowizualnemu i producentowi wideo Rebece De las Heras Ponce, a także głównemu weterynarzowi Gonzalo Moreno del Val, za nadzór nad dobrymi praktykami podczas eksperymentów na myszach. Praca została sfinansowana z grantów z GVA Excellence Program (2022/8) i Hiszpańskiej Agencji Badawczej (PID2022143237OB-I00) dla Isabel Pérez-Otaño.
| Myszy C57BL/6J (Mus musculus) | Charles Rivers | ||
| Erasmus Ladder | Noldus, Wageningen, Holandia | ||
| Oprogramowanie Erasmus Ladder 2.0 | Noldus, Wageningen, Holandia | ||
| Oprogramowanie Excel | Microsoft | ||
| Oprogramowanie Sigmaplot | Systat Software, Inc. |