Методическая статья

Введение в Clicker подготовки в качестве когнитивного обогащения для лабораторных мышей

12.9K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/55415

⸱

6 марта 2017 г.

 ,  ,  ,  , 
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

В этой статье

Краткое содержание

Разработка новых стратегий совершенствования для лабораторных мышей — сложная задача, которая способствует реализации принципа 3R. Этот протокол представляет обучение с помощью кликера в качестве программы когнитивного обогащения для лабораторных мышей.

Аннотация

Создание новых стратегий совершенствования в науке о лабораторных животных является центральной целью в выполнении требований Директивы 2010/63/EU. Предыдущие исследования показали глубокое влияние протоколов бережного обращения на благополучие лабораторных мышей. Внедряя обучение мышей с помощью кликера, мы не только способствуем дружественному обращению с мышами, но и даем им возможность испытать когнитивное обогащение. Дрессировка кликера — это форма дрессировки с положительным подкреплением с использованием условного вторичного подкрепления, «щелкающего» звука кликера, который служит временным мостом между усиленным поведением и предстоящим вознаграждением. Эффективная реализация протокола обучения кликера с когортой из 12 инбредных мышей BALB/c каждого пола оказалась несложной. Мыши довольно быстро обучались при выполнении заданий по протоколу обучения кликера, и почти все обученные мыши преодолевали поставленные перед ними задачи (100% самок мышей и 83% самцов). Это исследование показало, что обучение мышам с помощью кликера сильно коррелирует со снижением страха у мышей во время взаимодействия человека и мышей, о чем свидетельствует снижение поведения, связанного с тревогой (например, дефекация, вокализация и мочеиспускание) и меньшее количество поведения, похожего на депрессию (например, плавание). Разработав надежный протокол, который можно легко интегрировать в повседневную практику содержания лабораторных мышей, можно значительно улучшить жизненный опыт благополучия мышей.

Введение

Разработка новых стратегий для уточнения лабораторных мышей является сложной задачей , которая способствует выполнению 3Rs (замены, сокращения и уточнения) лабораторных животных науки 1. Улучшения в области уточнения может дополнительно способствовать благосостоянию миллионов животных, которые используются для экспериментальных целей. Таким образом, интенсивное исследование необходимо в этой области. Это также определенная цель Директивы 2010/63 Европейского союза. Директива 2010/63 / ЕС указывает на то, что время жизни опыт лабораторных животных должна быть усилена , и что "учреждения должны разработать программы привыкания и обучения , подходящие для животных, порядок и продолжительность проекта" (статья 3.7) 2.

Лабораторные животные могут испытывать много стрессовых ситуаций, в то время как они держат и разводят для экспериментов. Как правило, взаимодействие между трудомAtory мыши и ответственные лица весьма ограничены. Таким образом, доверительные отношения не могут развиваться. Это может вызвать повышенную тревожность и стресс в ответ на обращение, которое является вредным для поведения и физиологии, и , следовательно, благополучия, животных 3, 4, 5, 6. Кроме того, регулярно проводится лабораторные процедуры , как общего обращения, сдержанностью и крови или отбор проб тканей может вызвать ответные реакции на стресс, которые могут быть исследованы путем измерения различных параметров, таких как гормоны стресса или поведения 7, 8. Было показано , что обработка программы может эффективно уменьшить беспокойство по отношению к следователю в лабораторных грызунов 9, 10, 11. Работа с программами, поэтому могут улучшить животныхусловия и может в значительной степени способствовать благосостоянию животных 5.

Целью данного исследования является внедрение позитивного обучения подкрепления для мышей в качестве конкретной программы обработки. Положительное подкрепление обучение является одной из форм оперантного кондиционирования, которая дает следователю средства формировать поведение животных. Когда животное выполняет желаемое поведение, оно сопровождается положительным стимулом (здесь, награда еды). Намерение состоит в том, что животное связывает вознаграждение соответствующего поведения. Clicker обучение является формой позитивного подкрепления обучения с использованием условного вторичного упрочнитель, то "щелчок" звук кликера, и было доказано , чтобы усилить определенное поведение 12.

Более конкретно, звук щелчка служит в качестве "временного моста" между поведением и предстоящей награды 13. Тренер щелкает именно тогда, когда животное выполняет желаннойповедение, без временной задержки 14, а затем представляет награду еды. Это усиливает получающей поведение, которое будет выполняться с более высокой частотой. Clicker обучение широко используется с домашних животных и сделал свой путь в лабораторных животных науки, где она была успешно реализована с приматами 13, 15, 16. Как мышей научиться довольно быстро , когда сталкиваются с проблемой оперантных парадигм кондиционирования, введение второго подкреплением не должны перенапрягаться свои познавательные способности 5, 17, 18, 19.

Путем введения кликер подготовки к ведению мышей, мы включаем мышей испытать познавательную обогащение. Конструкция когнитивного обогащения должна позволить мышей использовать свои когнитивные навыки СолвПроблемы е и получить контроль над окружающей их средой 20, 21. Несколько исследований с различными видами доказывают положительное влияние когнитивного обогащения на благополучие животных в неволе 22, 23, 24. Повышение способности животных , чтобы успешно справиться с экологическими проблемами , вносит свой вклад в их благосостояние 25, 26.

Кроме того, если животные испытывают низкий уровень стресса в течение их жизни, они менее склонны к развитию пагубных стратегии преодоления трудностей при столкновении с стрессоров, которые происходят в биомедицинских исследованиях. Таким образом, последовательная реализация когнитивного обогащения может способствовать гомогенизации фенотипов испытуемых. Это будет способствовать принципу 3Р редукции, так как это может уменьшить количество предметов, необходимыхдля удовлетворения потребностей в статистических данных 27.

Развивая надежный протокол, который может быть легко интегрирован в повседневной сохранения лабораторных мышей, мы можем существенно улучшить их жизни опыт благосостояния.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

Этика Заявление: Обработка мышей и экспериментальных процедур были проведены в соответствии с европейскими, национальными и институциональные рекомендации по уходу за животными.

Примечание: Протокол включает в себя пять дней интервенций (с понедельника по пятницу), с перерывами на выходные дни (суббота и воскресенье). Протокол может быть легко адаптирована для удовлетворения конкретных потребностей.

1. Определение Reward Подходящее как второй подкреплением

Примечание: Используйте пищевые награды, такие как вакуумной упаковке пищевого продукта или корма для животных, который отвечает стандартам безопасности пищевых продуктов. Например, различные виды орехов, шоколада, клейкий медведи, или сухофруктов пригодны.

  1. Вставьте небольшую чашку Петри с различными наградами пищи (кусочки 0,5 см 3) в дом-клетки (рисунок 1).
  2. Через 10 минут, проверьте остатки.
  3. Если все награды съеден через 10 мин, сократить промежуток времени, пока предпочтение не может быть оценена.
  4. В дни 4 и 5 (например, Thursdaу и пятницу), добавить небольшое количество предпочтительного ( «победитель») награду в дом-клетке, чтобы установить аффектацию всех мышей в клетке к награде.
  5. Если мыши не приучали к туннелям мыши, добавить туннель к клетке (по крайней мере за 2 дня до начала обучения, например, в выходные дни).
  6. Повторите шаги 1.2 - 1.4 на 3 дня подряд (например, с понедельника по среду).

2. Clicker Обучение

  1. Подготовка к каждой тренировке
    ПРИМЕЧАНИЕ: Каждый раз, когда мышь должна быть поднята вверх в этом протоколе, поднимите его в спокойной и нежной манере. Положите руку под мышкой, чтобы поднять его. В течение первых нескольких раз, мыши может быть заволноваться, но процесс привыкания будет завершена через несколько дней. Если этот шаг создает трудности, полезно обратиться к протоколу для "кровопускание на открытой ладони" 28.
    1. Подготовьте клетку с подстилки.
    2. Траnsfer клетка мыши проходит обучение в тихое место.
    3. Приготовьте награду и есть таймер и комбинация палки кликер / целевой готовый.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Если мышей приучали к обработке и уже имеют доверительные отношения с экспериментатором, мыши могут быть поданы вручную. В противном случае, прикрепить награду к палке или пинцетом таким образом, что мыши могут держать дистанцию ​​от экспериментатора.
    4. Удалить все объекты из дома-клетки, которая в настоящее время служит в качестве тренировочной зоны (например, мыши дома, гнездо-строительный материал, и др.).
    5. Передача обойме спутников на подготовленную клетку.
  2. Общие правила, которые применяются для всех учебных занятий
    Примечание: Следующие общие правила применяются для всех сессий и не будет упомянуто снова по всему протоколу.
    1. Поезд каждой мыши в течение 5 мин. Переключение между 30-х годов обучения и 15-х периодов перерыва.
    2. Пусть мышь грызть на вознаграждение не больше секунды, Затем, возьмите палку (с наградой) из клетки.
    3. Выполните следующую схему награждения:
      1 - 10 спектаклей поведения: вознаграждение каждый раз.
      11 - 21 выполнение поведения: наградить каждый второй раз.
      С 22 выполнения поведения на: вознаграждение каждый третий раз.
    4. Через 4 минуты тренировки, следующий выполнение желаемого поведения подкрепляется награды джекпота. Разрешить мыши, чтобы грызть на награду еды три раза дольше, чем раньше.
  3. Тренировка День 1: "Связывание вторичного упрочнитель с пищевой наградой"
    1. Установите таймер на 5 минут, нажать старт, и добавьте в туннель мыши на главную клетку.
      Примечание: Воспользуйтесь врожденной thigmotaxis мышей и поместить в туннель рядом со стеной (рис 2). В течение первых нескольких сессий, это повысит вероятность того, мыши, входящего в туннель.
    2. Подождите, пока мышь не инспектирует туннель. Как только MOUsе входит в туннель, нажмите и представить награду в конце туннеля.
    3. Пусть фид мыши на награду, сидя в туннеле.
    4. Нажмите непрерывно в течение 15 секунд, пока мышь сидит в туннеле.
    5. Как только мышь покидает туннель, вернитесь к шагу 3.2.
  4. Учебная сессия Дни 2 - 5: "Запуск через туннель"
    1. Установите таймер на 5 минут, нажать старт, и добавьте в туннель мыши на главную клетку.
    2. Как только мышь входит в туннель, нажмите и представить награду в конце туннеля.
    3. До тех пор, пока курсор находится в туннеле, нажмите и сразу же представить вознаграждение в том же порядке.
    4. Повторите эту процедуру в течение следующих 30 секунд, а затем сделать паузу в течение 15 секунд, чтобы взять туннель из клетки.
    5. Добавьте туннель снова и нажмите немедленно, когда мышь снова входит в туннель.
    6. Представьте вознаграждение в конце туннеля.
    7. Разрешить мышь грызть до 1 сек.
    8. Отнимите награду.
    9. Как только повторного ввода начинается мыши туннель сам по себе, представить награду перед концом туннеля (рисунок 3).
  5. Тренировка 2 недели: "После целевой палки"
    1. Установите таймер на 5 минут, нажать старт, и поместите земной шар в конце целевой палки в клетке.
    2. Как только мышь проявляет интерес к миру, нажмите и представить награду рядом с глобусом (4 и 5).
    3. Поощряйте мышь только после того, как она затрагивает весь земной шар с его носом.
    4. Когда мышь связала произведенном действии награды, изменить положение земного шара во время тренировки (рисунок 6).
    5. Подождите, пока мышь, чтобы решить эту последнюю проблему.
    6. Поместите шар в клетке.
    7. Незадолго до того, как мышь коснется земной шар, медленно и осторожно изменить положение шара на 1 см.
    8. Нажмите и наградить, если мышь пересек расстояние и затрагивает весь земной шар.
    9. Повторите эту процедуру, пока мышь надежно не следует.
    10. Медленно увеличить дистанцию ​​мыши должен пересечь.
  6. Тренировка 3 недели: "После целевой палки в руки экспериментатора"
    1. Положите одну руку в тренировочной клетке, удерживая комбинацию палки кликер / мишень и вознаграждение с другой стороны.
    2. Установите таймер на 5 минут, нажать старт, и поместите земной шар в конце целевой палки рядом с рукой.
    3. Как только мышь проявляет интерес к миру, нажмите и представить награду рядом с глобусом.
    4. Как только мышь встретил эту проблему, переместить весь земной шар на несколько шагов ближе к руке.
    5. Поместите шар на ладони. Нажмите и вознаграждение в то время как мышь сидит на ладони (рис 7).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Первый, а также один из самых важных шагов было определение соответствующего вознаграждения пищи. Таким образом, мыши были предложены различные виды орехов, раствора сахара, мармелад, а также различных видов шоколада в чашке Петри (рисунок 1). В нашем опыте, мышей показали явное предпочтение белым шоколадом. Таким образом, мы использовали белый шоколад для всех последующих процессов обучения.

Фактическая подго...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Эффективная реализация Clicker подготовки протокола с когорте 12 BALB / с мышей инбредной каждого пола оказалась несложной. Предыдущие исследования подтвердили эффективность обучения кликера с несколькими видами, и мы расширили это мышей. Как мышей являются самыми низкими среди развитых млекопитающих лабораторных животных, их способности часто недооцениваются. Таким образом, наиболее удивительным аспектом данных является то, что успех подготовки можно достичь почти всех мышей.

Один важный ша...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

Эта работа была поддержана Центром трансляционных исследований животных Университетского медицинского центра Университета Иоганна Гутенберга в Майнце. Наибольшую благодарность авторы выражают Томасу Вакеру за техническую поддержку.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Крышка для открытого корпусаTecniplastGM500LID117
SealSAfe Plus верхняя часть для открытого корпусаTecniplastGM500400SU
Type II длинная, фильтрующая верхняя часть клеткиTecniplastGM500PFSPC
Aspen подстилающий материал Лаборатория и Vet Service GmbHH0234-300Обогащение окружающей среды
Красный поликарбонат Мышиный домикTecniplastACRE011Обогащение окружающей среды
Папиросная бумагаTork, SCA Hygiene Products GmbH290179Обогащение окружающей среды
Продукты питания - ssniff M-H ExtrudatssniffV1126-000ad libitum
Target Stick withClicker Trixie2282
Трубы ПВХ (туннели) Thyssen KruppRTPVCU04003005
Белый шоколад/ кремиз белого шоколада компании не имеет значения, предпочтительнее органическое качество
ЩипцыFineScienceToolsнапример 11150-10или любой другой инструмент для фиксации шоколада
Prism Version 6.0 для Windows Программное обеспечение
GraphPad

Ссылки

  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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи