Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Сбор данных о поведении крыс по собственной инициативе для характеристики постинсультного дефицита

2.4K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/64967

⸱

15 марта 2024 г.

 ,  , 
1Department of Behavior Analysis, College of Health and Public Service, University of North Texas

* These authors contributed equally

В этой статье

Краткое содержание

Представлена система получения данных о самоинициируемых индивидуальных поведенческих сессиях в условиях социальной клетки. Эффективность этой системы демонстрируется с помощью автоматизированной квалифицированной оценки охвата, позволяющей охарактеризовать двигательные нарушения после инсульта, потенциальные поведенческие изменения, связанные с мотивацией, циркадные вариации и другие инновационные зависимые переменные.

Аннотация

Поведенческое тестирование на крысовых моделях часто используется для различных целей, включая психологические, биомедицинские и поведенческие исследования. Многие традиционные подходы включают в себя индивидуальные сеансы тестирования один на один между одним исследователем и каждым животным в эксперименте. Эта установка может занять очень много времени для исследователя, и их присутствие может повлиять на поведенческие данные нежелательным образом. Кроме того, традиционное содержание в клетке для исследований на крысах требует отсутствия обогащения, упражнений и социализации, которые обычно типичны для вида, и этот контекст также может исказить результаты поведенческих данных. Преодоление этих ограничений может быть целесообразным для нескольких исследовательских приложений, включая изучение приобретенных повреждений головного мозга. Здесь представлен пример метода автоматического обучения и тестирования индивидуального поведения крыс в клетке колонии без присутствия человека. Радиочастотная идентификация может быть использована для адаптации сеансов к конкретной крысе. Валидация этой системы произошла в контексте измерения моторики передних конечностей до и после инсульта. Измеряются традиционные характеристики постинсультных поведенческих нарушений и новые показатели, доступные с помощью системы, включая частоту успеха, различные аспекты силы тяги, анализ схватки, частоту и модели инициации, продолжительность сеанса и циркадные паттерны. Эти переменные могут собираться автоматически с небольшими ограничениями; Несмотря на то, что аппарат устраняет экспериментальный контроль над воздействием, временем и практикой, валидация обеспечила разумную согласованность этих переменных от животного к животному.

Введение

Поведенческое обучение и тестирование на крысовых моделях важны в бесчисленных областях исследований, от изучения когнитивных процессов до болезненных состоянийи многого другого. Как правило, это обучение и тестирование проводится с отдельными животными в индивидуальных занятиях, при этом исследователь вручную извлекает животное из домашней клетки и временно помещает его в какой-либо аппарат. К сожалению, в этом подходе есть несколько трудностей и ограничений. Во-первых, поведенческое тестирование может занять много времени у исследователей, а когда требуется обучение, это время становится еще больше. Во-вторых, этот подход автоматически влияет на полученные данные или даже потенциально искажает их, как было установлено в другом месте2. Эти путаницы особенно заметны при рассмотрении переменных, связанных с обогащением. В частности, лабораторные крысы традиционно содержатся в небольших клетках, которые достаточно велики для одной или двух крыс, и если не предоставить беговые колеса, они могут всю жизнь не иметь значимых возможностей для физических упражнений. Кроме того, изолированное жилье может быть основным источником стресса у социальных видов, таких как крысы4. Некоторые из этих недостатков, связанных с благополучием, вероятно, влияют на физиологию крыс 5,6, что может предвосхитить развитие типичного для вида поведенческоговыражения4 и повлиять на качество моделей грызунов применительно к человеческому контексту.

В последние годы исследователи искали несколько типов решений этих проблем. Простейшим решением было автоматизировать поведенческое тестирование и обучение 7,8,9,10, тем самым устранив необходимость одного исследователя заниматься одним животным. Дополнительным решением является автоматизация перемещения животных в экспериментальные камеры11,12, что еще больше устраняет необходимость участия человека. Наконец, было исследовано несколько установок, которые позволяют размещать животных в клетках колонии с другими животными и с большим пространством для исследования иобогащения. Несмотря на эти преимущества, такие колонии могут ограничить или усложнить усилия по сбору индивидуально дифференцированных поведенческих данных (хотя см. усилия по использованию компьютерного зрения)14,15. Если требуются индивидуальные поведенческие данные, может быть сложнее или сложнее идентифицировать и извлекать животных из клеток колонии для поведенческих сеансов. В настоящее время существует несколько систем для сбора индивидуальных поведенческих данных из (обогащенных) колоний, в которых содержится 16,17,18.

Эти недостатки могут конкретно повлиять на исследования поведенческих эффектов приобретенной черепно-мозговой травмы. Во-первых, ясно, что присутствие и/или пол людей, а также методы обращения с ними влияют на поведение грызунов 2,19, и эти переменные могут по-разному влиять на поведение крыс до и до 2000 года. после инсульта. Во-вторых, поведенческие результаты человека после инсульта могут ухудшиться из-за добровольного снижения вовлеченности в рекомендуемую дозировку реабилитационныхупражнений. В настоящее время эксперименты на грызунах, как правило, не моделируют такой контекст, потому что крысы не свободны в выборе участия или воздержания от поведенческих сеансов.

В этой статье представлен протокол, предназначенный для облегчения индивидуального поведенческого тестирования в рамках обогащенной клетки колоний. Этот подход не только устраняет ограничения, связанные с нынешней практикой, но и открывает возможности для изучения новаторских мер. Был разработан турникет для одной крысы (ОРТ), который может быть прикреплен к клетке колонии, что позволяет животным самостоятельно входить в поведенческие камеры и инициировать свои собственные сеансы обучения и тестирования. Система доступна по цене; каждый ОРТ может быть собран с небольшими затратами (при наличии доступа к 3D-принтеру). В прошлом валидация этой системы проводилась с использованием базовой оперантной камеры, показывая, что животных можно последовательно обучать выполнять простое оперантное нажатие рычага без присутствия экспериментатора16. Тем не менее, вопрос о том, применима ли эта конфигурация к другим сценариям, остается нерешенным. Цель состоит в том, чтобы подтвердить эффективность ранее созданной системы ORT-colony для обучения и количественной оценки квалифицированного поведения, связанного с двигательными нарушениями после инсульта. Конфигурация была использована для создания новых переменных, которые обычно не изучаются в исследованиях инсульта. Эти переменные включают в себя показатели эффективности для задачи по охвату квалифицированных специалистов и измерения самоинициации, которые могут иметь отношение к мотивации и принятию решений. Кроме того, были эффективно обнаружены индуцированные инсультом изменения в циркадных паттернах ежедневной самоинициации в течение всего 24-часового периода.

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

Протокол

Все процедуры и уход за животными были одобрены институциональным комитетом по уходу за животными и их использованию (IACUC) Университета Северного Техаса и соответствовали руководству Национальных институтов здравоохранения по уходу и использованию лабораторных животных. Взрослые самцы и самки крыс породы Лонг-Эванс (400-800 г, 1,5 года), использованные в настоящем исследовании, содержались в клетке колонии.

1. Подготовка оборудования

  1. Приобретите или соберите однокрысовый турникет (ОРТ) в соответствии с проектными файлами и инструкциями по изготовлению (см. Дополнительный файл 1 и Дополнительный кодировочный файл 1). Более подробную информацию см. в Butcher et al.16 .
    ПРИМЕЧАНИЕ: ОРТ специфичны для размера крысы, поэтому в клетке колонии должны быть животные, которые примерно такого же размера. Если вы не хотите самостоятельно собирать ОРТ, их можно приобрести в предварительно собранном виде (см. Таблицу материалов).
  2. Получите и прикрепите считыватель радиочастотной идентификации (RFID, см. Таблицу материалов), а также получите и введите животным RFID-метки.
    ПРИМЕЧАНИЕ: При введении полнодуплексных (FDX) RFID-меток ориентация должна быть перпендикулярна RFID-антенне, когда крыса проходит через ОРТ. В этой валидации метки имплантировались подкожно между лопатками в плоскости, параллельной позвоночнику.
  3. Прикрепите RFID-антенну к трубке ОРТ.
  4. Сконструируйте и/или получите поведенческий аппарат (аппараты) и клетки колоний, подходящие для экспериментального вопроса. В этом примере была использована специально построенная колония 21,22 в сочетании с коммерчески доступными оперантными камерами (см. Таблицу материалов), хотя теоретически можно было использовать любое оборудование.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Следует учитывать конкуренцию животных, содержащихся в колониях, за доступ к поведенческому аппарату (аппаратам) через ОРТ. Ожидайте, что потребуется один ОРТ + поведенческий аппарат на каждые 4-6 животных.
  5. Прикрепите ОРТ (ОРТ) между поведенческим аппаратом и клеткой колонии.
  6. Прорежьте портальное отверстие в поведенческом аппарате и клетке колонии с помощью вращающегося инструмента Dremel (см. Таблицу материалов) или аналогичного инструмента. Внутренний диаметр должен быть равен внешнему диаметру построенного тоннеля ОРТ.
    ПРИМЕЧАНИЕ: ОРТ должен быть поднят на несколько дюймов для работы, поэтому потребуется небольшая платформа или подставка, чтобы выровнять клетки колонии и высоту аппарата.
  7. Установите RFID-систему для считывания показаний животных при прохождении через ОРТ и, при желании, интегрируйте ее с поведенческим аппаратом.

2. Предоперационная поведенческая подготовка

  1. Получить когорту крыс одинакового размера и ввести их в клетку колонии.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Животные, которые были выращены или содержались в изоляции или с небольшим количеством сородичей, могут иметь больше проблем с исследованием камеры, особенно когда это связано с пересечением социальных зон клетки колонии. Животные должны подвергаться групповому содержанию в клетках в раннем возрасте, чтобы избежать этой ловушки.
  2. Уберите доступ ко всем манипуляторам в поведенческом аппарате и настройте камеру на автоматическую выдачу наград в среднем каждые 60 с, когда она занята.
    ПРИМЕЧАНИЕ: В этом исследовании в качестве вознаграждения использовалась сахарозная вода (от 30% до 40%), но подслащенное сгущенное молоко также эффективно.
  3. Обучить всех крыс регулярно входить в поведенческий аппарат (аппараты) через ОРТ.
  4. Не реже одного раза в день проверяйте данные, чтобы убедиться, что все животные входят в ПРТ. Если животные не входят, вставьте объект размером с загон в механизм блокировки, чтобы предотвратить его блокировку и временно позволить животным исследовать его более свободно. Если животные по-прежнему не заходят, снимите турникет и прикрепите временную боковую стенку, чтобы обеспечить свободный доступ к камере через туннель.
  5. Как только все животные будут регулярно входить в камеру, верните замок (и турникет) и проведите повторную оценку.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Животные также могут занимать ОРТ и камеру в качестве временной передышки от других крыс. Один из способов предотвратить такого рода монополизацию камеры — прикрепить дополнительный ОРТ, который соединяется с простой изоляционной камерой.
  6. Введите манипуландум — в данном примере ручку — и установите максимальную чувствительность. Вставьте ручку внутрь коробки (до 2 см) или снаружи коробки.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Малярная лента может вызвать попытки досягаемости, если она прикреплена к задней части ручки, просто вне досягаемости.
  7. Уменьшите частоту, с которой вознаграждение (например, 30% сахарозной воды) доставляется автоматически (например, каждые 90-120 с). Помните, что можно использовать любое вознаграждение, которое соответствует потребностям экспериментатора и предпочтениям животных.
  8. Ежедневно проверяйте данные, чтобы убедиться, что все животные научились активировать рычаг. Наживите рычаг и/или измените уровень вставки, пока все животные не будут тянуть.
  9. Отключите автоматическую доставку наград, чтобы они были доступны только при активации ручки pull.
  10. Если он был вставлен ранее, отводите рычаг каждый день (при условии, что все крысы продолжают тянуть на этом уровне втягивания) на 0,25-0,5 мм, пока рычаг не окажется в своем конечном положении, на расстоянии от 1 см до 1,25 см от камеры.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Точное положение рычага зависит от размера крыс. Убедитесь, что выбрано положение, которое приводит к желаемой топографии достижения.
  11. Инициируйте процентиль или другую программу тренировок, чтобы постепенно увеличивать необходимое тяговое усилие для активации рукоятки.
    ПРИМЕЧАНИЕ: В этом исследовании использовался процентильный график, который устанавливает критерий подкрепления в верхнем квартиле предыдущих 15 ответов. В качестве альтернативы можно использовать ступенчатое увеличение критерия натяжения7.
  12. Как только животные надежно достигнут конечного критериального диапазона тяг 120 g, удалите программу тренировки процентиля и зафиксируйте критерий активации ручки на постоянной 120 g.
  13. Собирайте исходные данные при этом требовании силы до тех пор, пока показатели успеха не станут стабильными (без тенденции) в течение примерно недели.

3. Индуцирование инсульта

  1. Хирургическим путем вызывает инсульт у всех животных в клетках колоний одновременно.
    Примечание: Чтобы вызвать инсульт, использовали эндотелиан-1 модель инсульта, которая была описана в другом месте23.
  2. Дайте животным восстановиться в традиционной клетке, изолированной индивидуально, в течение 3-7 дней.

4. Послеоперационное поведенческое тестирование

  1. После выздоровления верните животных в клетку колонии с помощью аппарата ОРТ, прикрепленного к квалифицированному досягаемому аппарату.
  2. Проводите поведенческое тестирование, сохраняя потребность в вытягивании на конечном уровне 120 г (выполните шаг 2) до тех пор, пока не будет собрано достаточно данных для оценки постинсультного дефицита (от одного до нескольких дней).
  3. Применяйте любые независимые переменные, связанные с инсультом или восстановлением, в течение последующих дней, пока животные получают доступ к камере.

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

Результаты

Животные были обучены и протестированы с четырьмя самками крыс в одной клетке колонии и четырьмя самцами крыс в отдельной клетке колонии. Все крысы научились проходить через ОРТ за четыре дня или меньше. Четыре крысы-самки достигли >85% успешных схваток при требуемой силе 120 g примерно за 6 недель обучения, а крысы-самцы достигли того же критерия через 10 недель (по сравнению с примерно 3 неделями при стандартном обучении с крысами)7. Продолжительность обучения была значительно увеличена из-за...

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

Обсуждение

Этот протокол имеет множество применений. Во-первых, и это наиболее широко, ОРТ был разработан с целью обеспечения автоматизированного однопредметного поведенческого обучения и сбора данных в контексте социального, обогащенного жилья. В то время как это исследование проверило идею сбора типичных поведенческих показателей и их разработки в контексте инсульта, то же самое можно сделать и для других приложений и поведенческих задач. Даже показатели, собранные в ходе этой валидации, также могут быть скорректированы по мере н...

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

Раскрытие информации

У авторов нет конфликтов, которые можно было бы раскрыть.

Благодарности

Эта работа была частично профинансирована Фондом Беатрис Х. Барретт для исследования нейрооперантных отношений в Университете Северного Техаса (UNT). Мы благодарны за вклад и помощь всем сотрудникам Лаборатории нейропластичности и восстановления, особенно Валери Рохас, Мэри Кейт Мур, Кэмерон Скаллон и Ханна Макги.

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

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
3D-принтер Проконсультируйтесь с местным makerspace
boltBoltdepot13466-32 или 8-32 by  0,5-дюймовый
болтBoltdepot13486-32 или 8-32 by  0,75-дюймовая
дверная петляXJS (Amazon)43398-162341-дюймовый шкаф дверные петли из нержавеющей стали; Опционально (если «идеальный шарнир» не напечатан)
ДрельЛюбая электрическая дрель работает
удлинительная пружинаNieko (Amazon)50456AВыберите и отрегулируйте пружину в зависимости от размера ОРТ и желаемого натяжения
сахарного
КонтргайкаBoltdepot25516-32 или 8-32
измерительная лента
микроконтроллерArduinoA000066микропереключатель Arduino Uno
SparkfunKW4-Z5F(SPDT-роликовый рычаг)
Турникет One Rat (ОРТ)VulintusСвяжитесь с компанией для запроса предложения, если не самособирающиеся
оперантные камеры по желанию для оценки поведения: Для этого эксперимента мы использовали автоматизированные изометрические тяговые камеры от Vulintus VulintusNo cat #: свяжитесь с VulintusСвяжитесь с Vulintus для получения котировки
PLA filament OVERTURE (Amazon)UK-MATTEPLA17511
оргстеклоLesnlok (Amazon)B09P74K7BRпрозрачный, толщина 1/8", Резка по размеру
Программа для резки
PythonПрограммное обеспечение Python Программное обеспечение Foundationдоступно по запросу
RFID-считывательПриоритет 1 ДизайнRFIDRW-E-USBС антенной
RFID-меткаУнифицированные информационные устройстваUC-1485-10
стерженьBoltdepot23632разрезанный до > 3,5"
Вращающийся инструментИспользуется для сверления отверстий в аппаратах и колониях клеток для ОРТ; любые аппаратные используемые
наждачная бумагаHSYMQ (Amazon)TOMPOL-1118-1915-11
наборЛюбой набор торцевых ключей работает
паяльник
суперклей234790
wirePlusivo (Amazon)EAN0721248989789
песка мини-микропереключатель плексигласа торцевых ключей

Ссылки

  1. Whishaw, I. Q., Kolb, B. The behavior of the laboratory rat: A handbook with tests. , Oxford university press. (2004).
  2. Sorge, R. E., et al. Olfactory exposure to males, including men, causes stress and related analgesia in rodents. Nature Methods. 11 (6), 629-632 (2014).
  3. Ottesen, J. L., Weber, A., Gürtler, H., Mikkelsen, L. F. New housing conditions: Improving the welfare of experimental animals. Alternatives to Laboratory Animals. 32 (Suppl 1B), 397-404 (2004).
  4. Arakawa, H. Ethological approach to social isolation effects in behavioral studies of laboratory rodents. Behavioural Brain Research. 341, 98-108 (2018).
  5. Simpson, J., Kelly, J. P. The impact of environmental enrichment in laboratory rats-behavioural and neurochemical aspects. Behavioural Brain Research. 222 (1), 246-264 (2011).
  6. Van Praag, H., Kempermann, G., Gage, F. H. Neural consequences of enviromental enrichment. Nature Reviews Neuroscience. 1 (3), 191-198 (2000).
  7. Hays, S. A., et al. The isometric pull task: A novel automated method for quantifying forelimb force generation in rats. Journal of Neuroscience Methods. 212 (2), 329-337 (2013).
  8. Wong, C. C., Ramanathan, D. S., Gulati, T., Won, S. J., Ganguly, K. An automated behavioral box to assess forelimb function in rats. Journal of Neuroscience Methods. 246, 30-37 (2015).
  9. Sindhurakar, A., Butensky, S. D., Carmel, J. B. Automated forelimb tasks for rodents: Current advantages and limitations, and future promise. Neurorehabilitation and Neural Repair. 33 (7), 503-512 (2019).
  10. Sindhurakar, A., et al. An automated test of rat forelimb supination quantifies motor function loss and recovery after corticospinal injury. Neurorehabilitation and Neural Repair. 31 (2), 122-132 (2017).
  11. Gallistel, C., et al. Screening for learning and memory mutations: A new approach. Acta psychologica Sinica. 42 (1), 138(2010).
  12. Fenrich, K. K., et al. Improved single pellet grasping using automated ad libitum full-time training robot. Behavioural Brain Research. 281, 137-148 (2015).
  13. Brenneis, C., et al. Automated tracking of motion and body weight for objective monitoring of rats in colony housing. Journal of the American Association for Laboratory Animal Science. 56 (1), 18-31 (2017).
  14. Pereira, T. D., et al. Sleap: A deep learning system for multi-animal pose tracking. Nature Methods. 19 (4), 486-495 (2022).
  15. Lauer, J., et al. Multi-animal pose estimation, identification and tracking with deeplabcut. Nature Methods. 19 (4), 496-504 (2022).
  16. Butcher, G., et al. An apparatus for automatically training and collecting individualized behavioral data with socially housed rodents. Journal of Neuroscience Methods. 365, 109387(2022).
  17. Winter, Y., Schaefers, A. T. A sorting system with automated gates permits individual operant experiments with mice from a social home cage. Journal of Neuroscience Methods. 196 (2), 276-280 (2011).
  18. Rivalan, M., Munawar, H., Fuchs, A., Winter, Y. An automated, experimenter-free method for the standardised, operant cognitive testing of rats. PLOS One. 12 (1), e0169476(2017).
  19. Deacon, R. M. Housing, husbandry and handling of rodents for behavioral experiments. Nature Protocols. 1 (2), 936-946 (2006).
  20. Lang, C. E., Lohse, K. R., Birkenmeier, R. L. Dose and timing in neurorehabilitation: Prescribing motor therapy after stroke. Current Opinion in Neurology. 28 (6), 549(2015).
  21. Inventing a supercage for rats. Butcher, G., Becker, A., Davidson, A., Baltazar, M., Armshaw, J., Cruz, S. Poster presentation at Association for Behavior Analysis International Conference, Chicago, IL, , (2019).
  22. Engineering an enriched environment operant chamber and its implications. Davidson, A., et al. Poster Presented at the Texas Association for Behavior Analysis Annual Conference, , Worth, TX. (2019).
  23. Windle, V., et al. An analysis of four different methods of producing focal cerebral ischemia with endothelin-1 in the rat. Experimental Neurology. 201 (2), 324-334 (2006).
  24. Reppucci, C. J., Veenema, A. H. The social versus food preference test: A behavioral paradigm for studying competing motivated behaviors in rodents. MethodsX. 7, 101119(2020).
  25. Borland, J. M., et al. A novel operant task to assess social reward and motivation in rodents. Journal of Neuroscience Methods. 287, 80-88 (2017).
  26. Tzschentke, T. M. Review on cpp: Measuring reward with the conditioned place preference (cpp) paradigm: Update of the last decade. Addiction Biology. 12 (3-4), 227-462 (2007).
  27. Salamone, J. D., Correa, M. Neurobiology and pharmacology of activational and effort-related aspects of motivation: Rodent studies. Current Opinion in Behavioral Sciences. 22, 114-120 (2018).
  28. Shull, R. L. Bouts, changeovers, and units of operant behavior. European Journal of Behavior Analysis. 12 (1), 49-72 (2011).
  29. Gottlieb, E., et al. The bidirectional impact of sleep and circadian rhythm dysfunction in human ischaemic stroke: A systematic review. Sleep Medicine Reviews. 45, 54-69 (2019).
  30. Lo, E. H., et al. Circadian biology and stroke. Stroke. 52 (6), 2180-2190 (2021).
  31. Meng, H., Liu, T., Borjigin, J., Wang, M. M. Ischemic stroke destabilizes circadian rhythms. Journal of Circadian Rhythms. 6 (1), 1-13 (2008).
  32. Stern, R. A., Bachman, D. L. Depressive symptoms following stroke. The American Journal of Psychiatry. 148 (3), 351-356 (1991).
  33. Rapolienė, J., Endzelytė, E., Jasevičienė, I., Savickas, R. Stroke patients motivation influence on the effectiveness of occupational therapy. Rehabilitation Research and Practice. 2018, (2018).
  34. Robinson, R. G., Jorge, R. E. Post-stroke depression: A review. American Journal of Psychiatry. 173 (3), 221-231 (2016).
  35. Faraji, J., et al. Sex-specific stress and biobehavioral responses to human experimenters in rats. Frontiers in Neuroscience. 16, 965500(2022).

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

Перепечатки и разрешения

Больше статей

Поведенческое тестирование крыссамоинициированное поведениегрупповое содержаниеавтоматизированные поведенческие данныенавыки работы передних конечностейрадиочастотная идентификацияанализ силы тягициркадные ритмыповеденческое обогащение
Сбор данных о поведении крыс по собственной инициативе для характеристики постинсультного дефицита
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.