代償四肢使用および虚血性脳卒中のマウスモデルにおける感覚皮質損傷後の運動技能の学習の行動評価

Abstract

マウスモデルは、行動神経科学の分野で、具体的には、実験的な脳卒中の研究でますます人気となっている。モデル予めとしては、マウスに特異的な感受性の行動策を開発することが重要である。この議定書は、脳卒中のマウスモデルで使用するために熟練した運動課題について説明しています。パスタマトリックスは、正確な結果データを収集し、代償戦略（ すなわち 、不使用を学んだ）し、リハビリトレーニングを当て含むヒト臨床的現象を模倣するために四肢使用を操作する実験者が許可汎用性と高感度の行動分析などのタスク機能に達する。神経解剖学のツールと​​組み合わせることで、この作業には、脳卒中後の機能（またはその欠如）の行動回復をサポートするメカニズムを探求する研究者を許可します。タスクは、FUに関する数多くの研究課題のためのトレーニングとテストのさまざまなオプションを提供して、簡単かつ手頃な価格に設定することと行動の両方で損傷後nctional成果。タスクは、脳卒中のマウスモデルに適用されているが、それはまた、他の上肢損傷モデルにおける機能的転帰の研究において有益であり得る。

Introduction

マウスモデルは、部分的には、その利便性と手頃な価格だけでなく、他のアプリケーション間でのin vivoイメージングに適しているトランスジェニック系統の利用可能性の実験的脳卒中研究のために、ますます人気となっている。これは、実験モデルで人気を増加して、損傷後の機能的な結果の敏感な行動評価の開発に関心が^1-7増加している。人間の脳卒中生存者によって使用される両方のリハビリと代償戦略を模倣する動物の訓練プロトコルの開発に成功し、診療所⁸で使用する実験動物研究からの調査結果を変換する機能を向上させます。タスク（PMRT）に達するパスタマトリックス上運動技能訓練は、これまで感覚運動皮質³の虚血発作、次の運動技能の結果の敏感な行動評価として確立されている。

主要な関心の一つ脳卒中研究の懸念リハビリと傷害後の機能回復の改善を促進する行動戦略の開発と理解のS。現在、ヒトでのリハビリテーションの戦略は不完全リカバリ⁸になる。また、リハビリテーションセラピストは完全に彼らの影響を受けた四肢（S）の機能を回復する能力を損なう可能性脳卒中生存者は回復中に開発代償戦略を戦う必要があります。例えば、上肢機能に影響を与える一方的脳卒中後の、人間がそれらの低い影響肢^9,10への依存を発症する傾向がある。短期間で機能する人の能力を向上させるが、これは、患肢の非使用学ん動物モデル^11-13に示されたように、最終的な回復の可能性を妨げることがあります。動物ではこれらの知見は、ヒトの¹⁴に制約誘発性運動療法の開発と使用を知らせるために貢献している。動物モデルはbeneficiaです研究者が補助する神経生物学的メカニズムを探索し、機能の回復を促進させることにより、リハビリテーション戦略を改善するためのlである。脳卒中後の機能の効果的な行動評価であることに加えて、PMRTは、感覚運動ストローク¹⁵以下の改善された機能的結果を促進するのに有効なリハビリテーション戦略として確立されている。 PMRTも効果的に模倣患肢の不使用を学んだので、過度の依存の少ない患肢¹³の初期にもかかわらず、機能回復を改善することが、行動の操作への洞察を提供するために使用することができます。

PMRTの構築は³以前に記載されている。簡単に説明すると、到達室が開放された上部と下部で（20センチ長さ15cm、8.5センチ幅）4プレキシガラスの壁で構成されている。働き室の前壁の下部ベースから延びる中心スリット（13センチと幅5mm）がある達する開口部（ 図1A）として得た。パスタマトリックスは完全にブロックの深さを通して掘削直径1mmの穴を大型プラスチックブロック（5センチ幅8.5センチメートル長、及び1.5センチ）。 260穴の合計が各ホール（ 図1B）との間に2ミリメートルに達したウィンドウから2ミリメートルを開始、があります。パスタマトリックスは、乾燥、垂直に配向パスタ片が露出パスタ片の約半分を有するマトリックス段の深さ全体を通って延びるように設計されている。オーバーヘッドプラスチックや厚紙の取り外し可能な部分は、大きさに切断し、マトリックスの下側にしっかりとテープで固定する必要があります。これは、輸送中のマトリックスから脱落パスタ片を防止し、壊れたパスタ片の容易な除去を可能にする。

PMRTは、正確な結果データを収集し、臨床的な現象を模倣するために四肢の使用を操作することを可能にする実験者汎用性と敏感な行動アッセイである。行動Oのようなutcome対策、PMRTは実験者がより正確に梗塞サイズ^3、16の伝統的な尺度の場合よりもリハビリ戦略の有効性を反映した行動データを収集することができます。行動操作など、PMRTは実験者がマウスでの上肢の使用を制御することができますリハビリテーションの臨床経験を模倣するために（ すなわち 、患肢の訓練）または不使用を学んだ（ つまり、あまり影響を受けた四肢のトレーニング）。神経解剖学の方法と組み合わせることで、PMRTは、脳卒中後の代償四肢使用を次の関数や不適応行動の可塑性の回復をサポートするメカニズムを探索する機会を研究者に提供します。 PMRTはさらに、外傷性脳損傷などの脳損傷および上肢障害の他のマウスモデルに適用することができる。 PMRTの別の利点は、その手頃な価格である。タスクに必要な機器の家にかなり合理的に構築することができ、データ収集はないスペースや財源を大量に必要とし、タスクが確実にデータを収集するために、学部学生のための非常に簡単ではありません。さらに、PMRTが少しでも行動障害^3、13に敏感です。このプロトコルは、損傷後の行動回復を促進し、運動技能の学習を評価するための簡単で効果的な方法を提供し、模倣は脳卒中の確立マウスモデルにおいて不使用現象を学びました。

Protocol

以下のメソッドは、テキサス大学オースティン校とイリノイウェズリアン動物管理使用委員会によって承認されたプロトコルに準拠しています。これは、研究者が手袋を着用するか、いずれかの実験動物で行動訓練に従事した場合に適切な予防措置（前後に手を洗う）を取るのどちらかことをお勧めします。手術のためのとの間に備えて、動物を取り扱う際には手袋を着用しなければならない。

1。慣れ食品制限

NOTE：PMRTは欲求タスクであるように、それが到達応答を動機付けし、トレーニングセッション中に満腹感を防ぐために、従来の訓練の開始に供給するの量およびタイミングを制限することが有益である。

1. 前のタスクの訓練の開始に少なくとも1週間に開始制限給餌スケジュールにマウスを置きます。自由摂食量を確立する前に食物制限の開始に各マウスを計量し、目のように決定される制限給餌の初日に各動物のEの重み。
   1. （ 例えば 、ケージ内に収容された4匹のマウスが存在する場合、ケージは毎日の食事の10グラムを受信します）一日あたりのげっ歯類用の標準食の各マウスの受信〜2.5グラムで、一日一回マウスを養う。給餌は毎日同じ時間に発生したことを確認し、好ましくは同時に、毎日のトレーニングセッションを締結することが期待されている。
   2. まだマウスは、それらの自由給餌重量の10％以上を失っていないことを保証するために定期的に動物を秤量する。注：適切な体重維持を促進するためにそれに応じて毎日の食事量を調整します。彼らが成熟するようにしたマウスは、通常、一定の食事制限マウスはPMRT訓練/評価の期間中、食事制限に残っていてもして、体重が増える。
2. ホームケージ内のパスタの小さな断片（1.6 cmのカット）に動物をさらす新しいもの嫌いの応答を克服するために事前の訓練を数回。注：通常の露出の5-10日は、マウスproviあたり約4個で十分である各給餌でDED。
3. カミソリの刃を使用して、サイ​​ズ（3.2センチメートル）にパスタの部分をカット。注：これは、パスタ片の過剰前日のトレーニングや密閉容器に格納されている未使用の部分を始めにカットされることをお勧めします。カッペリーニパスタは、行列を埋めるために使用されている。パスタの異なるブランドが行列やパスタを破るマウスのために必要な力の量のパスタの安定性に影響を与える可能性がある、食感、直径が異なるように、DeCeccoブランドのパスタは、トレーニングとテスト全体で使用することをお勧めします。
4. マトリックス（ 図1A）で使用可能なすべての穴を埋める、パスタマトリックスに未調理カッペリーニパスタピースを置きます。
5. 前に置かれた完全なパスタマトリックス（ 図1A）と試験室の底に食べるパスタのいくつかの部分を検査室にマウスを慣らす。 5〜10分の3セッションのためにマウスを慣らす。注：マウスはhabitua中にパスタのために達することを奨励すべきではありませんTiONからトレーニング。マウスには、通常開口部を通ってそれを盗聴によって到達室の外に位置パスタに興味を示し始める。それは、必要に応じて、単一のチャンバ内の2ケージの仲間を慣らすことは可能であるが、マウスは個々に成形され、訓練を受けなければならない。各動物の行動装置内に配置される前と後のすべての表面を70％エタノールまたは類似の、安全な消毒液で洗浄する必要があります。

2。シェーピングリーチ

1. 3-5一日一回の成形試験を介してリーチを成形することにより、各動物の優先手足を決定します。最初に発生する10分または10時間の合計のために達するために、マウスを許可します。
   1. 馴化訓練（ 図1A）のように、チャンバの前で完全なパスタマトリックスと検査室で個別にマウスを置きます。
   2. 別々に左右の手足と流域の数を示す、各肢に達した回数を記録します。拡張機能としてリーチを定義する手首室の平面を壊すようなことに達する開口部を通って手足の;リーチに向け又はパスタと接触することがすることが必要ではない。
2. 到達には消極的であるマウスを奨励するために達する開口部を通ってちょうどチャンバー内のパスタのいくつかの部分を持ってください。マウスは、このように後退パスタ片の後に到達するためにそれらを奨励し、興味（ 例えばスニッフィング、噛む）を示していたときのパスタの部分を引き出す。マウスは、最初は乾燥パスタに興味を示していない場合は、それらを口に合うようにするために暖かい水の小さなカップパスタ片の先端を濡らす。
3. マウスは単一肢との日々の流域の70％以上を示す場合に四肢の好みを決定します。これはタスク^17に到達する訓練部分の間に観察学習の量を制限することができるように、終わっていない形の動物にやる。マウスが成形された後PMRTトレーニングを開始します。注：トレーニング次第NEXとして起動することができますTの日ですが、整形および訓練手順の間に数日待つようにしても良い。

3届かトレーニング

1. 列車のマウスPMRTに能力を確立するために、以前の侮辱に一日一回。注：各試験はいずれか早い方15分以上（成功と失敗）観測者によってカウント100に達すると、最大構成されています。マウスを好みの手足のみで到達するために訓練されています。より激しいトレーニングパラダイムが¹⁸望む場合マウスは一日あたり2つの試験に耐えます。
   1. フロント（ 図1B）に配置されたハーフフルマトリックスと試験チャンバー内にマウスを置きます。列車のマウスは、マウスは自分の体の正中線を越え達するため好ましい肢に行列反対側のみを充填することにより、好みの手足のみ到達する。 Sではないであろう（この四肢とリーチの試みを阻止するために、満たされていない、好まざる四肢に対応する行列の部分を残すuccessful彼らはパスタを達成）、好ましい手足だけ到達し奨励することができないため。
2. それは、マウスが正常に初期のトレーニングセッションの間に作品を打破するために行列にある間、パスタに少量の圧力を置きます。マウス用のパスタの部分を壊さないでください。軽く背後に垂直な意図、目標到達に1つまたは2つのパスタ片を保持することによってこれを達成する。サポートのこの小さな量は、彼らが最初にタスクを学んでいるようにマウスが把握するための非常に柔軟かつ困難である細いパスタを安定化するのに役立ちます。
3. 到達し、成功に達するの数、成功した流域の位置の合計数を記録します。成功に達するには、開口部を通って到達パスタの部分をつかむと、行列から削除するには、パスタピースを破るために、マウスが必要です。注：パスタ片は試験が終了した後までの行列で置き換えられるべきではありません。初期のトレーニングでは、マウスに、多くのパスタ片を壊すことはありません。
4. 安定した性能（日にわたってせいぜい2より多くのまたはより少ない部分でパスタの少なくとも9個を壊す）の（5日まで）は、少なくとも3日間として定義されている能力にPMRT列車マウス。それは多くの場合、習熟度に若い成体マウスを訓練するために、15〜20の間で日かかります。

4。少ない - 患肢トレーニング

1. （優先/影響を受けたとless-affected/unpreferred手足に明確化については図2を参照）が好ましい到達肢に反対運動皮質への虚血発作後4日から始まるあまり影響を受けた四肢（ すなわち 、手術前、好まざる四肢を）訓練。 1日1回15分または100リーチトレーニングセッションを管理します。
   1. 成功していない初期の患肢に到達することを確実にするために、あまり影響を受けた四肢のトレーニングの第一週をパスタの最初の列（到達開口から延びるすなわち 、最も内側の垂直列）を取り外します。
2. 到達開口部を通って、この手足の延長を強化し、あまり影響を受けた四肢に到達奨励する。マウスは到達室の床の上にパスタの小さい（1/2個）に関係なく、リーチが成功したか否かの訓練所の最初の数日間で、あまり影響を受けた四肢を拡張する。
3. 100リーチ合計に向かってあまり患肢で作られたものだけが到達を数える。流域の総数に向けた患肢とひそか試行をカウントされません。
4. あまり影響を受けた四肢の訓練の最初の7日後に行列にパスタの最も内側の縦の列を返します。
5. 到達し、成功に達するの数、およびSUCCの場所の数を記録しますessful届きます。注：これらのデータは、あまり影響を受けた肢でパターンに到達するの違いを観察するために分析することができるが、以前に報告されていない。

5。到達分析

あまり影響を受けた四肢の訓練を次PMRTタスクに影響を受けた四肢を評価することにより、影響を受けた四肢の機能の回復にはあまり影響を受けた四肢使用の影響を判別します。あまり影響を受けた四肢のトレーニング日数所望の数（通常14日）完了した後、この評価が発生します。

1. （優先手足いっぱいに反対行列の半分、 すなわち ）訓練手順とまったく同じ指向室の前で行列を配置します。注：これは彼らの影響を受けた（以前推奨）手足に到達するためにマウスを強制します。
2. プレストローク性能レベルと比較する達すると、成功に達するの数、成功した流域の位置の合計数を記録します。のパフォーマンスを調査しないでくださいこれらの影響を受けた四肢のプローブとしてあまり影響を受けた四肢のトレーニング中に患肢は患肢の回復に影響を与える可能性があるトレーニングセッションとして機能することができる。

Representative Results

PMRT分析の結果は、壊れたパスタ片の数と成功に達するのパターンを含める必要があります。感覚運動皮質病変を有するマウスから得られた結果は、 図3Aに示されたように虚血発作は、成功に達するの数だけでなく、物理的なリーチパターン^3、19の両方に影響を与えることを示している。代表パターンの変化は、図3Bに観察することができる。マウスにおける学習した未使用の効果を模倣するPMRTの能力はあまり影響を受けた肢の訓練^13、20以下の患肢の障害回復によって証明され、その結果、影響を受けた肢でのみ成功した到達を分析する。感覚運動皮質への虚血性病変を有するマウスから得られた結果は、虚血性脳卒中後の低い患肢訓練の2週間、少なくとも7日間¹³患肢の使用を損なうことを示唆している。 図4に示されるように、あまり影響を受けた肢tを受け取るマウス一方的な虚血発作後15日間、雨は患肢評価の7日間の少ない成功リーチの試みを示す。脳卒中後の15日間、トレーニングなし（コントロール）を受信しないマウスは正常に患肢評価の7日間のパスタの部分を取得する機能を回復する。この効果はあまり影響を受けた訓練²⁰次以降の患肢アセスメントの28日までに持続することが分かっている。

PMRTは、タスク^21に達する単一のペレットのラットで研究されているように到達するの質的変化を評価するために使用することができる。マウスで行わなければ未だこの評価は、PRMTにおけるビデオ撮影流域の体系的な分析を必要とする。

図1パスタマトリックスは、タスクの材料に到達する。 （A）に垂直に配向されている。成形中、全体の行列は、パスタが充填されている。しかし、影響を受けたか、あまり影響を受けた四肢の熟練した手のトレーニング中に行列の半分のみが満たされている。これは、単一の四肢（ 例えば 、手術前のトレーニング時は優先四肢）、（B）で体全体に到達するために、マウスを必要とします。現在の画像は許可を得て転載している^3。

図2。影響を受けるANDあまり影響を受けた手足。PMRTは、影響を受けたか、あまり影響を受けた四肢のいずれかを従事するように操作することができる。黒一色のカラーリングは、最初の2つの画像と第三の画像はあまり影響を受けた四肢における好ましい/影響を受けた手足を示している。このグラフィックは、好適な四肢を参照した影響を受け、あまり影響を受けた手足を証明するのに役立ちます。

図3。代表患肢を有するパターンに達する。優先四肢反対感覚運動皮質の一方的な虚血発作前と後の両方のマウスのパターンに達するには、（A）に提示されています。横はますますマウスの側面に配置されたパスタ片を示しながら、前方には、マウスの前に、ますます遠くに配置パスタ片を示している。代表パターンの変化は観察することができる3。

図4。患肢の結果にあまり影響を受けた四肢のトレーニングの代表的な結果。感覚運動皮質の一方的な虚血発作、次の15日間、あまり患肢の訓練は、機能回復を妨げる、患肢の機能的転帰を損なう。この数字は、許可を得て転載されている^13。

Discussion

PMRTマウス業者に達する性能を評価するための簡単​​な、定量的な方法を表しています。時間がかかるが、それは少数のトレーニングセッションと信頼性と再現性のあるデータを収集するように訓練される以前に経験のない大学生が可能である。タスクは、虚血性傷害^3、13、15以下のマウス運動技能の性能のわずかな変化を測定するのに十分に敏感であり、それであるため多くの研究は、訓練プロトコル^15、20、22の様々な長期的な障害を引用一方的なタスク、それはまた、マウスがタスクを実行すると手足を決定するために使用することができる。 PMRTのこの機能は、それが侮辱だけでなく、あまり影響を受けた四肢で学習への依存で発生する不適応や代償の変化を、以下の両方の適応行動や神経可塑性の研究に有効であることができます。タスクはまた、ラットモデルにおいて研究されてきた両手四肢使用の研究ではなく、圧力に向いている本来的にマウス^23。

現在のプロトコルの最も重要な側面は、次のとおり正確に、以前の訓練への優先手足を決定する前に、損傷に対する熟練運動課題に習熟にマウスを訓練し、到達好まざる/あまり患肢に到達し、影響を受けた/優先手足からマウスを切り替える術後の訓練の最初の週に。正確に前に訓練への優先手足を決定するためには、マウスが成形中のフルマトリックスにパスタのために達することができるように重要です。マウスは、到達するために奨励されるべきであるが、それらは意図せず、彼らが到達すると手足にバイアスをかけることに達すると、報われるべきではない。シェーピングセッションは、セッションを訓練していないため、マウスが特にパスタ片を破壊することが奨励されるべきではなく、行動に達するために報われる、またはセッション³あたりの回の過剰な数に達する。それは、マウスは、Tので前虚血発作に運動技能を獲得することも重要である帽子正確なデータは、両方の影響を受け、あまり影響を受けた四肢の損傷後の訓練だけでなく、損傷後の最初の赤字の適切な定量化を可能にするための効果に関して収集することができる。術前トレーニング（シェーピングを除く）の15日以上は、タスク上で取得を確実にするために提案されている。経験則では、動物は、このように日の少なくとも3-5研修を越え安定した性能を発揮する、彼らのパフォーマンスに一貫性があることを確認することです。これは、最高の視覚的に成功パターンを観察し、各動物についての手術前に到達するデータをグラフ化することによって達成することができる。パフォーマンスは3〜5日（ つまり 、日全体の2未満に成功リトリーブによって異なります）上の漸近表示された場合、それは動物が十分にタスクを獲得したと仮定しても安全です。マウスは通常、11個〜の漸近成功レベルに達するが、拡張して（か月）の訓練は徐々に14枚^24〜の成功レベルに到達することができます。最後に、特にrelatiでvely小さな病変^13、20、マウスは早期にあまり影響を受けた四肢のトレーニングで、患肢に到達しようとし続けることができる。それは、この動作を阻止するあまり影響を受けた四肢の訓練の最初の7日間、行列からパスタの最初の列を削除すると便利です。マウスは、フル、ハーフ行列が使用されている場合、その影響を受けた四肢とパスタの最初のいくつかの部分を破ることができるかもしれし、この成功をさらに成功し、これらの最初の数を超えた部分を取り出すことができないことにもかかわらず、到達患肢を奨励する。あまり影響を受けた四肢の訓練の最初の週の間、影響を受けた流域の合計数を定量することができるが、成功したブレークの数は有益ではありません。上述のように、唯一の成功した患肢の到達は、データ解釈のために分析される。さらに到達あまり患肢を奨励するためには、あまり影響を受けた四肢にしようとした流域のための報酬として、小さな（半サイズ）パスタ片を提供することが有用である。このPRacticeマウスはあまり影響を受けた四肢に達したの習熟やパスタ片を破壊し、取得に成功し始めます、その時点であまり影響を受けた四肢の訓練の最初の2〜3日間、通常必要である。

マウスとの行動データを収集することは効果的でやりがいのあることですが、マウスは小さなラットではないことを覚えておくことが重要であることができます。彼らは独特の気質や行動のタスクを考慮すべき行動のレパートリーを持っている。 、よく取り扱わ飼い慣らさマウスを使用して、成功した行動データの収集を増加させる。正規取扱数週間を推奨します。また、マウスが時々行動訓練中に「集中」が必要。それは静かにマウスが応答という明確な音を作るために、マトリクス状にパスタ片を磨くことは有用である。また、静かに到達開口部の内側を磨くために役立つかもしれない。

現在のプロトコルは、収集Oのための高感度の行動のタスクについて説明しますF熟練小さな虚血性脳卒中後のマウスのデータに達した。運動障害は、脳卒中^25、26の最も一般的な慢性的結果の一つであるため、基礎科学研究機関の数（ 例えば ^{、27〜32）}の焦点である。マウスモデルにおけるそれらの使用は非常に頻繁になってきているが、当業者に到達タスクは、最も一般的に使用されるげっ歯類における器用な前肢の使用のテスト、歴史的に最も頻繁に損傷のラットモデルにおいて使用されてきた（ 例えば ^{、11、19、28、33）}である^34、35。などPMRTなどのマウスの熟練到達タスクの適用は、脳卒中³の改良マウスモデルを可能にし、これらの基本的な科学実験のより良好な翻訳の可能性。ため、その手頃な価格、入手可能な遺伝学的ツール、および神経生物学の研究室での有病率は、マウスは、ストロークメカニズムと回復の研究に重要なツールである。目の行動操作の可用性敏感にモータの性能を評価するために、リハビリテーション戦略を用いることができ、マウスモデルの適用を拡張するヒト代償応答を模倣することができる。このプロトコルに記載された方法は、確かに、さらに洗練された外傷性脳損傷、傷害およびサブ機能し、機能回復をサポートする神経メカニズムの研究は以下の両手肢の使用の研究を含む他のマウス損傷モデルに拡張することができる。

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Reaching chamber			Reaching chambers are made in house with Plexiglas
Pasta matrix block			The Pasta matrix box is made in house using a heavy plastic block
Capellini pasta	DeCecco		DeCecco brand capellini pasta can be purchased in a grocery store or through an online retailer such as Amazon