Dette manuskript beskriver en semi-automatiseret opgave, der kvantificerer supination i rotter. Rotter nå, gribe og supinate en sfærisk manipulandum. Rotten er belønnet med en pellet hvis turn vinkel overstiger et kriterium, der er angivet af brugeren. Denne opgave øger overførselshastighed, følsomhed over for skade og objektivitet i forhold til traditionelle opgaver.
Opgaver, der præcist måler smidighed i dyremodeller er afgørende for at forstå håndfunktion. Nuværende rotte adfærdsmæssige opgaver, der måler smidighed i vid udstrækning bruge video analyse af at nå eller mad manipulation. Mens disse opgaver er let at implementere og er robuste over sygdomsmodeller, er de subjektive og besværlig for eksperimentatoren. Automatisering af traditionelle opgaver eller oprette nye automatiserede opgaver kan gøre opgaverne mere effektiv, objektiv og kvantitativ. Da rotter er mindre påvirket behændig end primater, central nerve systemet (CNS) skade producerer mere subtile underskud i fingerfærdighed, dog, supination er meget i gnavere og afgørende til hånd funktion i primater. Derfor, vi har udviklet en semi-automatiseret opgave, at foranstaltningerne forelimb supination i rotter. Rotter er uddannet til at nå og forstå en knop-formede manipulandum og drej manipulandum i supination til at modtage en belønning. Rotter kan erhverve færdigheder inden for 20 ± 5 dage. Mens den tidlige del af uddannelsen er stærkt overvåget, gjort meget af uddannelsen er uden direkte opsyn. Opgaven pålideligt og reproducerbar indfanger subtile underskud efter skade og viser funktionel genopretning, der præcist afspejler klinisk recovery kurver. Analyse af data udføres af specialiserede software gennem en grafisk brugergrænseflade, der er designet til at være intuitiv. Vi giver også løsninger på fælles problemer under træning, og vis at mindre korrektioner til opførsel tidligt i uddannelsen producere pålidelige erhvervelse af supination. Således giver knop supination opgave effektiv og kvantitativ evaluering af en kritisk bevægelse for smidighed i rotter.
Et tab af behændighed efter nervesystem skade eller sygdom signifikant mindsker uafhængighed og livskvalitet for berørte personer 1,2,3,4. Smidighed er således et vigtigt resultat foranstaltning for at forstå videnskaben om neurale reparation og rehabilitering som godt fundament af neurale kontrol af bevægelse og motoriske læring. Traditionelt, har manuelle opgaver som enkelt pellet nå, pasta manipulation, og Irvine, Beatties og Bresnahan (IBB) Forelimb skala været brugt til at vurdere smidighed i dyr, specielt gnavere 5, 6,7. Disse opgaver er blevet populariseret på grund af deres minimale opgave erhvervelse tid. Men de er kvalitativ karakter, besværlige for eksperimentatoren, og til tider ufølsomme over for funktionelle svækkelse efter skade med subtile underskud 5,7,8,9. Disse begrænsninger af traditionelle opgaver har ansporet udvikling af flere kvantitative foranstaltninger af motorik i dyr, specielt, forelimb nå.
Der er flere fordele ved at automatisere opgaver, nemlig objektivitet, øget kapaciteten og nedsat analyse tid. Nye automatiserede opgaver giver mere fintmærkende måleinstrument for at evaluere fingerfærdighed efter skade end konventionelle opgaver 8,10. Desuden, de giver mulighed for adaptive træning og test som skræddersyr uddannelse og test problemer til et dyr ydeevne. Endelig, automatiserede opgaver generere store mængder data, som giver to fordele. For det første, en stigning i data i en retssag og i antallet af forsøg øger den statistiske effekt af en undersøgelse. For det andet, det giver neuroforskere et større datasæt fra at studere motoriske læring, uddannelse og kompensation mere håndfast gennem analyse af kinetic og kinematiske information 11.
Flere grupper har forsøgt at automatisere traditionelle opgaver. Høj hastighedskameraer kan bruges til at samle kinematiske data fra opgaver som den enkelt pellet nå opgave 12. Alaverdashvili og Wishaw har brugt højhastigheds kameraer til at fange den nåede bevægelser og analysere ciffer bevægelser ved hjælp af frame-by-frame bevægelse måling software Peak Motus 13. Men denne software kan ikke identificere cifre ved hjælp af computer vision, men i stedet kræver eksperimentatoren at digitalisere bevægelige punkter af markøren. Derudover er nogle opgaver brugt i forbindelse med foderautomater og bure for at automatisere uddannelse proces 14,15,16.
Andre grupper har brugt Kraftmålerne samt høj hastighedskameraer til at evaluere rumlige justeringer og kraft i dygtige forelimb nåede med pasta manipulation, mens andre har designet opgaver at fange mere komplekse bevægelser 17. En sådan opgave er en rækkevidde og pull opgave, der bruger en tre grad af frihed robot enhed til at fange planar og roterende bevægelse af rotte forelimb bevægelser 18. Dette har fordele i at være i stand til at måle kinetik af bevægelser, men med en stigning i kompleksitet og omkostninger.
Her viser vi en semi-automatiske forelimb opgave, at foranstaltningerne supination i rotter 8. Forelimb supination er rotation af paw fra palm ned til palm op. Supination er en glimrende markør for corticospinal tarmkanalen funktion og en klinisk relevante bevægelse hos mennesker, der er nødvendig til daglig bor aktiviteter 8,19,20. Derudover er supination meget følsom over for skade og inaktiveres, især sammenlignet med enkelt pellet nåede 8. Supination opgave, udviklet i et samarbejde mellem Burke Medical Research Institute og The University of Texas i Dallas, foranstaltninger roterende bevægelse i vandret plan 8,10. Rotter er placeret i en adfærdsmæssige boks (figur 1A) og er uddannet til at gøre tre bevægelser (figur 1B): nå gennem en rektangulær blænde; fatte en sfærisk manipulandum; supinate til en udpeget vinkel.
Opgaven adfærd styres af PC software (figur 1 c). Den kontrollerende software sender instruktioner til en microcontroller, der er forbundet med auto-positioner, optisk encoder, højttaler og feeder. Mikrokontroller og dens eksterne forbindelser er benævnt boksen microcontroller. Information flyder fra optiske encoder, microcontroller, derefter computeren, og derefter tilbage til mikrokontroller. Hvis den kontrollerende software har signaleret til mikrokontroller at forsøget blev en succes, udløser mikrokontroller feeder til at undvære en pellet. I starten af hver session relæer den kontrollerende software fase oplysninger til mikrokontroller, som dirigerer auto-hjælpe til at placere knop i den fase definerede afstand fra blænden. Auto-manipolator kan også betjenes manuelt ved hjælp af piletasterne beliggende på auto-positioner. Den optiske encoder registrerer data på 100 Hz og foranstaltninger ændringer i vinkel. Alle data er gemt i binært format.
Eksperimentatoren bruger sekventielle uddannelse faser inden for softwaren for at træne rotte fra tilvænning til supinating på en forudbestemt vinkel og succes rate. Under tilvænning, er knop manipulandum placeret inde i vinduet blænde uden nogen modvægt. Efter en uge med stærkt overvåget uddannelse, rotten associates knop med en belønning og begynder at dreje knop uafhængigt. Når rotten er købedygtig omdrejning uafhængigt, er knop trukket tilbage til 1,25 cm i 0,25 cm intervaller indtil rotten kan slå uafhængigt på 1,25 cm. modvægt er derefter tilsættes 1 g ad gangen fra 3 g til 6 g. automatiseret uddannelse faser tog dyret supinate knop på 6 g op til 75 grader. Denne fase af uddannelse er stort set uden opsyn; Når rotter vedtage opgaven med ordentlig form (beskrevet nedenfor), fortsætter de med at supinate korrekt. Uddannelse er fuldført, når rotter supinate 75 grader på en succesrate (hit-rate) på 75% 8. Her, beskriver vi en typisk uddannelse protokollen og nuværende løsninger på almindelige problemer, vi er stødt på. Vi demonstrere progression af repræsentative vellykkede og mislykkede rotter gennem uddannelse-protokollen, og viser, at opgaven kan ændres for at vise funktionelle svækkelse med subtile eller mere alvorlige underskud.
Knop supination opgave evalueres forelimb supination i rotter ved hjælp af kvantitative og semi-automatiserede metoder. For at opnå disse slutpunkter, har mange af de parametre, der er designet til opgaven, herunder knop justering, manipulandum design og uddannelse kriterier, været gentog over flere år. For knop justering, eksperimenterede vi med tre forskellige linjeføringer i knop med hensyn til blænde: venstre side af knappen på linje med den venstre side af blænden, knop centreret i aperture, og i højre side af knop på linje med den højre side af den en perture. Vi afgjort på højre side af knappen bliver justeret med den højre side af blænde, som denne producerede rotter der blev trænet i den korteste tid og der supineret med minimal kompenserende mekanismer, specifikt, indblanding fra venstre pote.
Som manipulandum design ændret vi flere designfunktioner for at maksimere drejning med forelimb og minimere brugen af kroppen. Desuden skaleres vi vanskeligheden opgave at sværhedsgraden af det forventede underskud. Efter pyramidotomy, supination er den bevægelse, der er stærkest påvirket, men lidelsen er stadig relativt subtile. Dermed, vi trænet rotter til en højere baseline kriterium (75°) til at sikre, at store underskud blev observeret efter skade. Til kortikale læsioner, som er mere forringer, var 60-graders tærskel på 7,5 g tilstrækkelig til at godtgøre et betydeligt underskud efter skade. Yderligere parametre, der er optimeret gennem en trial-and-error metode omfatter blænde størrelse, knop afstand fra blænden og tidsvindue til at opnå en vellykket retssag.
Der er nogle kritiske punkter i hele den uddannelse protokol, der kræver omhyggelig overvågning. Når du træner til baseline, har adaptive tærskel metode været anvendt med succes til at træne rotter til 75° 10. Men rotter kan plateau ved en peak vinkel mindre end 75°; forestillingen forbliver den samme efter 4-5 sessioner. For at forbedre ydeevnen, kan være ansat en statisk tærskel. En statisk tærsklen henviser til tærsklen tilbage på et sæt grad, som er uafhængig af rotte ydeevne, i modsætning til en adaptive tærskel, at ændringer baseret på de seneste resultater. Hvis rotten plateauer under adaptive træning, bør eksperimentatoren ændres til en statisk tærskel. Statisk uddannelse faser spænder fra 20 til 70 grader i 10° intervaller. (Scenen K28 – K33). Vælg den statiske fase baseret på rottens gennemsnitlige peak vinkel i de tidligere 2 sessioner. For eksempel, hvis rotten er i gennemsnit 45°, Vælg den statiske stadie til 50 grader (K31). Alle statiske faser sæt “Init. Tærske.”på 5 °. Under træning, hvis rotten mister motivationen, manuelt feed rotten hvis det supinates tæt på, men ikke over tærsklen.
Derudover ved baseline vurdering tilbagegang ca. 5% af rotter 5-10° i deres supination vinkel og 5-10% i succesrate mellem sessioner. Hvis dette sker, og rotten gendanner ikke 75° gennemsnitlige peak vinkel efter 3-4 sessioner, mindske statisk scenen til under 10 grader af rottens nuværende gennemsnitlige vinkel før han vendte tilbage til trin 3.5. Det er vigtigt at ikke genindføre en rotte adaptive faser, når det har været placeret på statisk uddannelse faser.
Der er nogle begrænsninger for opgaven. Når forkert greb holdning er blevet oprettet, kan ændre grådige adfærd (figur 2) være svært. Således er tidlig påvisning og korrektion vigtigt. For at korrigere en rotte greb, kan blænden ændres ved at indsnævre størrelse af blænde i den horisontale og/eller lodrette retning; typisk tape vi et glas dias til kanten af den blænde, der kræver justering. For de fleste rotter forbedrer det deres rækkevidde form, fordi det tvinger dem til at forstå manipulandum på en bestemt måde. Dette, til gengæld forbedrer deres evne til korrekt supinate.
Ud over denne udfordring, kan rotter udvikle kompensatoriske mekanismer til supinate. Disse omfatter anvendelse af hovedet for at støtte forelimb i supination; sænke albue og skulder fælles at slå knob; ved hjælp af venstre pote for at hjælpe drej drejeknappen eller tryk ned for at nå pote. Alle disse adfærdsmønstre kan bruges til at fuldføre opgaven. Som nævnt ovenfor, kan adfærd vedrørende forståelse rettes ved at manipulere blænde. Kompenserende mekanismer uden for rækkevidde, men kræver aktiv deltagelse af eksperimentatoren at ikke belønne kompenserende adfærd. Efter skade, har vi observeret rotter tager flere forsøg til placere pote i den korrekte position før supinating. Selv om vi ikke har analyseret, hvilke bestanddele af opgaven vil kunne bidrage til tab af supination, disse kan omfatte tab af nøjagtige greb og nedsat kraft graduering, blandt mange muligheder.
Semi-automatiske supination opgaven tager, i gennemsnit 20 ± 5 dage for at uddanne rotter grundlinjen, og 25% af dyrene ikke kan trænes på opgaven. Bidrager til tid er, at vi ikke har valgt naturligvis ret-præference rotter men i stedet tvinger alle dyr til at bruge deres rigtige poter, som er almindelige i de fleste nåede assays. Vi har ikke prøvet at bruge venstre-præference rotter, men det ville være en interessant sonderende undersøgelse skal først identificere pote præference og derefter træne den dominerende pote. For at imødekomme dette, vil vi skulle vende retningen af dørene således at blænde er vendt; Dette kan nemt gøres.
Sammenlignet med traditionelle opgaver som IBB eller enkelt pellet nå, måler opgaven supination kvantitativt og objektivt forelimb nå. Det viser følsomhed over for alvorlig skade (kortikale læsion) og subtile skade (pyramidotomy), og proceduren for uddannelse kan ændres afhængigt af sværhedsgraden af skaden model. Fordi det er semi-automatiske, giver opgaven eksperimentatoren at uddanne flere rotter samtidigt, afhængigt af uddannelse fase. Dette forbedrer eksperimentatoren produktivitet og rotte overførselshastighed. Opgaven er pålidelig og reproducerbar mellem rotter. Ved at oprette en fejlfindingsvejledning (figur 2) for eksperimentatorer henvise til under uddannelse-protokollen, har vi standardiseret flere ukorrekte adfærd samt løsninger til at løse dem. Endelig, opgaven tilbyder en intuitiv middel til at analysere store datamængder og giver eksperimentatoren mulighed for at dykke dybere ned i kinetik af supination.
I fremtiden, vil vi bruge halvautomatiske supination opgave som en platform til at evaluere type, dosis og timing af rehabilitering. Vores laboratorium er interesseret i effekten af stimulation på funktionel forbedring efter skade. Hertil, vi er interesseret i hvordan terapier, der stimulerer neurale reparere eller forbedre neurale overledning og kommunikation kan påvirke rehabilitering. Vi har også interesse i modificerer opgaven for at være kompatibel med Elektrofysiologi, så vi kan studere motoriske læring; rotter med hovedCaps udføre rutinemæssigt opgaven, og tilføje en Kommutatoren for optagelse eller stimulation ville være simpelt at gøre. Opgaven, som beskrevet, er for rotter, men der er også labs eksperimentere med at bruge mus til opgaven. Generelt kan denne opgave bruges til evaluering af forelimb funktion i gnavere i en bred vifte af skade modeller og sygdomstilstande og til gengæld for at vurdere rehabiliterende strategier. Bevæger sig fremad, vi vil fortsætte med at forbedre opgave med justeringer for at mindske forkert adfærd og forbedre opgave erhvervelse sats og træningstid.
The authors have nothing to disclose.
Denne forskning har været finansieret af NIH-NINDS R03 NS091737.
Base Cage – Rat Model | Vulintus | MotoTrak Rat System | N/A |
Controller | Vulintus | MotoTrak Rat System | N/A |
Behavior Module | Vulintus | MotoTrak Rat System | Supination Task, Methacrylate Dual Stop Knobs |
Pellet Dispenser – 45mg | Vulintus | MotoTrak Rat System | N/A |
Autopositioner | Vulintus | MotoTrak Rat System | N/A |
45 mg, Chocolate Flavor, 50,000/Box | Bio-Serv | F0299 | N/A |
HP Z230 Tower WorkStation | HP | N/A | Intel Xeon CPU E3-1225 v3 @ 3.20 GHz, 16GB RAM, 1TB HDD. Min Requirements: 8GB RAM, Multi-Core Processor |
Dexterity | Burke Medical Research Institute | Matlab software for data analysis | |
Enviropak | WF Fisher and Son | N/A | N/A |