Эта рукопись описывает полуавтоматические задачу, которая дает количественную оценку супинация крыс. Крысы достичь, понять и супинировать сферических manipulandum. Крыса вознаграждается с Пелле, если угол поворота превышает критерия, выбранного пользователем. Эта задача увеличивает пропускную способность, чувствительность к травмы и объективности, по сравнению с традиционными задачами.
Задачи, которые точно измерить ловкость в животных моделях решающее значение для понимания функции руки. Текущие задачи поведенческих крыса, измеряющих ловкость в основном используют видео анализ достижения или пищи манипуляции. Хотя эти задачи являются надежные через модели заболеванием и легко осуществить, они являются субъективными и трудоемким для экспериментатора. Автоматизация традиционных задач или создание новых автоматизированных задач можно сделать задачи более эффективной, объективной и количественные. Так как крысы являются менее ловкий чем приматов, центральной нервной системы (ЦНС) травмы производит более тонкие дефицита в ловкости, однако, супинация является высоко пострадавших грызунов и решающую передать функции в приматов. Таким образом мы разработали полуавтоматические задачи, что меры супинация передних конечностей у крыс. Крысы обучены достичь и понять ручку образный manipulandum и превратить manipulandum в супинации чтобы получить награду. Крысы могут приобрести навык в течение 20 ± 5 дней. В то время как в начале подготовки высоко контролируется, большая часть подготовки делается без прямого наблюдения. Задачу можно воспроизвести и надежно захватывает тонкий дефицита после травмы и показывает функционального восстановления, который точно отражает клинического выздоровления кривых. Анализ данных осуществляется специализированными программного обеспечения через графический интерфейс пользователя, предназначенный для быть интуитивно. Также мы предоставляем решения общих проблем, возникающих во время обучения и показать, что незначительные поправки к поведению в начале обучения производят надежное приобретение супинации. Таким образом задача супинация ручку предоставляет эффективный и количественные оценки критических движения за ловкость в крыс.
Потеря подвижности после повреждения нервной системы или заболевания значительно уменьшается независимости и качества жизни для пострадавших лиц 1,2,3,4. Таким образом ловкость является важным результатом мерой для понимания науки нейронных ремонта и реабилитации также основы нейронных контроля движения и Мотор обучения. Традиционно вручную задачи, такие как достижения единого Пелле, паста манипуляции и Ирвин, Beatties и масштаб передних конечностей Ласпейреса (IBB) были использованы для оценки ловкость в животных, особенно грызунов 5, 6,7. Эти задачи стали популяризировали вследствие их время приобретения минимальных задач. Однако они являются качественными по своему характеру, трудоемким для экспериментатора и, порой, нечувствительны к функциональными нарушениями после травмы с тонким дефицита 5,,78,9. Эти ограничения традиционных задач, стимулировали развитие более количественные показатели двигательной функции в животных, в частности, достигнув передних конечностей.
Существует несколько преимуществ для автоматизации задач, а именно объективности, повысить пропускную способность и время снижение анализа. Новые автоматизированные задачи обеспечивают более чувствительным измерение оценки подвижности после травмы, чем обычные задачи 8,10. Кроме того они позволяют для адаптивного обучения и тестирования, который приспосабливает обучения и тестирования трудно животного производительности. И наконец автоматизированных задач генерировать большое количество данных, которые предоставляют два преимущества. Во-первых увеличение в данных в рамках судебного разбирательства и количество судебных процессов повышает статистическую мощность исследования. Во-вторых это дает неврологи больший набор данных из которого для изучения Мотор обучения, подготовки и компенсации более энергично путем анализа кинетического и кинематической информации 11.
Несколько групп пытались автоматизировать традиционных задач. Высокая скорость камеры может использоваться для сбора данных о кинематической от задач как единого Пелле, достижения задач 12. Alaverdashvili и Уишоу использовали Высокоскоростные камеры для захвата достигая движений и анализировать цифры движений с помощью программного обеспечения измерений по кадрам движения пик Motus 13. Однако это программное обеспечение не идентифицировать цифры с помощью компьютерного зрения, но вместо этого требует экспериментатора по оцифровке движущихся точек курсор. Кроме того некоторые задачи были использованы в сочетании с кормушки и клетки для автоматизации подготовки процесса 14,,1516.
Другие группы использовали силу датчиков, а также высокая скорость камеры для оценки пространственных изменений и силу в квалифицированных передних конечностей, достигнув с помощью макароны манипуляции, в то время как другие разработали задачи захватить более сложных движений 17. Одна из таких задач является охват и тянуть задаче, которая использует три степени свободы роботизированного устройства для захвата Вселенский и вращательное движение крыса передних конечностей движения 18. Это дает преимущества в возможность измерения кинетики движений, но с увеличением сложности и стоимости.
Здесь мы демонстрируем задачу полуавтоматические передних конечностей, меры супинация крыс 8. Передняя конечность супинация является вращение лапы от ладони вниз ладони вверх. Супинация является отличным маркер кортикоспинальных тракта и клинически значимых движение в организме человека, необходимые для повседневной жизни деятельности 8,19,20. Кроме того супинация очень чувствительна к травмам и инактивации, особенно по сравнению с одной Пелле, достигнув 8. Супинация задачи, разработанные в сотрудничестве между Бёрк медицинский научно-исследовательский институт и Университет Далласа, штат Техас, меры вращательное движение в горизонтальной плоскости 8,10. Крысы, помещаются в поведенческих коробки (рис. 1A) и обучены делать три движения (рис. 1B): через отверстие прямоугольной; понять сферических manipulandum; супинировать на указанный угол.
Поведение задачи контролируется программное обеспечение PC (рис. 1 c). Управление программное обеспечение посылает инструкции микроконтроллер, который подключен к авто позиционер, оптический датчик, спикер и подачи. Микроконтроллер и ее периферийных соединений называются поле микроконтроллера. Информации вытекает из оптического энкодера, микроконтроллер, то компьютер, а затем обратно в микроконтроллер. Если контроль программного обеспечения к микроконтроллеру дал понять, что судебный процесс был успешным, микроконтроллер триггерами подачи обойтись Пелле. В начале каждой сессии, контролирующих программное обеспечение передает информацию стадии в микроконтроллер, который руководит auto позиционер положение ручки на стадии определенного расстояния от диафрагмы. Auto позиционер также может управляться вручную с помощью клавиш со стрелками, расположенные на auto позиционер. Оптический датчик записывает данные на 100 Гц и меры изменения в угол. Все данные хранятся в двоичном формате.
Экспериментатор использует этапы последовательного обучения в рамках программного обеспечения для обучения крысы от привыкания к supinating с заранее угол и успех скоростью. Во время привыкания регулятор manipulandum помещается внутри проема окна без каких-либо противовеса. После недели обучения весьма под наблюдением крыса связывает ручку с вознаграждением и начинает поворотом ручки самостоятельно. После того, как крыса способна превратить самостоятельно, ручку убирается до 1,25 см в 0,25 см с шагом до тех пор, пока крыса может превратить самостоятельно на 1,25 см. противовесом является то добавляется 6 g. автоматизированной подготовки этапов поезд животное, чтобы супинировать ручку с шагом в 1 g от 3 g на 6 g до 75 градусов. Этот этап обучения практически без присмотра; После того, как крыс принять задачу с надлежащей форме (см. ниже), они по-прежнему супинировать должным образом. Обучение завершается, когда крысы супинировать 75 градусов на успех ставка (хит) 75% 8. Здесь мы описываем типичный подготовку протокола и настоящего решения общих вопросов, которыми мы столкнулись. Мы продемонстрировать прогрессирование представитель успешные и неуспешные крыс путем подготовки протокола и показать, что задача может быть изменен чтобы показать функциональными нарушениями с тонким или более серьезные недостатки.
Ручка супинация задача оценивает супинация передних конечностей у крыс с помощью методов количественного и полуавтоматические. Для достижения этих конечных точек, многие из параметров, предназначенных для выполнения этой задачи, включая выравнивание ручку, manipulandum дизайн и критериев профессиональной подготовки, итерации несколько лет. Для выравнивания ручку, мы экспериментировали с трех различных рядов ручку отношении диафрагмы: левая сторона ручку с левой стороны проема, ручку в центре отверстие, и с правой стороны ручки в соответствие с правой стороны perture. Мы поселились на правой стороне ручки в соответствие с правой стороны проема, как этот производимых крыс, которые прошли подготовку в кратчайшее время и кто supinated с минимальными компенсаторные механизмы, в частности, помехи от левой лапой.
Что касается manipulandum дизайн мы изменили несколько конструктивных особенностей максимального поворота с передних конечностей и свести к минимуму использование тела. Кроме того мы выполнили горизонтальное сложность задачи на тяжесть прогнозируемого дефицита. После pyramidotomy супинация является движение, которое наиболее сильно пострадавших, но обесценения по-прежнему сравнительно тонкий. Таким образом мы обучили крыс выше базового критерия (75°) для обеспечения соблюдения крупные дефициты после травмы. Для корковых поражениях, которые больше ущерба, порог 60 градусов в 7,5 г было достаточно, чтобы продемонстрировать значительный дефицит после травмы. Дополнительные параметры, которые были оптимизированы на основе проб и ошибок включают в себя размер апертуры, ручка расстояние от диафрагмы и окно времени для достижения успешного судебного разбирательства.
Есть некоторые критические точки на протяжении подготовки протокола, которые требуют тщательного наблюдения. При обучении по базовой линии, метод адаптивного порога успешно использовался для обучения крысы до 75° 10. Однако крыс может плато на пике угол меньше 75°; производительность остается той же после 4-5 сеансов. Для повышения производительности, могут быть использованы статических пороговых значений. Статических пороговых значений относится к порог, оставаясь на степень набор, который не зависит от производительности крыса, отличие от адаптивного порога, что изменения основаны на последних показателей. Если крыса плато во время адаптационного обучения, экспериментатор следует изменить на статических пороговых значений. Статические учебных этапов диапазоне от 20 до 70 градусов с шагом в 10°. (Этап K28 – K33). Выберите статический этап, основанный на угол крыса средняя пик на предыдущих сессиях 2. Например если крыса составляет в среднем 45°, выберите Статический этап для 50 градусов (K31). Все этапы статический набор «Init. Молотить.» на 5 °. Во время обучения, если крыса теряет мотивацию, вручную кормить крыса если она supinates, близко, но не выше порога.
Кроме того в ходе базовой оценки, примерно 5% крыс регресс 5-10° в угол их супинации и 5-10% в успеха между сессиями. Если это произойдет, и крыса не восстановить угол средняя пик 75° после 3-4 сеансов, уменьшение статической сцены в течение 10 градусов текущий средний угол крыса перед возвращением к шагу 3.5. Важно не вновь крыса адаптивной этапах после того, как он был помещен на статических учебных этапов.
Существуют некоторые ограничения для задачи. После того, как был создан неправильно понять позицию, изменяя схватив поведение (рис. 2) может быть трудно. Таким образом раннее обнаружение и коррекция имеет важное значение. Чтобы исправить крыса ГРАСП, диафрагмы могут быть изменены путем сужения размер проема в горизонтальном или вертикальном направлении; Обычно мы ленты на стеклянное скольжение к краю дверного проема, что требует регулировки. Для большинства крыс это улучшает их хватка формы, потому что она заставляет их понять manipulandum определенным образом. Это, в свою очередь, повышает их способность должным образом супинировать.
Помимо этой проблемы крыс можно разрабатывать компенсационные механизмы супинировать. К ним относятся использование головы для помощи передних конечностей в супинации; снижение локтя и плеча совместных повернуть ручку; используя левую лапу, чтобы помочь повернуть ручку или надавите достигая лапы. Все эти поведения может использоваться для успешного завершения задачи. Как упоминалось выше, поведения, относящихся к хватке могут быть исправлены путем манипулирования диафрагмы. Компенсационных механизмов за пределами досягаемости, однако, требуют активного участия экспериментатора не вознаграждать компенсационного поведение. После травмы мы наблюдали крыс, принимая несколько попыток разместить на лапу в правильное положение перед supinating. Хотя не мы проанализировали, какие компоненты этой задачи могла бы способствовать потере супинация, они могут включать потерю точных сцепление и нарушениями модуляции силы, среди многих возможностей.
Полуавтоматические супинация задач занимает, в среднем, 20 ± 5 дней обучить крыс базовой линии, и 25% животных не могут обучаться на задачу. Содействие учебного времени является тот факт, что мы не выбрали естественно право предпочтение крыс, но вместо этого заставить всех животных, чтобы использовать их правой лапы, как часто в большинстве достигая анализов. Мы не пробовал использовать слева предпочтение крыс, но было бы интересно аналитическое исследование сначала определить предпочтения лапы и затем поезд доминирующей лапы. Для этого, нам будет нужно отразить ориентации двери таким образом, чтобы отверстие вспять; Это легко может быть сделано.
По сравнению с традиционными задачами как IBB или достижения единого Пелле, супинация задач количественно и объективно меры достижения передних конечностей. Он показывает чувствительность к тяжелой травмы (поражения коркового) и тонкие травмы (pyramidotomy), и подготовки процедуры могут быть изменены в зависимости от тяжести травмы модели. Потому что это полуавтоматическое, задача позволяет экспериментатор подготовить несколько крыс одновременно, в зависимости от стадии обучения. Это значительно улучшает производительность и пропускную способность крыса экспериментатора. Задача, надежных и воспроизводимых между крысами. Создавая руководство по устранению неполадок (рис. 2) для экспериментаторов сослаться в ходе подготовки протокола, мы стандартизировали несколько неправильного поведения, а также решения для их исправления. Наконец задача предлагает простой способ для анализа больших объемов данных и дает возможность глубже вникать в кинетика супинация экспериментатора.
В будущем мы будем использовать полуавтоматические супинация задачи как платформа для оценки типа, дозы и сроки реабилитации. Наша Лаборатория заинтересована в эффекты стимуляции на функциональные улучшения после травмы. Кроме того мы заинтересованы в как терапии, которые стимулируют нервные ремонт или улучшение нервной проводимости и коммуникации может повлиять на реабилитации. Мы также заинтересованы в изменении задачи быть совместимы с электрофизиологии, так что мы можем изучать Мотор обучения; крысы с головойкапс регулярно выполняют задачи, и Добавление коммутатора для записи или стимуляции будет просто сделать. Задачи, как описано, для крыс, но есть также labs экспериментирует с помощью мыши для выполнения этой задачи. В общем эта задача может использоваться для оценки функции передних конечностей в грызунов в самые разнообразные модели травмы и болезни государств и в свою очередь, для оценки реабилитационных стратегий. Продвигаясь вперед, мы будем продолжать совершенствовать задачи, с уточнениями, чтобы помочь уменьшить неправильное поведение и улучшить задачу приобретения скорость и время обучения.
The authors have nothing to disclose.
Это исследование финансируется NS091737 R03 низ-NINDS.
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 |