Este manuscrito describe una tarea semiautomático que cuantifica la supinación en ratas. Las ratas alcanzaran, agarre y supinados un manipulandum esférico. La rata es recompensada con una pelotilla si el ángulo de giro supera un criterio establecido por el usuario. Ello aumenta el rendimiento, sensibilidad a la lesión y la objetividad frente a las tareas tradicionales.
Las tareas que miden con precisión destreza en modelos animales son esenciales para entender la función de la mano. Tareas actuales de comportamiento de rata que medir destreza en gran medida utilizan vídeo análisis de manipulación alcanzar o alimentos. Mientras que estas tareas son fáciles de implementar y son robustas a través de modelos de la enfermedad, son subjetivas y laborioso para el experimentador. Automatización de las tareas tradicionales o la creación de nuevas tareas automatizadas puede hacer las tareas más eficiente, objetiva y cuantitativa. Puesto que las ratas son menos diestro que primates, centrales nervioso lesión del sistema (CNS) produce más sutiles déficits en destreza, sin embargo, supinación es altamente afectado en roedores y crucial dar función en primates. Por lo tanto, se diseñó una tarea semi-automatizada que mide la supinación de la extremidad delantera en ratas. Las ratas están capacitadas para alcanzar y agarrar un manipulandum en forma de botón y gire el manipulandum en supinación para recibir una recompensa. Las ratas pueden adquirir la habilidad de 20 ± 5 días. Mientras que la primera parte del entrenamiento es altamente supervisada, gran parte de la capacitación se realiza sin supervisión directa. La tarea de forma fiable y reproducible captura déficits sutiles después de lesión y muestra recuperación funcional que refleja con exactitud las curvas de recuperación clínica. Análisis de datos se realiza por software especializado a través de una interfaz gráfica de usuario que está diseñada para ser intuitiva. También damos soluciones a problemas comunes encontrados durante el entrenamiento y mostrar que las correcciones menores al comportamiento temprano de formación producen adquisición confiable de supinación. Así, la tarea de supinación de mando proporciona una evaluación eficiente y cuantitativa de un movimiento crítico para destreza en ratas.
Una pérdida de destreza después de lesión del sistema nervioso o enfermedad disminuye significativamente la independencia y calidad de vida de los individuos afectados 1,2,3,4. Así, la destreza es una medida de resultado importante para la comprensión de la ciencia de reparación neural y rehabilitación como también los fundamentos del control neural del movimiento y aprendizaje motor. Tradicionalmente, se han utilizado tareas manuales como pellet solo llegar, manipulación de la pasta y Irvine, Beatties y Bresnahan (IBB) miembro anterior escala para evaluar la destreza en los animales, especialmente roedores 5, 6,7. Estas tareas han vuelto popularizadas debido a su tiempo de la adquisición mínima tarea. Sin embargo, son cualitativos en la naturaleza, laborioso para el experimentador y, a veces, insensibles a la debilitación funcional después de lesiones con déficit sutiles 5,7,8,9. Estas limitaciones de tareas tradicionales han estimulado el desarrollo de más medidas cuantitativas de la función motora en animales, en concreto, llegando a la extremidad delantera.
Hay varias ventajas para la automatización de las tareas, es decir, objetividad, mayor rendimiento y tiempo de análisis menor. Nuevas tareas automatizadas proporcionan una medida más sensible de evaluación de destreza después de lesión de tareas convencional 8,10. Además, permiten entrenamiento adaptativo y pruebas que adapta el entrenamiento y pruebas de dificultad para el desempeño de un animal. Por último, tareas automatizadas generan grandes cantidades de datos, que proporcionan dos ventajas. En primer lugar, un aumento en el número de ensayos y datos dentro de un ensayo aumenta la potencia estadística de un estudio. En segundo lugar, da a neurocientíficos un conjunto de datos más grande de que estudiar el aprendizaje motor, la formación y compensación más robusta a través de análisis de información cinética y cinemática 11.
Varios grupos han intentado automatizar tareas tradicionales. Cámaras de alta velocidad pueden utilizarse para reunir datos cinemáticos de tareas como el diábolo solo alcanzar tarea 12. Alaverdashvili y Wishaw han utilizado cámaras de alta velocidad para capturar los movimientos de alcanzar y analizar los movimientos de dígitos usando software de medición de movimiento de fotograma a fotograma Peak Motus 13. Sin embargo, este software no identificar dígitos usando visión por computador, pero en su lugar requiere que el experimentador digitalizar los puntos de movimiento de cursor. Además, algunas tareas se han utilizado conjuntamente con comederos y jaulas para automatizar el proceso de formación 14,15,16.
Otros grupos han utilizado sensores de fuerza, así como cámaras de alta velocidad para evaluar ajustes espaciales y de la fuerza en miembro anterior cualificado alcanzar utilizando la manipulación de la pasta, mientras que otros han diseñado las tareas para capturar más complejos movimientos 17. Una tal tarea es una tarea de alcance y tire que utiliza un dispositivo robótico de tres grados de libertad para capturar el movimiento planar y rotacional de rata forelimb movimientos 18. Esto tiene ventajas en ser capaz de medir la cinética de movimientos pero con un aumento en la complejidad y el costo.
Aquí, demostramos una tarea forelimb semi-automatizada que mide la supinación en las ratas 8. Supinación de la extremidad delantera es la rotación de la pata de la palma a Palma para arriba. Supinación es un excelente marcador de la función del tracto corticoespinal y un movimiento clínicamente relevante en los seres humanos que se requiere para el diario vivir actividades 8,19,20. Además, supinación es muy sensible a la lesión e inactivación, especialmente en comparación con pellet solo llegar a 8. La tarea de supinación, desarrollada en colaboración entre el Instituto de investigación médica de Burke y la Universidad de Texas en Dallas, movimiento de rotación de las medidas en el plano horizontal 8,10. Las ratas se colocan en un cuadro de comportamiento (figura 1A) y están capacitadas para hacer tres movimientos (figura 1B): a través de una abertura rectangular; agarre un manipulandum esférico; supinados ángulo señalado.
La tarea de comportamiento está controlada por software para PC (figura 1). El software de control envía instrucciones a un microcontrolador que está conectado al auto-posicionador, codificador óptico, altavoz y alimentador. El microcontrolador y sus conexiones periféricas se refieren a que el cuadro de microcontrolador. Información fluye del codificador óptico, al microcontrolador, luego la computadora y luego de vuelta al microcontrolador. Si el software de control ha dado señales al microcontrolador que el ensayo fue un éxito, el microcontrolador activa el alimentador para dispensar una pelotilla. Al principio de cada sesión, el software de control transmite la información de etapa para el microcontrolador, que dirige el posicionador automático para colocar el mando a distancia definida de la etapa de la abertura. El posicionador automático también puede funcionar manualmente mediante las teclas de flecha en el posicionador automático. El codificador óptico registra datos en cambios de medidas y 100 Hz en ángulo. Todos los datos se almacenan en formato binario.
El experimentador utiliza etapas de entrenamiento secuencial dentro del software para entrenar la rata de habituación a supinating a un ritmo predeterminado de ángulo y el éxito. Durante la habituación, el manipulandum perilla se coloca dentro de la ventana de apertura sin ningún contrapeso. Después de una semana de entrenamiento altamente supervisado, la rata asocia el botón con una recompensa y comienza a girar la perilla de forma independiente. Una vez que la rata es capaz de hacer independientemente, la perilla es retraída a 1,25 cm en 0.25 incrementos cm hasta que la rata puede girar independientemente de 1,25 cm. contrapeso es entonces añadida en incrementos de 1 g de 3 g a 6 g. automáticos formación etapas tren animal a supinate el mando en 6 g hasta 75 grados. Esta etapa de formación es en gran parte sin supervisión; una vez que las ratas adopten la tarea con forma apropiada (discutido abajo), continúan supinados correctamente. La formación es completa cuando las ratas supinados 75 grados a una tasa de éxito (hit rate) de 75% 8. Aquí, describimos un protocolo de entrenamiento típico y presente soluciones a problemas comunes que hemos encontrado. Demostrar la progresión de la representante de ratas exitosas y fracasadas a través del Protocolo de entrenamiento y mostrar que la tarea puede ser modificada para mostrar deterioro funcional con déficits sutiles o más severos.
La tarea de supinación perilla evalúa supinación de forelimb en ratas utilizando métodos cuantitativos y semi-automatizados. Para lograr estos extremos, muchos de los parámetros diseñados para la tarea, incluyendo alineación de perilla, el manipulandum diseño y criterios de formación, se itera durante varios años. Alineación de perilla, experimentamos con tres alineaciones diferentes del mando con respecto a la apertura: lado izquierdo de la perilla de alineado con el lado izquierdo de la abertura, el botón de centrado en la apertura, y el lado derecho de la perilla de alineado con el lado derecho de la una perture. Nos acomodamos en la parte derecha de la perilla está alineada con el lado derecho de la abertura, como esta ratas producidos que fueron entrenados en la menor cantidad de tiempo y que supinado con mecanismos de compensación mínima, específicamente, interferencia de la pata izquierda.
En cuanto a diseño manipulandum, hemos alterado varias características de diseño para maximizar el giro con el miembro anterior y minimizar el uso del cuerpo. Además, hemos escalado la dificultad de la tarea a la severidad del déficit previsto. Después de pyramidotomy, supinación es el movimiento más fuertemente afectada, pero el deterioro es todavía relativamente sutil. Así, capacitamos a las ratas a un criterio de referencia superior (75°) para asegurarse de que los déficits se observaron después de la lesión. Para las lesiones corticales, que están deteriorando más, umbral de 60 grados a 7,5 g era suficiente para demostrar un déficit significativo después de la lesión. Parámetros adicionales que fueron optimizados a través de un enfoque de ensayo y error incluyen tamaño de abertura, distancia de mando de apertura y ventana de tiempo para lograr un juicio acertado.
Hay algunos puntos críticos a lo largo del Protocolo de entrenamiento que requieren cuidadosa supervisión. Cuando se entrena a la línea de base, el método de umbralización adaptativa ha utilizado con éxito para entrenar a las ratas a 75° 10. Sin embargo, las ratas puede meseta en un pico de ángulo inferior a 75°; el rendimiento sigue siendo el mismo después de 4-5 sesiones. Para mejorar el rendimiento, se puede emplear un umbral estático. Un umbral estático se refiere al umbral en un grado determinado, que es independiente del rendimiento de la rata, en comparación con un umbral adaptativo que cambios basados en los recientes resultados. Si la rata mesetas durante el entrenamiento adaptativo, el experimentador debe cambiar a un umbral estático. Entrenamiento estático etapas van desde 20 a 70 grados en incrementos de 10°. (Etapa K28 – K33). Elija el escenario estático basado en promedio máximo ángulo la rata en las sesiones anteriores 2. Por ejemplo, si la rata es un promedio de 45°, seleccionar el escenario estático de 50 grados (K31). Conjunto de todas las fases estáticas “Init. Trillar.”en el 5 °. Durante el entrenamiento, si la rata pierde motivación, pase manualmente la rata si supinates cerca pero no sobre el umbral.
Además, durante la evaluación inicial, aproximadamente el 5% de las ratas regresan 5-10° en su ángulo de supinación y 5-10% en la tasa de éxito entre sesiones. Si esto sucede, y la rata no recupera el ángulo de 75° promedio pico después de 3-4 sesiones, disminuye la fase estática para dentro de 10 grados de ángulo promedio actual de la rata antes de volver a paso 3.5. Es importante no reintroducir una rata a las etapas de adaptación una vez que se ha colocado en etapas de entrenamiento estático.
Existen algunas limitaciones para la tarea. Una vez establecida la posición de asimiento incorrecto, puede ser difícil cambiar el comportamiento de agarre (figura 2). Por lo tanto, la corrección y la detección temprana es importante. Para corregir el asimiento de una rata, la abertura se puede modificar reduciendo el tamaño de la abertura en la dirección horizontal o vertical; típicamente nos pegue un portaobjetos de vidrio hasta el borde de la abertura que necesita ajuste. Para la mayoría de las ratas, esto mejora su forma de comprensión porque les obliga a agarrar el manipulandum en una manera específica. Esto, a su vez, mejora su capacidad adecuadamente supinados.
Además de este reto, las ratas pueden desarrollar mecanismos compensatorios para supinados. Estos incluyen el uso de la cabeza para ayudar el forelimb en supinación; bajar el codo y la articulación del hombro que girar la perilla; usando la pata izquierda para ayudar a girar el pomo o baje la pata alcanzar. De estos comportamientos puede utilizarse para completar con éxito la tarea. Como se mencionó anteriormente, comportamientos relativos a la comprensión pueden corregirse mediante la manipulación de la abertura. Mecanismos de compensación fuera el asimiento, sin embargo, exigen una participación activa por el experimentador no premiar comportamiento compensatorio. Después de la lesión, hemos observado las ratas tomando varios ensayos para colocar la pata en la posición correcta antes de supinating. Aunque no hemos analizado los componentes de la tarea podrían contribuir a la pérdida de la supinación, estos pueden incluir pérdida del control preciso de y con problemas de modulación de fuerza, entre muchas posibilidades.
La tarea de supinación semiautomático tarda, en promedio, 20 ± 5 días para entrenar a las ratas a línea de fondo, y 25% de los animales son incapaces de ser entrenados en la tarea. El tiempo de formación es el hecho de que no ha seleccionado naturalmente derecho preferencia ratas pero en cambio obligar a todos los animales para usar sus patas derecha como es común en los ensayos de llegar a la mayoría. No hemos probado usando ratas de preferencia de izquierda, pero sería un interesante estudio exploratorio para identificar primero pata preferencia y luego formar la pata dominante. Para acomodar esto, tenemos que voltear la orientación de las puertas para que el diafragma se invierte; Esto puede hacerse fácilmente.
En comparación con las tareas tradicionales como el IBB o pellet solo alcanzar, la tarea de supinación cuantitativa y objetivamente medidas llegar a miembro anterior. Muestra sensibilidad a lesiones graves (lesión cortical) y lesiones sutiles (pyramidotomy), y el procedimiento de formación puede modificarse dependiendo de la severidad de la modelo de la lesión. Ya que es semiautomático, la tarea permite al experimentador entrenar múltiples ratas al mismo tiempo, dependiendo de la etapa de formación. Esto mejora el experimentador y la productividad de la rata. La tarea es confiable y reproducible entre ratas. Mediante la creación de una guía (figura 2) para experimentadores para referirse durante el protocolo de entrenamiento, hemos estandarizado varios comportamientos incorrectos, así como soluciones para arreglarlos. Por último, la tarea ofrece un medio intuitivo para analizar grandes cantidades de datos y da al experimentador la posibilidad de ahondar en la cinética de la supinación.
En el futuro, utilizaremos la tarea supinación semiautomático como plataforma para evaluar el tipo, dosis y tiempo de rehabilitación. Nuestro laboratorio está interesado en los efectos de la estimulación en la mejora funcional después de lesiones. Además, estamos interesados en cómo las terapias que estimulan nervios reparacion o mejoran Conducción neural y comunicación puede afectar la rehabilitación. También tenemos interés en la modificación de la tarea para que sea compatible con electrofisiología para que podamos estudiar el aprendizaje motor; ratas con cabezatapas de realizan rutinariamente la tarea, y añadir un conmutador de grabación o estimulación sería simple de hacer. La tarea, como se describe, es para las ratas, pero también hay laboratorios de experimentación con el uso de ratones para la tarea. En general, esta tarea puede utilizarse para evaluar la función de forelimb en roedores en una amplia variedad de modelos de lesiones y enfermedades y a su vez, para la evaluación de estrategias de rehabilitación. Avanzando, que vamos a seguir mejorar la tarea, con refinamientos para ayudar a reducir comportamientos incorrectos y mejorar la tasa de adquisición de la tarea y tiempo de entrenamiento.
The authors have nothing to disclose.
Esta investigación ha sido financiada por NINDS NIH 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 |