Summary
Detta manuskript beskriver en halvautomatisk uppgift som kvantifierar supination hos råttor. Råttor nå, förstå och supinate en sfärisk manipulandum. Råttan belönas med en pellet om tur vinkeln överstiger ett kriterium som anges av användaren. Denna uppgift ökar genomströmningen, känslighet för skada och objektivitet jämfört med traditionella uppgifter.
Abstract
Aktiviteter som noggrant mäter fingerfärdighet i djurmodeller är kritiska att förstå handfunktion. Nuvarande råtta beteendemässiga uppgifter som mäter fingerfärdighet i stor utsträckning använder videoanalys för att nå eller mat manipulation. Medan dessa uppgifter är lätt att genomföra och är robust över sjukdomsmodeller, är de subjektiva och mödosam för experimenter. Automatisera traditionella aktiviteter eller skapa nya automatiserade aktiviteter kan göra uppgifterna mer effektiva, objektiva och kvantitativa. Eftersom råttor är mindre påverkas händiga än primater, central nervous system (CNS) skada producerar mer subtila brister i fingerfärdighet, emellertid, supination är mycket hos gnagare och avgörande till hands funktion i primater. Därför har vi utformat en halvautomatisk uppgift som mäter forelimb supination hos råttor. Råttor är utbildade för att nå och förstå en knopp-formade manipulandum och förvandla manipulandum i supination att få en belöning. Råttor kan förvärva skickligheten inom 20 ± 5 dagar. Medan den tidiga delen av utbildningen övervakas mycket, sker mycket av utbildningen utan direkt tillsyn. Uppgiften på ett tillförlitligt sätt och reproducibly fångar subtilt underskott efter skada och visar funktionell återhämtning som korrekt avspeglar klinisk recovery kurvor. Analys av data utförs av specialiserad programvara via ett grafiskt användargränssnitt som är utformat för att vara intuitivt. Vi ger också lösningar på vanliga problem som uppstått under utbildning och visa att mindre korrigeringar till beteende tidigt i utbildningen producerar tillförlitliga förvärv av supination. Knopp supination uppgiften ger således effektiv och kvantitativ utvärdering av en kritisk rörelse för fingerfärdighet i råttor.
Introduction
En förlust av fingerfärdighet efter nervsystemet skadan eller sjukdomen avsevärt minskar oberoende och livskvalitet för drabbade individer 1,2,3,4. Fingerfärdighet är alltså en viktig effektmåttet för att förstå vetenskapen om neurala reparation och rehabilitering som väl grunden av neurala kontroll rörlighet och motoriskt lärande. Manuella uppgifter som enskild pellet når, pasta manipulation, och Irvine, Beatties och Bresnahan (IBB) Forelimb skala har traditionellt använts för att utvärdera fingerfärdighet i djur, speciellt gnagare 5, 6,7. Dessa uppgifter har blivit populärt på grund av deras minimala uppgift förvärv tid. Men är de kvalitativa, mödosam för av försöksledaren och, ibland, okänslig för funktionsnedsättning efter skada med subtila underskott 5,7,8,9. Dessa begränsningar av traditionella uppgifter har sporrat utvecklingen av mer kvantitativa åtgärder av motorisk funktion hos djur, särskilt forelimb når.
I området i närheten finns det flera fördelar med att automatisera uppgifter, nämligen objektivitet, ökad genomströmning och minskad analys tid. Nya automatiska uppgifter ger ett känsligare mått på utvärdera fingerfärdighet efter skada än konventionella aktiviteter 8,10. Dessutom möjliggör de adaptiva utbildning och testning som skräddarsyr utbildning och testning svårighet att djurets prestanda. Slutligen, automatiska uppgifter genererar stora mängder data, vilket ger två fördelar. För det första, i data både i en rättegång och ökade antalet prövningar ökar den statistiska styrkan av en studie. För det andra, det ger neuroforskare en större datauppsättning som att studera motoriskt lärande, utbildning och ersättning mer kraftfullt genom analys av kinetiska och kinematisk information 11.
Flera grupper har försökt att automatisera traditionella uppgifter. Höghastighets kameror kan användas för att samla in kinematiska data från uppgifter som den enda pelleten når uppgift 12. Alaverdashvili och Wishaw har använt höghastighets kameror för att fånga nå rörelser och analysera siffror rörelser med hjälp av bildruta-för-bildruta motion mätning programvara Peak Motus 13. Denna programvara identifierar inte siffror med hjälp av datorseende, men i stället kräver försöksledaren att digitalisera rörliga punkter av markören. Dessutom har vissa uppgifter använts i samband med matare och burar för att automatisera utbildning processen 14,15,16.
Andra grupper har använt kraftgivare samt hög hastighetskameror att utvärdera rumsliga justeringar och tvinga i skickliga forelimb når med pasta manipulation, medan andra har utformat uppgifter att fånga mer komplexa rörelser 17. En sådan uppgift är en reach och pull som använder en tre-grad-av-frihet robotic enhet för att fånga planar och roterande rörelse råtta forelimb rörelser 18. Detta har fördelar i att kunna mäta kineticsen av rörelser men med en ökning i komplexitet och kostnad.
Här visar vi en halvautomatisk forelimb uppgift som mäter supination i råttor 8. Forelimb supination är rotation av paw från palm ner till palm upp. Supination är både en utmärkt markör för corticospinal tarmkanalen funktion och en kliniskt relevant rörelse hos människor som krävs för daglig levande aktiviteter 8,19,20. Supination är dessutom mycket känslig för skador och inaktivering, särskilt jämfört med enstaka pellets att nå 8. Supination uppgiften, utvecklat i samarbete mellan Burke Medical Research Institute och The University of Texas i Dallas, åtgärder rotationsrörelse i horisontalplanet 8,10. Råttor är placerade i en beteendevetenskaplig låda (figur 1A) och är utbildade att göra tre rörelser (figur 1B): nå genom en rektangulär öppning; greppa en sfärisk manipulandum; supinate till en angiven vinkel.
Aktiviteten beteende styrs av PC-programvara (figur 1 c). Kontrollerande mjukvaran skickar instruktioner till en mikrokontroller som är ansluten till auto-lägesställare, Optisk pulsgivare, högtalaren och mataren. Mikrokontroller och dess perifera anslutningar benämns som rutan mikrokontroller. Informationen flödar från Optisk pulsgivare, till mikrokontroller, sedan datorn, och sedan tillbaka till mikrokontroller. Om kontrollerande mjukvaran har signalerat att mikrokontroller att rättegången var en framgång, utlöser mikrokontroller mataren att dosera en pellet. I början av varje session reläer kontrollerande mjukvaran scenen informationen till mikrokontroller, som styr auto-lägesställaren att placera vredet på scenens definierade avstånd från bländare. Auto-lägesställaren kan också manövreras manuellt med hjälp av piltangenterna ligger på auto-lägesställaren. Den Optisk pulsgivare registrerar data på 100 Hz och åtgärder förändringar i vinkel. Alla data lagras i binärt format.
Experimenter använder sekventiell utbildning etapperna inom programvaran för att träna råttan från tillvänjning att supinating med en förutbestämd vinkel och framgång hastighet. Under tillvänjning placeras den knopp manipulandum inuti fönstret bländare utan någon motvikt. Efter en vecka av mycket handledd praktik, råtta associates vredet med en belöning och börjar att vrida ratten självständigt. När råttan är kunna vända självständigt, är ratten tillbakadragen till 1,25 cm i 0,25 cm steg till råtta kan svänga självständigt på 1,25 cm. motvikt är då lade till i steg om 1 gram från 3 g till 6 g. automatiserad utbildning arrangerar tåg djuret att supinate vredet på 6 g upp till 75 grader. Detta skede av utbildningen är till stor del oövervakad; När råttor anta uppgiften med korrekt form (diskuteras nedan), fortsätter de att supinate ordentligt. Utbildning är slutförd när råttor supinate 75 grader på en framgång (hit rate) på 75% 8. Här, beskriver vi en typisk utbildning protokollet och presenterar lösningar på vanliga problem som vi har stött på. Vi visar utvecklingen av representativa lyckade och misslyckade råttor genom utbildning protokollet, och visar att uppgiften kan ändras för att Visa funktionsnedsättning med subtila eller mer allvarliga underskott.
Protocol
det här protokollet beskriver ställa in uppgiften och upprätta lever och utfodring villkor, liksom utbildning djur djur efter skada och testning analysera beteende data. De fyra stegen i djurs utbildning beskrivs också: tillvänjning, belöning association, motvikt utbildning och utbildning till kriterium vända vinkel. Alla djurförsök godkändes av IACUC för Weill Cornell medicin och University of Texas i Dallas.
1. inställningen upp uppgiften
- Design en beteendevetenskaplig box gjord av genomskinlig plast för att åtgärder 150 mm bred och 200 mm lång och 250 mm hög.
Obs: Här rektangulära bländaren är 14,2 mm bred och 25,4 mm hög. Den ratten manipulandum diameter 9,5 mm tillverkas med form och har två stopp som begränsar supination till mindre än 100°. Alla dessa parametrar har testats och optimerad för de brister som beskrivs i resultatavsnittet. Beteendemässiga lådan och manipulandum visas i figur 1A. - Anslut rutan microcontroller till datorn. Upp till fyra microcontroller lådor kan anslutas till varje dator.
- För att börja uppgiften, använda programvaran control ( figur 1 c).
- Välj vredet anordning för kontroll. Ingång ämnesnamnet i det " ämnet " fältet. Välja scenen för utbildning under den " skede " rullgardinsmenyn.
Obs: Arrangerar dikterar tre parametrar för varje prövning: den " Hit fönster, " " Hit tröskel, " och " inledande tröskeln. " en hit definieras som når kriterium vinkeln inom en definierad tidsperiod. " Slå fönster " refererar till den tid som avsatts för ett djur att starta en provperiod och nå kriterium vinkeln. " Hit tröskel " är kriteriet vinkeln för en framgångsrik rättegång. " Inledande tröskeln " är kriteriet vinkeln att inleda en rättegång och slå fönster; Detta indikerar början på turn. Mer information om stadier kan ses nedan under avsnittet " Training djur. " - Klicka " börja " att påbörja träningspasset. Klicka på " Feed " att manuellt mata djur och " slutar " att sluta träningspasset.
Obs: Manuell utfodring bör användas för att upprätthålla intresset för uppgiften och beskrivs i detalj i avsnitt 3. Efter avslutad session, sessionsdata kommer att sparas i C: köra.
- Välj vredet anordning för kontroll. Ingång ämnesnamnet i det " ämnet " fältet. Välja scenen för utbildning under den " skede " rullgardinsmenyn.
2. Levande och utfodring villkor
- användning vuxna kvinnliga Sprague Dawley-råttor (175-200 g). Hus råttor grupp i standard burar med återförda 12 h mörk/12 h ljus cykel. Utföra all utbildning och testning under mörka cykel med ljus nedtonat.
Obs: Honråttor används eftersom de är lättare att träna 21. Här användes Sprague-Dawley eftersom det är en gemensam stam som används i Finmotorisk träning, och det är den dominerande stammen för transgenics. Dock justerbar med tanke på uppgiften (motvikt, tur vinkel kriterium, avstånd till ratten och ratten själv) dessa kan enkelt justeras för olika stammar och större (t.ex. hanar) eller mindre (t.ex. Wistar) råttor. - För de första fem dagarna av studien, ge råttor en full tråg förutom näringsmässigt kompletta, choklad smaksatt pellets i fem dagar. Efter den femma dagen, mat-begränsa råttor till 85% av deras normala vikt kurva.
- Efter mat begränsning har börjat, mata råttor 7,5 g choklad pellets (justera uppåt eller nedåt för att upprätthålla 85% av ålder-justerade vikten) under hela sin utbildning. Om råttor inte har fått 7,5 g choklad pellets i deras träningspass, komplettera withstandard chow efter den sista sessionen.
Obs: Helgen utfodring är ad libitum med standard chow tills söndag kväll, då mat-beröva övernattning. När du utför operationer eller andra invasiva ingrepp, tillåta mat ad libitum minst tre dagar innan och sedan i tre dagar efter ingreppet (beroende på återhämtning gånger) innan du sätter råttor på mat begränsning igen.
3. Utbildning förfarande
Obs: en översikt av förfarandet utbildning visas i figur 3A. I hela protokollet, träna råttorna två gånger dagligen, en gång på morgonen och en gång på eftermiddagen. Vänta minst 3 h efter förmiddagsmötet innan eftermiddagen.
- Tillvänjning
Obs: målet med tillvänjning är att bekanta råtta med rutan testning och hantering.- Dra tillbaka ratten enheten fullt genom att trycka på NEDPIL på auto lägesställaren.
- Plats råtta i rutan beteendemässiga för 15 min.
- Efter 15 min i rutan, hantera varje råtta i händerna för minst fem min att bekanta råttan att experimenter.
- Upprepa detta för fem dagar.
- Belöning Association
Obs: målet är att träna råttan att associera svarvning av vredet med en mat-belöning. Räkna med att spendera hela sessionslängd 30 min på uppgiften under denna belöning association utbildning.- Öppna programvaran och ingång till råtta namn. Inställt på scenen " K1: knopp Shaping - ingen remskiva. "
Obs: Detta anger manipulandum avståndet från bländare på 0,0 cm, den " Init. Tröska. " på 3°, " HIT tröska. " vid 5 grader, och " HIT fönster " på 2 s. Detta tillåter råttan att matas så länge råtta stängs vredet senaste 3 grader. Den " HIT fönster " förblir på 2 s hela utbildning. - Sätta råtta i behavioral rutan och tryck på " börja " att börja sessionen.
- Bekanta råttan att belöning tråg genom dispensering 2-3 pellets i taget och trycka på sidan av rutan där belöning tråg är belägen. Fördela pelletarna med hjälp av manuella mataren knappen.
- När råttan vet platsen för belöningen, manuellt dispensera 1 pellets När råttan är framför bländaren.
- En gång råttan flyttar till bländare i väntan på en pellet belöning, skick råttan att interagera med manipulandum.
- Prompt råttan att delta genom att placera en 45 mg mat pellets nära manipulandum, eller genom att tillämpa pellets damm direkt till manipulandum, gör det möjligt att nå ut och förstå den. Klicka på rutan nära manipulandum att omdirigera sin uppmärksamhet om råttan flyttar från bländare,.
Obs: Om råttan har berört ratten med dess når tass, programmet kommer att mata råttan. Eventuella interaktioner som inte inkluderar användning av tassar (dvs bita, TRAPPNOS i manipulandum) är felaktiga och inte bör belönas.
- Prompt råttan att delta genom att placera en 45 mg mat pellets nära manipulandum, eller genom att tillämpa pellets damm direkt till manipulandum, gör det möjligt att nå ut och förstå den. Klicka på rutan nära manipulandum att omdirigera sin uppmärksamhet om råttan flyttar från bländare,.
- När råttan börjar röra ratten med önskad tass och bli belönad 10 gånger i rad på 0,0 cm, använda nedåtpilen nyckeln på auto-lägesställaren ( figur 1A) att dra tillbaka manipulandum av 0,25 cm. Upprepa Detta i 0,25 cm steg tills manipulandum är 1,25 cm från bländare.
- Press " stoppa " efter 30 min att avsluta sessionen.
- Fortsätt belöna association tills råttan supinates manipulandum med önskad tass på 1,25 cm från bländare ( figur 1B).
- När råttan har avslutat 2 på varandra följande sessioner supinating manipulandum och hämta pellets belöningen, börja motvikt bildning.
- Öppna programvaran och ingång till råtta namn. Inställt på scenen " K1: knopp Shaping - ingen remskiva. "
- Motvikt utbildning att träna råttorna att supinate 6 g motvikt.
- Plats en 3 g motvikt på manipulandum genom att fästa kopplingen i slutet av motvikten till den L-formade fästpunkten på manipulandum. Mata strängen motvikt genom remskivan tills motvikten hänger fritt.
- Öppna programvaran och ingång till råtta namn. Upp " K2: knopp Shaping - remskiva. "
Obs: Detta anger manipulandum avståndet från bländare på 1,25 cm, den " Init. Tröska. " på 3°, och den " HIT tröska. " på 5 grader. Manipulandum avståndet kommer att förbli på 1,25 cm från denna punkt framåt. - Sätta råtta i behavioral rutan och tryck på " börja " att börja sessionen.
- Press " stoppa " efter 100 + framgångsrika försök. När råttan har avslutat 2 på varandra följande sessioner av 100 + framgångsrika försök, öka vikten av 1 g efter slutet av en session. Öka vikten från 3 g till 6 g, under efterföljande sessioner.
- Gå vidare till steg 3,4 efter 2 på varandra följande sessioner supination på 6 g och 100 + framgångsrika försök.
Obs: Det tar i genomsnitt 6 sessioner (3 dagar) för att arbeta upp från 3 g till 6 g. början i motvikt utbildning, är det nödvändigt att rätta supination rörelse blir belönad och felaktiga supination rörelse blir formad ut. För en visuell guide och förklaring om rätt och fel supination form, se figur 2.
- Utbildning till baslinjen
Obs: kom ihåg att fortsätta att forma rätt supination rörelse. Igen, se figur 2 för en visuell guide på rätt/fel supination rörelse och hur man lindra Felaktiga supination. Träna råttorna att supinate baslinjen kriterier; här, är detta 75 grader med en 6 g motvikt på en framgång på 75% eller högre.- Placera en 6 g motvikt på manipulandum.
- Öppna programvaran och ingång till råtta namn. Ställ in scenen " KSB4: knopp utbildning Median 75 Max. "
Obs: Detta anger den " Init. Tröska. " på 5°, " HIT tröskeln Minimum " vid 15°, och " HIT tröskeln maximal " på 75°. Detta kallas en " adaptiv " utbildning skede, vilket innebär att tröskelvärdet kommer att öka som råttan ' s prestanda förbättras. För den " KSB4 " scenen, tröskelvärdet sätts först till föregående session ' s sista tröskel. Om ingen föregående session kördes på denna scen, är tröskeln inställt tröskelvärde minst 15 grader. Efter de första 10 prövningarna av sessionen beräknas tröskelvärdet som medianen av toppen vinklar i de tidigare 10 prövningarna. Således, tröskeln är olika för varje prövning och beror på råtta ' s prestanda i tidigare prövningar. - Stoppa sessionen efter 30 min.
- Fortsätt utbildning med adaptiv scenen tills genomsnittliga peak vinkeln är 75 grader eller högre. Fortsätt sedan till steg 3.5. Detta inträffar vanligtvis efter cirka 10 dagar eller 20 sessioner.
- Lägesbedömning att spela fyra i rad baslinjer
- Placera en 6 g motvikt på manipulandum.
- Öppna programvaran och ingång till råtta namn. Ställ in scenen " K27: 75 grader. " Detta anger den " Init. Tröska. " på 5 ° och " HIT tröskeln på 75°.
- Press " stoppa " efter 30 min eller 100 prövningar, vilket som kommer först att avsluta sessionen.
- Fortsätter tills det finns fyra på varandra följande baslinjer med en framgång på 75% eller högre.
4. Efter skada bedömning
- Öppna programmet och mata in namnet råtta. Upp till samma statiska scen som före skadan baslinjen testning. Detta kommer behålla samma parametrar som använts för baslinjen.
- Press " börja " och köra session tills 30 min.
Obs: Deltagande kan vara låg efter skada. Detta kan åtgärdas med hjälp av manuellt flöde knapp eller att placera en belöning pellet nära manipulandum att locka råttan att engagera sig i manipulandum. - Upprepa tester en gång i veckan i veckointervall tills önskad längd på efter skada bedömning har uppnåtts.
Obs: Här, vi bedöma efter skada prestanda varje vecka under sex veckor.
5. Analysera Data
Obs: Data sparas på en standardplats på C:-enheten på en dator. Uppgifterna tagna vid 100 Hz under fönstret hit och sparas i binärt format. Här, analyserades data med hjälp av ett anpassat program, kallas fingerfärdighet. Vänligen maila Dr Jason Carmel för tillgång till fri programvara.
- Öppen fingerkänsla och klicka " Standard. "
- Leta upp katalogen råtta data och välj önskad mapp.
- Väljer du katalogen, Välj råttorna för analys.
- Klicka " hålla " eller " kasta " att behålla eller kasta filer som är ofullständig eller innehåller inga data.
Obs: Det finns tillfällen när sessioner startas med fel parametrar och utbildning skede och medan de omedelbart stoppas, en fil skapas fortfarande. Denna fil behöver kasseras under analysen. Det finns också instanser, särskilt akut efter skada, när ett djur utför inga prövningar på grund av sin skada eller mycket lite prövningar. För dessa sessioner, måste en fil hållas eftersom det är en representation av deras prestanda. När en fil med inga framgångsrika försök hålls, en NaN placeras på lämplig plats för beräknade variabler. - Välja om du vill kommentera experimentet nu eller senare; om " kommentera nu " är valt, öppnas ett nytt fönster. Skriv i den " experimentera namn, " " gruppnamn, " " händelsedata, " och " totala antal av veckor " i experimentet.
- Tilldela en grupp försökspersoner.
- Input antalet data sessioner varje vecka eller punkt. Separat ingång sessioner av ett blanksteg och se till att inte sätta ett mellanslag efter sist nummer dvs (1 1 1 1).
- Ingång tidpunkten etiketter. Separat ingång etiketter av ett blanksteg och se till att inte sätta ett mellanslag efter sist etikett dvs (Pre Wk1 v2 Wk3).
- Välj när händelsen inträffade, en möjlighet att spara analys sessionen visas. Klicka på " Ja " att spara analys sessionen.
- Visas en översikt över uppgifter om kommenterad och arter utan not. Detta ger möjlighet att rita data.
- För arter utan not data, klicka på " graf ämne " att rita en individ betvingar eller " graf försökspersoner " att rita alla ämnen på samma graf.
- För kommenterad analys, klicka på " tomt " att rita experimentet.
- För både kommenterad och arter utan not, klicka på nedpilen för en lista över variabler som ska ritas upp. Klicka på variabeln för att Visa handlingen.
- Klicka på export att exportera diagrammet och/eller data som är associerade med grafen.
Representative Results
Tidigt i utbildningen tillbringar experimenter mer tid på uppgiften forma råtta beteende. Som råttorna associera råtta supination med belöning, händerna på minskar tid (figur 3A). Under tillvänjning, belöning association och motvikt utbildning spenderas den full sessionslängd (30 min) på uppgiften. Dock efter en råtta supinating med en 6 g vikt, minskar tiden på uppgiften gradvis till cirka 15 min När råttans supination vinkel ökar. Slutligen, när råttan når baseline, tiden på uppgiften är minst; experimenter behöver bara placera råtta i rutan beteendemässiga och starta programmet. Det maximala antalet råttor en försöksledaren kan samtidigt arbeta med är två råttor under belöning association, fyra råttor under motvikt och utbildning till baslinjen, och så många råttor det finns boxar under lägesbedömning och efter skada testning. I genomsnitt, 75% av råttor (n = 56) Hämta uppgiften.
När råttan har associerade supination med en belöning, finns det en positiv progression i råttans supination vinkel (figur 3B). I figur 3Butvecklats råtta från 3 g till 6 g motvikt från dag 3 till dag 7. Efter motvikt utbildning, fanns det en kort period av adaptiv utbildning från dag 7 till dag 9, under vilken supination ökat från 26 till 30 grader. Eftersom det inte fanns mycket förändring, anställdes en statisk tröskel från dag 9-18. Under denna period, råtta stadigt ökat från 30 grader till 75 grader i 8 dagar. I området i närheten finns det variation under utbildning, i synnerhet dagar 12 och 14. Men generellt finns det en uppåtgående trend i supination vinkel. I slutet av dagen 17 efter tillvänjning, råtta hade spelat in sin första baslinje och fyra sessioner senare det färdiga lägesbedömning. Från tillvänjning till inspelning av en fjärde originalplan tar utbildning protokollet ett genomsnitt på 20 ± 5 dagar.
Samtidigt visar en idealisk progression genom protokollet utbildning är viktigt, är Visa ett misslyckat progression lika viktigt (figur 4). I figur 4A, den orange linjen visar en råtta som framgångsrikt Slutför protokollet, den blå linjen visar en misslyckad råtta, och grå linjerna visar en annan sex framgångsrika råttor. Framgångsrika råttor nått baslinjen i 15 ± 0,6 dagar (n = 7). Representativa framgångsrika råttan använder ett 1 klockan grepp, medan misslyckade råttan använder ett klockan 3 grepp. Både råttor associera vredet med en belöning på 2 dagar. Dessutom visar både råttor en liknande supination vinkel (figur 4A) progression i de första fyra dagarna efter motvikten läggs. Men efter denna punkt börjar framgångsrika råtta att bryta bort från misslyckade råtta. Detta beror på att misslyckade råttans grepp inte kunde åtgärdas innan denna punkt (se figur 2).
För framgångsrika råtta finns det en brant ökning supination vinkel som börjar att plana mellan 50 och 60 grader men sedan återupptar en stadigare klättra mot 75 grader. Dock för misslyckade råtta finns det en mer gradvis ökning supination vinkel. Som råttan platåer runt 20 grader, råttan får skjuts till supinate mer, men så småningom förlorar intresset för uppgiften, även med manuell utfodring, och supination vinkeln minskar snabbt runt dag 15 efter tillvänjning. Medan det finns en viss återhämtning efter dag 17 efter tillvänjning, kämpar för råttan att supinate mer än 25 grader. Om en råtta inte har uppnåtts baslinjen dag 20, vi överväga denna råtta misslyckade och ta bort råttan från studien.
Utöver supination vinkel, kan man utföra en okulärbesiktning av den supination vågformer (figur 4B-D) för lyckade och misslyckade råtta. När du utför en visuell inspektion, vi söker flera vågform egenskaper: lutningen på linjen, latens, och antalet toppar i tidsfönstret för rättegången. Lutningen på linjen beräknas som derivatan av kurvan mellan uppkomsten av kurvan och toppen av kurvan. Latensen beräknas som tiden mellan inledningen av rättegången och kurvan korsar tröskeln hit. Avslutningsvis beräknas toppar med derivatan för att hitta lokala maxima i fönstret rättegång. Tidigare, Vi hittade att lutningen på linjen, eller hastighet, är ett robust mått på supination kinetik och är känslig för subtila underskott 8.
I den första tredjedelen av utbildning efter börjat supinate med 6 g (figur 4B), visar framgångsrika råtta (figur 4B1) en enda vågform med en topp nära 20 grader, medan den misslyckade råttan (figur 4B2 ) visar en dubbel eller två toppar, med den första toppen nära 10 grader och den andra toppen nära 5 grader. I den mellersta tredjedelen av utbildning (figur 4 c), visar framgångsrika råtta (figur 4 c1) en ökning i maximal vinkel från 20 grader till 50 grader med en mer definierad, enkel topp kurva. Misslyckade råtta (figur 4 c2), under tiden bara visar en marginell ökning av peak vinkel till 20 grader men har förbättrats i sin form. nu använder det bara en enda sväng. Av den sista tredjedelen av utbildning (figur 4 d), visar framgångsrika råtta (figur 4 d1) en mycket uttalad enda vågform med en topp runt 65 °, kontra den misslyckade råttan (figur 4 d2) med en maximal vinkel 20 grader men nu med en extra topp på 2 s 15 °. Detta är en annan bra indikator att med ökande utbildning svårighet, råtta kunde korrigera dess klockan 3 grepp och i sin tur inte kan supinate ordentligt. Även om denna råtta var inte uteslöts från studien och kunde så småningom utföra upp till 75 grader, skulle frågor förbli om om det var sant supination kontra supination med ersättning.
Slutligen, supination uppgiften upptäcker funktionsnedsättning efter flera typer av skador, inklusive en skär lesion i corticospinal tarmkanalen, den huvudsakliga vägen för frivillig rörelse i människor och forelimb motoriska cortex lesion utförs med endotelin injektioner ()Figur 5) 8,10,22. Råttor i gruppen pyramidotomy (lila, n = 8) utbildades till supinate minst 75° vid 6 g vid en framgång på 75% eller högre, medan råttor i gruppen kortikala lesion (grön, n = 10) var tränad till supinate 60° vid 7,5 g 75% eller högre. Råttor i båda grupperna visade en kraftig minskning av framgång efter skada (figur 5A). Framgång för råttor i gruppen pyramidotomy minskade från 90% ± 2% till 14% ± 8%. Framgångscess för råttor med kortikala lesion sjönk från 76% ± 1% till 10% ± 3%. Vecka 6, båda grupperna var fortfarande nedsatt: gruppen pyramidotomy var 34% ± 11% medan gruppen kortikala lesion förblev på 16% ± 7%. När det gäller supination vinkel visar båda grupperna en minskning från före till efter skada (figur 5B). På grund av de olika kriterium baslinje supination vinklarna hade pyramidotomy gruppen en högre före skada supination vinkel (85° ± 2,9 °) än gruppen kortikala lesion (67° ± 0,52 °). Gruppen pyramidotomy minskat till 38° ± 10° medan gruppen kortikala lesion minskade till 27° ± 2,9 °.
Figur 1: Supination aktivitetsbeskrivningen. (A), råtta är placerad i en Plexiglas ruta med en öppning genom vilken den når och griper en knopp som måste omsättas i supination. Ratten har två stationer att förhindra supination vinklar större än 100°. Ratten har också en remskiva med motvikt; Detta skapar vridmoment som råttan måste övervinna för att supinate. Ratten är ansluten till en Optisk pulsgivare som mäter vinkeln med en noggrannhet på 0,25 °. Detta Optisk pulsgivare är ansluten till en mikrokontroller, som i sin tur är ansluten till en dator som kontrollerar aktiviteten. Datorn signaler till mikrokontroller när till trigger ljud-feedback och fördela en pellet från mataren om ett kriterium för framgång uppnås. Mikrokontroller styr även auto lägesställaren vars position mellan 0 och 1,25 cm styrs av utbildning scenen av datorn. (B), råtta utför uppgiften i tre på varandra följande rörelser: når genom öppning, greppa ratten med en makt grepp ligger vid 1-tiden och supinating. (C), ratten supination aktivitet styrs av styrprogram. Experimenter ingångar personens namn och väljer utbildning scenen, medan programmet anger motsvarande parametrar. En vågform av en enda framgångsrik supination rättegång visas i blått, medan sekvensen av lyckade och misslyckade försök visas i grönt och rött, respektive. En rättegång är märkt framgångsrika av programvaran kontroll om supination vinkeln är större än tröskelvärdet träff inom fastställd tidsfönstret, medan en rättegång är markerad misslyckas om det inte gör. Detta program kontrollerar en låda. Fyra program kan köras samtidigt per dator. Denna siffra har ändrats från Sindhurakar et al., 2017, Neurorehabilitering och neurala reparation8. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: Supination rörelser. Diagram och beskrivningar av vanliga korrekta och felaktiga supination rörelser uppstod under utbildning protokollet. Korrekta rörelser möjliggör sann supination, medan Felaktiga rörelser inkluderar kompensatoriska mekanismer som kan förhindra att sanna supination. Ingår lösningsförslag att korrigera felaktig rörelser. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3 : Utbildning protokollet. (A) Standard tidslinje. Det finns fem perioder av utbildning som varar i ca 25 dagar totalt: tillvänjning (5 d), belöning Association (1-3 d), styrketräning 3-4 d, utbildning till baslinjen (8-12 d) och lägesbedömning (2-4 d). Linjemönster på tidslinjen designerar den tid som krävs av försöksledaren att spendera på uppgiften varje session. Som utbildning protokollet vinning, minskar tiden på uppgiften. (B) allmänna progression av en råttas förmåga att supinate från belöning association till lägesbedömning. Sammantaget finns en positiv linjär progression av råtta mot baslinjen, men som påpekat, finns det variation i en råttas prestanda i hela utbildning protokollet. Efter styrketräning, finns det en period av adaptiv utbildning, där tröskelvärdet supination vinkel ändras till matcha råttans prestation. Adaptiv utbildningen följs av en statisk tröskelvärde paradigm tills råttan har uppnått baslinjen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: Lyckade och misslyckade uppgift förvärv. (A) utvecklingen av supination vinkel under hela utbildning protokollet för åtta råttor, sju lyckad och en misslyckad. En representativ råtta som når baseline kriterium (framgångsrika, orange) och en misslyckad råtta (blå) används vidare som fallstudier. I de första sju dagarna av utbildningen efter tillvänjning, både lyckade och misslyckade råtta visade liknande framsteg i supination vinkel. Av dag 11 efter tillvänjning, framgångsrika råtta var supinating 55 ° medan misslyckade råtta supinerad 25 °. Efter dag 15 efter tillvänjning, framgångsrika råtta visade en stark uppåtgående progression, medan misslyckade råtta minskade prestanda. I den sista tredjedelen av utbildning efter tillvänjning, misslyckade råtta hade nått sitt tak på 30 ° medan framgångsrika råtta var supinating 80 °. (B) genomsnittliga vågform (svart linje) med ett 95% konfidensintervall (orange för framgångsrik, blå för misslyckade) för den första tredjedelen av utbildning efter 6 g motvikt läggs. (B1) Framgångsrika råtta - enskild topp runt 20°. (B2) Misslyckade råtta - dubbel topp med globala högst 10°. (C) genomsnittliga vågform (svart linje) med ett 95% konfidensintervall (orange för framgångsrik, blå för misslyckade) för den andra tredjedelen av utbildning efter 6 g motvikt läggs. (C1) Framgångsrika råtta - enskild topp på 45°. (C2) Misslyckade råtta - förbättrade form med enda topp nära 20°. (D) genomsnittliga vågform (svart linje) med ett 95% konfidensintervall (orange för framgångsrik, blå för misslyckade) för den sista tredjedelen av utbildning efter 6 g motvikt läggs. (D1) Framgångsrika råtta - uttalad enda topp vid 65°. (D2) Misslyckade råtta - dubbel topp med global maximum vid 20°. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5:stark > uppgift känslighet för olika skada modeller. Råttor i gruppen pyramidotomy (lila, n = 8) utbildades till supinate 75° vid 6 g vid en framgång på 75% eller högre, medan råttor i gruppen kortikala lesion (grön, n = 10) var tränad till supinate 60° på 6 g på 75% eller högre. Data som visas är medelvärde ± standardavvikelse. (A) framgång för pyramidotomy lesion kontra kortikala lesion. Både skada modeller visade en kraftig minskning av framgång från före till efter skada (1 vecka). Framgång för pyramidotomy minskade från 0.90 ± 0,02 till 0,14 ± 0,08, medan framgång för kortikala lesion minskat från 0,76 ± 0,01. (B) supination vinkel för pyramidotomy kontra kortikala lesion. Båda grupperna visade en minskning från före till efter skada: gruppen pyramidotomy minskade till 38,2 ° ± 10,1 ° medan gruppen kortikala lesion minskade till 27,1 ° ± 2,9 °. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Discussion
Knopp supination uppgift utvärderar forelimb supination i råttor med kvantitativa och semi automatiserade metoder. För att uppnå dessa slutpunkter, har många av de parametrar som utformats för uppgiften, inklusive knopp anpassning, manipulandum design och utbildning kriterier, varit upprepade över flera år. För knopp anpassning, vi experimenterade med tre olika livsåskådningar i ratten när det gäller bländare: vänster sida av ratten i linje med vänster sida av bländaren, vredet centrerad i aperture, och till höger om ratten i linje med höger sida av den en perture. Vi bosatte sig på höger sida av ratten är i linje med höger sida av bländaren, som detta producerade råttor som utbildades på kortast tid och som supinerad med minimal kompensationsmekanismer, specifikt, störningar från vänster tass.
När det gäller manipulandum design ändrat vi flera konstruktionsdetaljer för att maximera svarvning med forelimb och minimera användning av kroppen. Dessutom skalas vi svårigheten i uppgiften att svårighetsgraden av det förväntade underskottet. Efter pyramidotomy, supination är den rörelse som påverkas mest starkt, men funktionsnedsättningen är fortfarande relativt subtila. Således, vi tränade råttor till ett högre originalplan kriterium (75°) att säkerställa att stora underskott observerades efter skada. För kortikala lesioner, som ytterligare försämrar, var 60 grader tröskeln på 7,5 g tillräckliga för att påvisa ett betydande underskott efter skada. Ytterligare parametrar som var optimerad genom en trial-and-error strategi inkluderar bländare storlek, knopp avstånd bländare och tidsfönster att uppnå en framgångsrik rättegång.
Det finns några kritiska punkter i hela utbildning protokollet som kräver noggrann övervakning. När utbildning till baslinjen, har adaptiv tröskelvärde metoden använts framgångsrikt att träna råttor till 75° 10. Men kan råttor platå på en topp vinkel mindre än 75°; prestanda förblir densamma efter 4-5 sessioner. Förbättra prestanda genom kan en statisk tröskel användas. En statisk tröskel refererar till tröskeln ligga kvar på en uppsättning grad, som är oberoende av råtta prestanda, i motsats till en adaptiv tröskel som ändringar baserat på senaste prestanda. Om råttan platåer under adaptiv träning, bör experimenter ändras till en statisk tröskel. Statisk träning stadier varierar från 20 till 70 grader i steg om 10°. (Stage K28 - K33). Välj statisk scenen baserat på råttans genomsnittliga peak vinkel i de föregående 2 sessionerna. Om råttan är i genomsnitt 45°, Välj exempelvis statiska scenen för 50 grader (K31). Alla statiska stadier ställa den ”Init. Tröska ”. vid 5 °. Under träning, om råttan förlorar motivationen, manuellt mata råttan om det supinates nära men inte över tröskeln.
Dessutom under lägesbedömning regrediera cirka 5% av råttor 5-10° i deras supination vinkel och 5-10% i träffsäkerhet mellan sessioner. Om detta händer, och råttan inte återhämta 75° genomsnittliga peak vinkel efter 3-4 sessioner, minska statisk scenen till inom 10 grader av råttans nuvarande genomsnittliga vinkel innan han återvände till steg 3.5. Det är viktigt att inte återinföra en råtta till adaptiv skeden när det har placerats på statisk träning scener.
Det finns vissa begränsningar för uppgiften. När Felaktiga grasp ståndpunkt har fastställts, kan det vara svårt att ändra gripa beteende (figur 2). Tidig upptäckt och korrigering är därför viktigt. För att korrigera en råttas grepp, kan bländaren ändras genom att minska storleken på bländaren i horisontella och vertikala riktningen; vanligtvis tejpa vi en glasskiva till kanten av bländaren som behöver justeras. För de flesta råttor förbättrar detta deras grepp form eftersom den tvingar dem att ta tag i manipulandum på ett särskilt sätt. Detta, i sin tur förbättrar deras förmåga att korrekt supinate.
Utöver denna utmaning, kan råttor utveckla kompensationsmekanismer till supinate. Dessa inkluderar användning av huvudet till stöd forelimb i supination; sänka armbåge och axelleden till Vrid vredet; använda vänster tass för att hjälpa Vrid vredet eller tryck når tass ner. Alla dessa beteenden kan användas för att framgångsrikt slutföra uppgiften. Som nämnts ovan, kan beteenden som rör fattningsförmågan korrigeras genom att ändra bländaren. Kompensatoriska mekanismer utanför räckhåll, men kräver aktivt deltagande av försöksledaren att inte belöna kompenserande beteende. Efter skada, har vi observerat råttor tar flera försök att placera tass i rätt position innan supinating. Även om vi inte har analyserat vilka komponenter av uppgiften kan bidra till förlusten av supination, dessa kan omfatta förlust av korrekt grepp och nedsatt kraft modulering, bland många möjligheter.
Halvautomatisk supination uppgiften tar i genomsnitt, 20 ± 5 dagar för att träna råttor till baslinjen, och 25% av djur inte kan tränas på uppgiften. Bidra till träningstiden är det faktum att vi inte har valt naturligt höger-preferens råttor men istället tvinga alla djur att använda sin högra tass som är vanligt i de flesta når analyser. Vi har inte provat att använda vänster-preferens råttor, men det skulle vara en intressant undersökande studie att först identifiera tass Förkärlek och sedan utbilda dominerande tass. För att tillgodose detta, skulle vi behöva vända orienteringen för dörrarna så att bländaren återförs; Detta kan enkelt göras.
Jämfört med traditionella aktiviteter som IBB eller enstaka pellet når, mäter supination uppgiften kvantitativt och objektivt forelimb når. Det visar känslighet för allvarliga skador (kortikal lesion) och subtil skada (pyramidotomy), och förfarandet för utbildning kan ändras beroende på graden av skada modellen. Eftersom det är halvautomatisk, kan uppgiften att försöksledaren att träna flera råttor samtidigt, beroende på utbildning skede. Detta förbättrar avsevärt experimenter's produktivitet och råtta genomströmning. Uppgiften är tillförlitliga och reproducerbara mellan råttor. Genom att skapa en felsökningsguide (figur 2) för praktiker hänvisar till under utbildning protokollet, har vi standardiserat flera felaktiga beteenden samt lösningar som åtgärdar dem. Slutligen, aktiviteten erbjuder ett intuitivt sätt att analysera stora mängder data och ger experimenter möjlighet att gräva djupare i kineticsen av supination.
I framtiden, kommer vi att använda halvautomatisk supination uppgiften som en plattform för att utvärdera typ, dos och tidpunkt för rehabilitering. Vårt labb är intresserad effekterna av stimulering på funktionell förbättring efter skada. Dessutom är vi intresserade av hur behandlingar som stimulerar neurala reparera eller förbättra neurala överledning och kommunikation kan påverka rehabilitering. Vi har också intresse av att ändra uppgiften för att vara kompatibel med elektrofysiologi så att vi kan studera motoriskt lärande; råttor med huvudCAPS utföra rutinmässigt uppgiften, och lägga en kommutator för inspelning eller stimulans skulle vara enkelt att göra. Uppgiften, som beskrivs, är för råttor, men det finns också labs experimenterar med att använda möss för uppgiften. Denna uppgift kan i allmänhet användas för att utvärdera forelimb funktion hos gnagare i en mängd olika skada modeller och sjukdomstillstånd och i sin tur för att utvärdera rehabiliterande strategier. Går framåt, kommer att vi fortsätta att förbättra uppgiften, med förbättringar för att minska Felaktiga beteenden och förbättra uppgift förvärv hastighet och träningstid.
Disclosures
Dr Rennaker och Dr. Sloan är ägare av Vulintus Inc., som tillverkar utrustningen i denna publikation. Inga intressekonflikter deklareras för de andra författarna.
Acknowledgments
Denna forskning har finansierats av NIH-NINDS R03 NS091737.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
- Anderson, K. D. Targeting recovery: priorities of the spinal cord-injured population. J Neurotraum. 21 (10), 1371-1383 (2004).
- Martin, J. H. Systems neurobiology of restorative neurology and future directions for repair of the damaged motor systems. Clin Neurol Neurosur. 114 (5), 515-523 (2012).
- Lemon, R. N. Descending pathways in motor control. Annu Rev Neurosci. 31, 195-218 (2008).
- Feng, W., Wang, J., et al. Corticospinal tract lesion load: An imaging biomarker for stroke motor outcomes. Ann Neurol. 78 (6), 860-870 (2015).
- Whishaw, I. Q., Pellis, S. M., Gorny, B. P., Pellis, V. C. The impairments in reaching and the movements of compensation in rats with motor cortex lesions: an endpoint, videorecording, and movement notation analysis. Behav Brain Res. 42 (1), 77-91 (1991).
- Irvine, K. A., Ferguson, A. R., Mitchell, K. D., Beattie, S. B., Beattie, M. S., Bresnahan, J. C. A novel method for assessing proximal and distal forelimb function in the rat: the Irvine, Beatties and Bresnahan (IBB) forelimb scale. J Vis Exp. (46), (2010).
- Allred, R. P., Adkins, D. L., et al. The vermicelli handling test: a simple quantitative measure of dexterous forepaw function in rats. J Neurosci Meth. 170 (2), 229-244 (2008).
- Sindhurakar, A., Butensky, S. D., et al. An automated test of rat forelimb supination quantifies motor function loss and recovery after corticospinal injury. Neurorehab Neural Re. 31 (2), 122-132 (2017).
- Carmel, J. B., Kim, S., Brus-Ramer, M., Martin, J. H. Feed-forward control of preshaping in the rat is mediated by the corticospinal tract. Eur J Neurosci. 32 (10), 1678-1685 (2010).
- Meyers, E., Sindhurakar, A., et al. The supination assessment task: An automated method for quantifying forelimb rotational function in rats. J Neurosci Meth. 266, 11-20 (2016).
- Gomez-Marin, A., Paton, J. J., Kampff, A. R., Costa, R. M., Mainen, Z. F. Big behavioral data: psychology, ethology and the foundations of neuroscience. Nat Neurosci. 17 (11), 1455-1462 (2014).
- Wong, C. C., Ramanathan, D. S., Gulati, T., Won, S. J., Ganguly, K. An automated behavioral box to assess forelimb function in rats. J Neurosci Meth. 246, 30-37 (2015).
- Alaverdashvili, M., Whishaw, I. Q. Motor cortex stroke impairs individual digit movement in skilled reaching by the rat. Eur J Neurosci. 28 (2), 311-322 (2008).
- Ellens, D. J., Gaidica, M., et al. An automated rat single pellet reaching system with high-speed video capture. J Neurosci Meth. 271, 119-127 (2016).
- Lai, S., Panarese, A., et al. Quantitative kinematic characterization of reaching impairments in mice after a stroke. Neurorehab Neural Re. 29 (4), 382-392 (2015).
- Molina-Luna, K., Hertler, B., Buitrago, M. M., Luft, A. R. Motor learning transiently changes cortical somatotopy. Neuroimage. 40 (4), 1748-1754 (2008).
- Ballermann, M., Tompkins, G., Whishaw, I. Q. Skilled forelimb reaching for pasta guided by tactile input in the rat as measured by accuracy, spatial adjustments, and force. Behav Brain Res. 109 (1), 49-57 (2000).
- Vigaru, B. C., Lambercy, O., et al. A robotic platform to assess, guide and perturb rat forelimb movements. IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng. 21 (5), 796-805 (2013).
- Martin, J. H., Choy, M., Pullman, S., Meng, Z. Corticospinal system development depends on motor experience. J Neurosci. 24 (9), 2122-2132 (2004).
- Murgia, A., Kyberd, P. J., Chappell, P. H., Light, C. M. Marker placement to describe the wrist movements during activities of daily living in cyclical tasks. Clin Biomech. 19 (3), 248-254 (2004).
- Simpson, J., Kelly, J. P. An investigation of whether there are sex differences in certain behavioural and neurochemical parameters in the rat. Behav Brain Res. 229 (1), 289-300 (2012).
- Hays, S. A., Khodaparast, N., et al. The isometric pull task: a novel automated method for quantifying forelimb force generation in rats. J Neurosci Meth. 212 (2), 329-337 (2013).
