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Behavior

用小鼠训练和社会观察教老鼠主动改变笼子

Published: October 25, 2018 doi: 10.3791/58511

Summary

本协议介绍了一种通过发声训练对大鼠进行笼型改变的方法。大鼠不仅通过直接训练, 而且通过观察性学习来学习所期望的行为。实施这一快速而简单的协议可能有助于改善啮齿动物设施的福祉和卫生。

Abstract

笼式清洗是一种常规执行的畜牧程序, 已知在实验大鼠中诱发压力。由于压力会对幸福产生负面影响, 并可能影响研究结果的可比性和重现力, 因此应尽量减少和避免实验动物所承受的压力。此外, 大鼠和动物看守人在笼中的直接接触会造成卫生风险, 因此可能对大鼠的福祉和研究的质量产生负面影响。

我们的协议旨在改进常规执行的笼型更换程序。为此, 我们提出了一个可行的协议, 使大鼠通过发声训练和观察, 自愿地改变到一个干净的笼子学习。这项培训有助于减少因身体紊乱和与笼子变化有关的处理而引起的压力, 同时可以减少动物和动物看管者在训练阶段完成后的直接接触。

对大鼠进行点对中训练的实现是快速而简单的。大鼠通常对训练感兴趣, 并有效地学习所需的行为, 这就需要通过管子改变笼子。即使没有训练, 老鼠也学会通过观察来执行所期望的行为, 因为80% 的观察学习小组在测试时成功地改变了笼子。培训进一步有助于建立一个教练和动物之间的信任关系。由于卫生和福祉在动物实验中都非常重要, 本议定书也可能有助于改进高质量的研究。

Introduction

常规程序可能导致实验室动物的压力1,2,3,4。结果表明, 笼型改变确实增加了456大鼠的心血管参数和一般活动。这种压力反应至少可以部分归结于与笼型变化过程相关的物理干扰和处理, 而不是新的陌生环境2,4。特别重要的是压力对被视为动物的福祉的负面影响7。此外, 压力还会诱发行为和其他身体参数的变化, 包括自主神经系统、神经内分泌系统和免疫系统。因此, 压力通常被称为在动物实验中出现意外偏差的可能来源, 应尽量避免在高质量的动物研究7,8。减少实验动物压力的一种方法是训练。训练动物通常是一个非常有用的工具, 实验室动物管理, 事实上, 要求欧盟指令 2010/63/欧盟9。训练可以作为一种充实的形式, 有助于为实验准备动物;因此, 培训有助于维持和提高实验室设置101112的福祉。一种可能的训练方法是正强化训练 (PRT)。PRT 是一种操作性条件反射调节的形式, 奖励 (例如,食物奖励) 与所需行为13联系在一起。这种形式的训练已经在非人类灵长类动物的实验室设置中普遍使用, 以减轻压力并增进福祉, 并在其他各种动物物种1013中得到普及, 14,15,16。自愿运动培训也经常用于畜牧业管理171819。PRT 不仅是与动物合作的有用工具;它同样有利于动物的福祉, 无论训练的行为是否直接使用20。这里所描述的正强化训练协议旨在通过给予鼠自愿参与程序的机会, 避免在例行执行笼式改变期间出现任何形式的压力。

除了对动物可能造成的压力外, 动物设施的工作流程始终为维持卫生状况提供了陷阱, 特别是在实验室动物和动物照料者之间的直接接触有卫生风险的情况下污染。在专门从事啮齿动物的动物设施中, 将动物从脏物转移到干净的笼子里, 可以提供经常性和高工作量。此程序通常包括动物和人类之间的直接接触, 因此代表一个卫生风险因素, 由于可能转移的病原体在人类皮肤上定居21。除了从其他动物载体转移, 致病和非致病生物侵入动物设施最频繁地通过人类22,23。由于减少的健康与减少的福祉相关, 甚至亚临床感染可能是 nonreproducible 实验结果的原因, 这应该清楚地避免24,25。在这个帐户上, 训练动物到自愿改变笼子进一步使笼的传导变化在训练后几乎没有任何直接接触动物和动物看守, 从而降低了潜在的卫生风险, 同时执行实验程序。

我们训练大鼠主动更换网箱的协议, 可以作为实验室大鼠管理的一个有用工具, 它将训练作为一种认知充实的形式与日常工作的表现联系起来。因此, 我们的议定书是一种动物友好的程序, 有助于提高实验动物设施中大鼠的福祉。由于笼子在训练阶段可以在动物和动物看守者之间几乎没有任何直接接触的条件下进行改变, 它可能还有助于保持高水平的卫生水平, 从而进一步改善动物研究。

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Protocol

根据欧洲、国家和机构对动物护理的指导方针, 对大鼠和实验程序进行处理。

1. 驯化和习惯性习惯

注意: 如果不运送大鼠, 可以减少驯化和习惯性时间。对于无创识别, 颜色的尾巴与皮肤友好标记。

  1. 周 1: 驯化
    注意: 两个会话应在第一个星期, 一个在抵达当天和第二个2天后到达。
    1. 在老鼠到来的那天:
      1. 把两个老鼠转到他们新的家庭笼子里。转移一些旧的嵌套和床上用品的材料, 以及一些他们熟悉的食物颗粒, 以方便习惯到新的环境。
      2. 避免用尾巴举起老鼠。如果可能的话, 把一只手放在腹部或胸部周围, 另一只手支撑大鼠的后腿来举起它们 (图 1)26
    2. 抵达日后两天:
    3. 打开老鼠的家笼, 把手放在笼子里。让老鼠嗅探手。如果老鼠试图从笼子里出来, 通过轻轻地把它们放回笼子里来阻碍他们。在接下来的四分钟内继续执行此过程。
    4. 如果老鼠害怕, 不开始探索他们的环境, 重复这个过程每天一次, 直到老鼠开始探索。在这种情况下, 可能需要对遥控器进行习惯。
      注意: 老鼠用他们所有的感官探索新事物, 所以经过一段时间后, 他们会认识到相同的实验者是熟悉的。它可能会发生, 老鼠做口头探索的手, 但它不应该以侵入性的方式。如果发生这种情况, 手必须慢慢地带走, 以确保手套不会被破坏。
    5. 将小块的预期食物奖励添加到家庭笼中。
      注: 食物奖励必须符合实验室动物营养的要求。在本协议中, 使用白巧克力 (在注射器末端举行), 但其他食物, 如干果, 新鲜水果或谷物, 是可能的。如果动物设施卫生要求需要特殊条件, 则有各种供应商为实验室动物提供治疗。最健康的选择是可取的, 但高脂肪和高糖的混合可能给动物一个更大的动机参与。
  2. 2周: 对科学家和食物奖励的习惯性习惯
    1. 继续与居住的手和食物奖励开始在前一周。将交互时间限制为每天两分钟。
    2. 在老鼠非常着急的情况下, 可能需要习惯于发声。
      1. 若要评估此行为, 请在1天的会话后每隔五秒单击一次。如果老鼠与恐惧相关的行为发生反应, 则该遥控器必须习惯。
      2. 要使其习惯于遥控器, 请单击五次, 而老鼠会在会话结束后使用放置在笼子中的奖励。当老鼠不再显示任何与恐惧有关的行为时, 就会立即完成对遥控器的习惯。
  3. 周 3: 习惯于激烈的处理
    1. 在三天, 开始举起或抚摸老鼠几秒钟, 慢慢延长时间 (每只老鼠最多两分钟)。停止, 如果老鼠显示任何厌恶迹象, 如冻结, 躲避或隐藏。
    2. 在四和五天, 结束在发痒的处理, 如克卢捷所述。(2012)。27
      注意: 一个成功的习惯的指标, 例如, 老鼠服用的食物奖励, 如果它是由手或大鼠接近手, 探索它, 或触摸它。

2. 遥控器训练

注意: 训练课程需要四分钟, 由30秒的训练间隔和15秒的休息时间组成。在暂停期间删除任何添加的材料。观察鼠可以自由地做它想要做的事情, 并且允许它参与并消耗奖励, 但焦点只在其他老鼠身上。在五天的一天, 所有的老鼠都被逗乐了。为了训练的成功, 实验者必须注意动物的行为, 并以平静的方式行事。训练很大程度上取决于实验者的时间和观察能力。训练中不会出现口头反馈, 与动物的口头交流可能只是在会话之外发生。学习所需行为的指标是行为的重复。

  1. 制备
    1. 准备所需的材料, 如奖励, 摇杆/目标棒组合, 定时器, 清洁笼, 金属管, 以及任何其他特定的训练材料。
    2. 把家庭笼子转到一个安静的地方。
    3. 从保持架中移除所有项目。只有两只老鼠 (训练有素和观察者) 和寝具材料应留在笼子里。
  2. 培训日 1: 建立主要和次要增强剂之间的联系
    1. 在家里的笼子里放一条短隧道, 最好是老鼠熟悉的。
    2. 等到老鼠坐在隧道里, 然后用赏金喂老鼠。
      注: 如果在训练情况下不进食鼠, 应延长或调整适应期。
    3. 一旦老鼠表现出对奖赏的兴趣, 并即将开始啃赏, 点击然后让老鼠喂食奖励。为了确保两个强化的配对成功, 重复点击然后奖励15秒。在第一个培训课程中至少执行两次此操作。
    4. 如果老鼠确实参与了, 检查主要和次要增强剂之间建立连接的迹象。该分类的主要标准是对食物奖励的估计, 这是由老鼠嗅探, 环顾四周, 并在手, 提供食物奖励或提升到其后腿, 以寻找奖励 (图 2)。如果发生这种情况, 请继续下一部分;否则, 重复 "训练日 1"
  3. 训练日2至 5: 穿过短隧道
    注: 训练课程由30秒训练的交替阶段和15秒的休息时间四分钟组成。
    1. 放置与第一个使用/原始隧道相同的材料的短隧道, 将连接在主笼中的两个保持架。
    2. 启动计时器, 并立即从训练的前30秒开始。
      1. 当老鼠第一次进入隧道时, 在隧道的尽头呈现奖励。一旦老鼠进入隧道, 点击并让老鼠吃奖励。
      2. 拿走食物奖励, 等到老鼠再次对隧道感兴趣。一旦鼠进入隧道, 并在隧道的末端显示奖励 (图 3), 请立即单击。
      3. 训练30秒后, 添加15秒休息时间 (删除隧道)。
    3. 重复30秒的训练, 随后的15秒休息四分钟。
    4. 如果老鼠显示所需的行为超过一分钟四次, 停止点击, 只是奖励与主增强剂。
    5. 四分钟后停止。
  4. 训练周 2: 触摸目标棒
    1. 启动计时器, 并立即从训练的前30秒开始。每15秒添加一次休息, 然后继续训练。
    2. 将目标棒的地球仪放在老鼠附近。
    3. 一旦老鼠在地球上表现出兴趣, 点击并奖励老鼠。重复这几次。
    4. 如果老鼠在地球上表现出的兴趣超过每分钟四次, 那么接下来要加强的行为就是 "用鼻子触摸地球"。
    5. 如果老鼠重复这种行为超过四次一分钟, 停止点击, 只是奖励与主要增强剂。
    6. 四分钟后停止。
  5. 训练周 3 (五天) 和周 4 (三天): 通过隧道更改笼子
    注意: 在这里, 只有穿过隧道向清洁笼加强。4周的培训缩短至三个培训日。这段时间已经足以训练成功, 并为进一步的实验提供了额外一天的评估或数据记录的机会。
    1. 通过插入一个较长的版本的隧道已经熟悉的大鼠, 建立一个连接在家庭笼子和一个新的清洁笼子之间的隧道。
    2. 在第一天, 不进行训练, 只是让老鼠检查隧道。有一个很好的机会, 他们甚至会转移到它自己。
    3. 第二天, 给老鼠两分钟的时间通过隧道从肮脏的到干净的一面。如果老鼠通过隧道自由转移, 跳到步骤2.5.8。
    4. 否则, 开始前30秒训练课程 (在30秒的训练和15秒休息之间交替) 四分钟。
    5. 点击并奖励鼠, 一旦它显示了对隧道的兴趣。
    6. 继续点击并奖励进入隧道的入口。
    7. 继续点击和奖励, 如果老鼠在隧道更深。
    8. 继续以类似的方式, 直到老鼠穿过整个隧道。一旦老鼠开始在隧道的末端窥视到干净的笼子里, 就会呈现目标棒的地球仪, 点击, 并奖励触摸地球。
    9. 最后, 引导鼠离开隧道。对于这个过程, 使用目标棒的地球仪。在隧道前方展示地球, 并在新笼子里一步一走, 并在触摸地球时立即奖励老鼠。
    10. 把老鼠转移回 "肮脏的" 家笼。将一只手放在腹部或周围的胸部, 另一只手支撑大鼠的后腿来举起它们 (图 1)。将目标棒的地球仪呈现在清洁笼的中心。点击并奖励当老鼠穿过隧道并接触目标杆 (图 4)。
    11. 如果老鼠重复的行为超过一分钟四次, 停止点击, 只是奖励与主增强剂。
    12. 四分钟后停止。

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Representative Results

这项训练是对十名女性李斯特帽 (LD) 大鼠进行的。十未经训练, 但温和处理的雌性 LD 鼠作为对照组。温和的处理意味着老鼠只被他们的身体举起, 而不是在尾巴的底部举起。为了评估观察的学习, 我们增加了一组10只雌性 LD 大鼠, 这些老鼠没有受过训练, 而是被训练的大鼠保持笼型配合, 能够观察训练。所有的老鼠都完成了驯化和习惯性的处理。训练包括通过金属管移动到一个新的笼子 (图 4)。对所需行为的演示得到奖励 (图 4)。对每一个培训课程进行了评估, 并对培训成功进行了三个类别的分析: 参与、不参与和探究行为。经过训练的大鼠一般都对训练感兴趣, 但也表现出了探索新环境的高动力。特别是在第一个训练日, 探究性行为非常突出 (图 5)。经过三天的训练, 大多数老鼠显示了所需的行为, 并通过金属管改变了笼 (图 5)。在完成五天的训练后, 所有经过训练的老鼠都表现出这种行为 (图 5)。培训持续了四周, 每训练五天。经过四周观察训练组的 "训练状态", 对这些大鼠进行了评价。对于此评估, 我们计算了在一次训练期间, 老鼠穿过隧道进入干净笼子的次数。总的来说, 80% 的老鼠通过观看 (图 6) 了解了所需的行为。

我们进一步研究了训练对受过训练的老鼠是否有积极的影响。因此, 在训练四周后, 我们评估了大鼠的恐惧相关行为。记录了排尿、排便和发声, 并计算了厌恶分数 (没有恐惧相关行为 = 0, 一个与恐惧有关的行为 = 1, 两种与恐惧有关的行为 = 2, 三恐惧相关行为 = 3)。未经训练的组显示了与恐惧相关的行为评分显著增加 (图 7)。

Figure 1
图 1: 轻柔地举起老鼠.一只手放在腹部或胸部周围, 另一只手支撑着老鼠的后腿。请点击这里查看这个数字的更大版本.

Figure 2
图 2: 嗅闻和饲养.老鼠通过嗅探、环顾四周或举起后肢来显示对食物奖励的兴趣。请点击这里查看这个数字的更大版本.

Figure 3
图 3: 短隧道.通过短隧道后奖励一只老鼠。观察鼠表现出对手术的兴趣。请点击这里查看这个数字的更大版本.

Figure 4
图 4: 笼型改变后的奖励.一只老鼠通过金属管进入干净的笼子后得到奖励。请点击这里查看这个数字的更大版本.

Figure 5
图 5: 学习前的天数.一组十女李斯特帽大鼠经过训练, 通过使用小孔训练改变笼子通过金属管。培训在三个类别中进行了评估: 参与、没有参与和探索行为 (nd: 未检测到: 没有一个老鼠表现出各自的行为)。在训练五天后, 所有老鼠都获得了训练有素的行为。请点击这里查看这个数字的更大版本.

Figure 6
图 6: 观察性学习.一群被训练的老鼠笼中的十女李斯特帽老鼠没有接受训练, 而是被允许观察训练。观察四周后, 对大鼠进行自愿笼改变行为的评价。总的来说, 80% 的观察学习组通过金属管改变了笼子。请点击这里查看这个数字的更大版本.

Figure 7
图 7:与恐惧相关的行为得分.经过四周的训练, 所有3组 (训练有素、观察性学习、未经训练的对照组) 的大鼠均受到抑制, 发声、排便和排尿被记录下来, 随后用于计算与恐惧有关的行为得分。对于每只老鼠 (没有恐惧相关行为 = 0, 一个与恐惧相关的行为 = 1, 两种与恐惧相关的行为 = 2, 三恐惧相关行为 = 3)。恐惧相关的行为被描述为平均± SEM。对于统计分析, 进行了 Tukey 的多重比较测试的单向方差计算。与训练和观察学习组相比, 未训练的组显示出与恐惧相关的行为评分增加。请点击这里查看这个数字的更大版本.

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Discussion

上文所述的协议是我们以前描述的用于实验室小鼠的10号训练方案的一个有用的扩展应用。该实施只需要每天几分钟, 总共七周, 包括驯化, 习惯和唱歌训练。为了可行性, 本协议仅限于每周几周, 每对老鼠的会话时间约为十分钟。该协议在大型大鼠群体中的建立是很耗时的, 但如果动物被指定为长期试验或育种者, 它可以帮助改善笼子长期变化的过程。此外, 在进行实验时减少干扰会提高结果的质量。此外, 本议定书所指出的所有时间跨度都是建议, 可以根据具体要求进行修改, 以适合任何实验室。如果动物快速学习任务或老鼠已经习惯了, 时间跨度可以缩短。一般来说, 老鼠对训练感兴趣, 只需要重复几次, 才能获得所需的行为 "通过管道的笼形改变"。即使没有训练, 老鼠也学会了通过观察来执行所期望的行为, 因为80% 的观察学习小组在测试时成功地参与了志愿者笼的改变。在这里, 我们提出了一种训练笼改变的方法, 因为它是畜牧业中经常执行的例行程序, 已知会引起动物的压力。这种应力至少部分由于笼中的物理扰动变化2,4。培训使大鼠可以选择自愿合作执行这一畜牧业程序。在从事某项任务时, 有一个选择是对动物有有益的影响, 因此可能有助于减轻压力28。训练在其他方面也是有益的, 因为它是一种认知充实的形式。在被抑制的恐惧相关行为减少后, 对大鼠的积极影响变得明显可见。不仅直接训练似乎有利于以后处理这些大鼠, 但观察学习减少了恐惧相关的行为得分以及。我们的老鼠被保存在标准环境中, 富含 PVC 隧道和纸巾。除了训练, 所有三组的老鼠都受到发痒的检测。因此, 我们没有发现任何群体的福祉存在任何缺陷, 因为三组之间没有蔗糖偏好或穴居行为的差异 (未显示数据)。然而, 训练似乎是有益的大鼠, 因为他们显示减少恐惧相关的行为, 而被克制。

一方面, 训练大鼠可能会导致人与动物之间的 nonstressful 相互作用, 动物显然从中受益。然而, 另一方面, 人类和动物之间的接触总是有卫生污染的风险。特别是, 动物与实验者或动物看守人的皮肤接触会导致大鼠感染率提高24。因此, 视乎生程度而定, 应小心训练动物, 而训练员须根据设施的需要, 佩戴防护服, 并须进行必要的改装。例如, 如果足够清洁管道是不可行或太耗时的日常工作, 可以省略金属管。我们使用的管道, 因为它允许一个简单的测量训练成功, 也防止大鼠自发交替在笼子之间。然而, 通过将笼壁从旧笼移动到新笼子, 也可以训练老鼠改变笼子。如果笼型变化频繁, 这一过程甚至可以加快程序, 因为老鼠非常好奇和探索。在选择管道和在卫生方面的奖励, 确保两者都易于清洁, 消毒, 或热压罐。该协议可以调整到一系列的研究设置。例如, 可以使用桥梁, 这允许大鼠改变笼子没有物理风险或创伤后手术干预。从长远来看, 这项协议允许训练有素的动物和动物饲养者之间的直接接触较少。因此, 动物暴露在较低的胚芽负荷。此外, 由于大鼠的观察学习成功, 并非所有的老鼠都需要训练。这种观察性学习在饲养笼子中可能特别有用, 因为后代可能能够直接从母亲那里学到这种行为。减少大鼠和动物照料者之间的直接但不是整体接触可以帮助减少污染的风险, 同时通过培训建立信任关系。由于并发感染发生在育种和实验阶段, 对动物实验的科学意义有很大的限制, 因此卫生水平非常重要;因此, 本议定书可能有助于进一步改善福祉和科学29

为了成功地适用本议定书, 应考虑到若干要点。如果在训练前被运输, 老鼠的驯化期必须保持不变。驯化期的长短应适应科研问题。先前的研究表明, 三天的时间跨度对于某些实验3031来说是足够的, 而另一项研究表明血浆糖皮质激素在两周32内仍会增加。在本研究中, 我们选择从商业育种者运输到动物设施的14天的驯化期。在训练前, 必须对每只老鼠进行监测, 以获得任何不适迹象。如果实验者不熟悉大鼠, 如大鼠鬼脸秤等工具可用于参考33。没有这些考虑, 培训成功率可能会降低。大鼠天生就很焦虑, 可能需要额外的习惯性阶段。试图训练一只可怕的动物会产生有限的成功。动物在实验开始时的压力和恐惧越小, 训练就会越快完成。

习惯性化阶段的结束是记录基线数据以进行进一步实验的最佳时间点。如果实验需要侵入性方法, 则应暂停该协议。侵入性方法是指 2010/63/EU9的附件八 "程序的严重性分类" 中所列的任何同等或高于轻度严重性的方法。

对于培训课程, 培训计划可以是一个有用的工具, 以确保该议定书将以所需的方式持续进行。当涉及不同的实验者或处理程序时, 这种规划尤为重要。

结合起来, 这个非常简单, 应用导向的协议, 不仅可以减少在畜牧业过程和研究设置的压力, 但也可能对动物卫生有好处的影响。因此, 大鼠笼型改变训练可以促进研究动物的高质量研究和福祉。

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Disclosures

作者没有什么可透露的。

Acknowledgments

作者非常感谢托马斯. 瓦克的技术支持。我们进一步感谢海林博士对她的亲切支持。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Target Stick with Clicker Trixie 2282
Metal Pipe (Alu Flexrohr nw 100) Rotheigner available in construction marktes
White Chocolate/ white chocolate cream Company doesn't matter, preferable organic quality
Prism Version 6.0 for Mac GraphPad Software

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行为、问题140、笼型变化、发声训练、正强化训练、细化、卫生、福祉
用小鼠训练和社会观察教老鼠主动改变笼子
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Leidinger, C. S., Kaiser, N., Baumgart, N., Baumgart, J. Using Clicker Training and Social Observation to Teach Rats to Voluntarily Change Cages. J. Vis. Exp. (140), e58511, doi:10.3791/58511 (2018).

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