Summary
השיטה כדי להעריך את ההשפעה של אימון על מיומנויות מוטוריות הוא כלי שימושי. למרבה הצער, רוב הערכות התנהגותיות יכול להיות אינטנסיבית ו/או יקר. אנו מתארים כאן שיטה רובוטית של הערכת התפיסה (הגעה לתפוס) מיומנות בעכברים.
Abstract
אנו מתארים שיטה להחדיר עכברים תמימים למשימה הרומן (הגעה לתפיסה) משימה. עכברים נמצאים ביחידים בכלובים עם חריץ חזיתית המאפשר לעכבר להגיע מהכלוב ולאחזר כדורי מזון. הגבלת מזון מינימלי מועסק כדי לעודד את העכברים לבצע אחזור מזון מן החריץ. כמו העכברים מתחילים לשייך את החריץ למזון, כדורי משכו באופן ידני כדי לעורר את הסיומת ואת פרונציה של כף היד שלהם לתפוס ולאחזר את הגלולה דרך החריץ הקדמי. כאשר העכברים מתחילים להגיע כדורי כפי שהם מגיעים לחריץ, שיטת ההתנהגות ניתן לבצע על ידי מדידת הקצב שבו הם תופסים בהצלחה ולאחזר את הגלולה הרצויה. הם הציגו לאחר מכן מאמן אוטומטי ההופך את התהליך של מתן כדורי מזון עבור העכבר כדי לתפוס, ואת ההקלטה של מוצלח ונכשל להגיע ואוחז ניסיונות. הדבר מאפשר לאסוף נתונים עבור מספר רב של עכברים בעלי מאמץ מינימלי, לשימוש בניתוח ניסיוני בהתאם לצורך.
Introduction
שיטות לבדיקה מוטורית של מיומנויות מוטוריות לפני ופוסט נוירולוגי, כמו גם לווסת את העיתוי, כמות, וסוג של הכשרה מוטוריים חשובים מחקר טרנסלtional. בעשור האחרון, עכברים, בגלל הקלות של מניפולציה גנטית, הפכו מערכת המודל הפופולרי שבו כדי להבהיר את המנגנונים של למידה מוטורית מראש ולאחר פציעה. עם זאת, התנהגות התנהגותית אומר בעכברים לא היו ממוטבים באותו אופן, כי מאמר כזה היה עבור יונקים אחרים (במיוחד חולדות). עוד, ישנם הבדלים חשובים בין התנהגות של עכבר לבין חולדה המציעים בחריפות את שני המינים בנימוסים שונים1,2.
תנועות אנער מיומנים להשתמש ביד/כף למקום מזון בפה, כדי לתמרן אובייקט, או להשתמש בכלי. ואכן, הגעה לתפיסת חפצים שונים בחיי היומיום היא פונקציה בסיסית של הגפיים העליונות ומעשה ההגעה לאכילה הוא צורה של הבנה שיונקים רבים משתמשים בהם. רבים מהשינויים הגנטיים, הפיזיולוגיים והאנטומיים האנער ברכישת מיומנות מוגדרים היטב בשדה3. בתרגום ממצאים פרה-קליניים לתוצאות קליניות, יש צורך בבדיקה רלוונטית שהיא יעילה ומתוכמת. מחקרים של מכרסם ולהגיע האדם להפגין כי התנהגות הסדר דומה בבני אדם בעלי חיים4. בהתאם לכך, קווי הדמיון הללו מצביעים על כך שבדיקת הסדר יכולה לשמש כמודל טרנסלטילי לחקירת למידה מוטורית, כמו גם ליקויים וטיפולים במחלות אנושיות. לכן, הערכת הסדר בעכברים יכול להציע כלי רב עוצמה במחקר טרנסלפורמציה ללמוד הן בריאות והן מצבים מחלות4.
למרבה הצער, משימה בסדר בעכברים, אפילו עבור הגדרת מעבדה קטנה, יכול להיות מפרך זמן רב. כדי להקל על בעיה זו, אנו מתארים כאן גרסה אוטומטית של משימת החסימה. המשימה המתוארת מחייבת עכברים כדי להאריך כפה אחת דרך חריץ הבית של העכבר בכלוב הקדמית, לחזק את הכף המורחבת, לתפוס את הגמול מזון הגלולה, ולמשוך את הגלולה בחזרה אל פנים הכלוב עבור צריכה. הנתונים המתקבלים מוצגים כהצלחה או כישלון הניתן לחסימה. אוטומציה זו מתעדת בהצלחה את הנתונים ומפחיתה את הנטל והזמן שבהם החוקרים חייבים לעסוק במשימה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
כל השיטות המתוארות כאן אושרו על ידי ACUC (הוועדה לטיפול בבעלי חיים והשימוש) של אוניברסיטת ג'ונס הופקינס.
1. הכנת כלובי העכבר לשימוש
- צור פתח משופע עם מידות של 0.8 ס"מ רוחב ו 7 ס"מ גובה מהבסיס בקצה הקדמי של כל כלוב, כפי שמודגם באיור 1. חריץ זה משמש כפתח שדרכו החיה תגיע.
הערה: מאמן אוטומטי תוכנן לשימוש עם מידות כלוב העכבר הרגיל (כפי שמוצג באיור 1) המסופק על ידי רוב ספקי המחקר לחקר בעלי חיים. יתר על כן, מאמן אוטומטי יהיה לתמוך בקלות אחרים מסוג כלוב. - בתוך כל כלוב יחיד, להוסיף פלטפורמה סמוך לחריץ כדי לאפשר לעכברים לעמוד ולהגיע כדורי הציג. ודאו שהפלטפורמה ממוקמת מעל קומת הקרקע של הכלוב, כ -3 ס מ בגובה. שימוש במנות פטרי מודבקת עם דבק על ידי סדין מתכת כ 10 ס"מ x 15 ס מ, עם זאת, כל משטח שטוח גדול מספיק כדי עכבר כדי לעמוד כדי להגיע מ יהיה להספיק.
- ליצור חריץ אנכי דרך אמצע החזית של הכלוב מדידה 0.8 ס"מ על פני ו 7 ס"מ גבוה שיאפשר עכבר כדי להגיע כפה שלו מתוך הכלוב.
- מתוך סדין דק של מתכת, (כ 2 מ"מ עובי) לחתוך שער כלוב למלבנים מדידה 5 ס"מ x 10 ס"מ לשמש פתח אחיד שדרכו החיה היא להגיע.
הערה: עכברים יכולים ללעוס על כלובים פלסטיים שישנו את גודל הפתח. העכבר יגיע דרך חריץ זה 0.8 ס מ כאשר שער הכלוב המתכתי ממוקם על הפתיחה מחדש של הכלוב במהלך הבדיקה באמצעות קלטת, שמירה על רוחב אפקטיבי של החריץ בין הכלובים. - לכסות את החריץ של כל כלוב עם הקלטת כאשר העכבר אינו נבדק כדי למנוע המלטה מפני סילוק מהכלוב.
2. היכרות עכברים לתנועה להגיע
- הקלט את משקל ההתחלה של כל עכבר וחשב 85% מהערך כדי למצוא את משקל המטרה שלהם, מעוגל עד 20 גרם אם התוצאה נמוכה יותר. תן להם משטר האכלה להביא אותם ואז לשמור על משקל המטרה הזה.
- לתת לכל עכבר 2.5 g של כדורי ביום הראשון ולשים לב לשינוי במשקל שלהם 24 שעות מאוחר יותר.
הערה: שוקלים את העכברים פעם ביום ומצפים לירידה במשקל 0.25-1 גרם ליום. - שנה את ההזנה היומית של כל עכבר כנדרש, בהתבסס על שינוי ראשוני זה ושינויים מתמשכים במשקל של כל עכבר, כדי לגרום לירידה במשקל הדרגתי (פחות מ 0.8 g לאיבוד ליום) ולאחר מכן לשמור על משקל המטרה שהתקבל. לשנות בין שלושה כדי 6 500 mg כדורי (1.5 כדי 3.0 g) ליום להיות יעיל.
הערה: עכברים נשארים בדיאטה זו כדי לשמור על משקל המטרה שלהם בכל הפרוטוקול.
- לתת לכל עכבר 2.5 g של כדורי ביום הראשון ולשים לב לשינוי במשקל שלהם 24 שעות מאוחר יותר.
- כאשר העכבר הגיע למשקל המטרה שלו, להציג כל עכבר לרעיון של לבוא אל החריץ מגודרת עבור גלולה המזון המשלים. להתחיל מפגש אימון על ידי הצבת גלולה 45 mg על משטח הגלולה, ישירות מול החריץ, ולאפשר לכל עכבר כדי לאחזר אותו. רוב העכברים ייקח את ההסדר הזה האכלה בתוך 1-2 ימים.
- לאחר העכבר שותפים חריץ פתוח עם להיות ניזון, לעודד אותם להגיע עם כפה, ולא בפה.
הערה: זהו הצעד המורכב ביותר, לקיחת 1-2 ימים, והקניית התנהגות לא מועילה בעכברים בטעות היא קלה מאוד; עיין בסעיף הדיונים לקבלת מידע נוסף ועצות.- באמצעות זוג מלקחיים, להחזיק גלולה באותו מיקום העכבר יש לאחזר כדורי בעבר. כאשר העכבר מתחיל לנשוך את הגלולה, למשוך אותו משם בערך חצי סנטימטר כזה את הגלולה היא מחוץ להישג פיו.
הערה: עכבר על משקל המטרה שלו ינסה לאחזר את הגלולה מחוץ להישג. בכל פעם העכבר מרחיב כפה דרך החריץ, לחזק את ההתנהגות הזאת על ידי התרת אותו לאכול את הגלולה. עכברים מסוימים עשויים להפגין העדפה לרגל אחד מעל השני בעת הארכת למזון. - בעוד לא אינסטרומנטלי לניסויים, להקליט אם הימנית או הימנית הוא המועדף. הדבר עלול לאפשר שיעורי הצלחה גבוהים יותר באופן התנהגותי; לחילופין, לחסל משתנה על ידי אילוץ כל עכבר כדי להגיע עם אותו כפה.
הערה: תוצאות טובות יותר מתקבלים אם עכברים משתמשים בכפה המועדפת עליהם. - כמו כל עכבר מקורביו הארכת כפה עם אכילת גלולה, עוד יותר לחזק את ההתנהגות על ידי הסתרת הגלולה בתגובה לניסיונות לאחזר את הגלולה עם הפה והלשון. עכברים יתחילו לציית להסדר זה במשך 2-3 ימים.
- להשלים את המבוא של התנהגות הרצוי כפה להגיע על ידי הצבת הגלולה 45 mg רק מתחת 1 ס מ מהקצה החיצוני של שער הכלוב, כגון הקצה השמאלי או הימני ביותר של הגלולה (אם זה מימין או משמאל לחריץ כלוב מהחוקר פרספקטיבה של, בהתאמה) משיק לקו הנמתח ישר החוצה מקצה החריץ של שער הכלוב. לאפשר לעכבר כדי לנסות לאחזר את הגלולה, להיות המשמר כדי להסיר את הגלולה ולמנוע את הצריכה שלה אם העכבר צריך לנסות על ידי שיטה אחרת מאשר הארכה כפה.
הערה: כאשר העכבר מרחיב בעקביות כף לתפוס והוא מסוגל לגעת הגלולה המסופקים, הוא מוכן לבדיקה באמצעות מאמן אוטומטי המתואר להלן והקשורים ההתנהגות הקשורה. הזמן מהיכרות נאיבית להיות מוכן ישתנה בין עכברים; אם ישנם מפגרים שצריכים להבין יותר משבועיים, יש להוציא אותם מערכת הנתונים.
- באמצעות זוג מלקחיים, להחזיק גלולה באותו מיקום העכבר יש לאחזר כדורי בעבר. כאשר העכבר מתחיל לנשוך את הגלולה, למשוך אותו משם בערך חצי סנטימטר כזה את הגלולה היא מחוץ להישג פיו.
3. באמצעות מאמן אוטומטי
הערה: עיין באיור 1-3 ובמקטע הדיון לקבלת תיאור מלא של החומרה, התוכנה והפעולות הפיזיות של מאמן האוטומטי.
- . תתכונן לפגישת ההדרכה
- . כיול את חיישן הפתיון לחץ על החץ לרוץ בממשק labview ולשים לב את החיישן הפתיון הפיתיון לקריאה הן עם או בלי גלולה במקום. לחץ על לחצן עצור כדי להפסיק את הבדיקה לרוץ ולשנות את החיישן פיתיון גלולה היעד לערך בין שתי קריאות אלה (איור 3 ושולחן 2). מרבית תנאי התאורה מספקים קריאה בין 1 ל-4.
- מניחים את כלוב העכבר המתוקן על מאמן אוטומטי (איור 2). לצרף את שער הכלוב ( איור 1) וליישר את הגלולה לקצה החריץ כמו בהליך הידני.
- הפעל את הפעלת ההדרכה של העכבר באמצעות ממשק LabVIEW.
- קלט מידע כנדרש כדי לתעד נתונים אודות הפעלת ההדרכה (איור 3 וטבלה 2).
- לחץ על שדה מזהה העכבר והקלד את שם הקובץ של כל הפעלת הדרכה באמצעות לוח המקשים של המחשב.
- לחץ על כדורי סה כ כדי לוותר במהלך השדה השגרתי כדי לשלוט על כמה כדורי הם ויתרו על ניסוי אחד (בדרך כלל 20-30). לשם כך, לחץ על החצים למעלה ולמטה או הקלט את המספר באמצעות לוח המקשים של המחשב.
- לחץ על הפסקה לאחר גלולה מספר השדה כדי לקבוע 5 s הפסקה לאחר הגלולה המצוין מוסר מלוח הצלילה. לשם כך, לחץ על החצים למעלה ולמטה או הקלט את המספר באמצעות לוח המקשים של המחשב.
- לחץ על השדה אורך הפסקה כדי לקבוע הפסקה בין הזמן הסרת גלולה מלוח הצלילה ואת הזמן להסיר גלולה חדשה. לשם כך, לחץ על החצים למעלה ולמטה או הקלט את המספר באמצעות לוח המקשים של המחשב
הערה: בדרך כלל 1 s הוא זמן הפסקה מתאים. אם העכברים הם להוטים לאחר כל הגלולה היא ויתרו, מומלץ להגדיל את אורך ההשהיה באמצעות שדה הפסקה אורך כדי 5 s. - רשום באופן ידני את המרחק שבו הגלולה ממוקמת בשדה ' מרחק לטווח '. לשם כך, לחץ על החצים למעלה ולמטה או הקלט את המספר באמצעות לוח המקשים של המחשב
הערה: גודל ההאצה ומערכי הזמן נחשף למטרות איתור באגים וייתכן שהמערכת תתעלם ממנה. - לחץ על התיקיה כדי לכלול את השדה יומנים כדי לבחור את מיקום הקובץ כדי לשמור את הנתונים שנאספו.
- לאחר ששדות המידע מולאו, לחץ על לחצן הפעלה כדי להתחיל בהפעלת ההדרכה. מאמן אוטומטי יהיה לוותר כדורי בודדים ולעקוב אם הם נופלים דרך המשפך עד המספר הכולל של כדורי כבר ויתרו, ואת הגלולה האחרונה יש או אוחזרו או ירד על ידי העכבר. התוכנית תפסיק באופן אוטומטי בשלב זה. במקרה הצורך, ניתן גם לעצור בטרם עת על ידי לחיצה על לחצן עצור .
- לאחר הגדרת התוכנה, למקם את כלוב הבית של העכבר כדי להיבדק על המעמד ולשמור על העכבר כך שאתה יכול לאמוד אם העכבר אכן למד לנסות את הרומן הנדרש להגיע להתנהגות. לאחר לחיצה על לחצן הפעלה , לאפשר לעכבר לחקור את החריץ ואת סביבתו החדשה, לא מוכר.
הערה: בדומה להצגת עכברים למושג הגעה, צפה שעכברים מסוימים יהיו יותר תואמים מאחרים. עכברים כי תפס את הרעיון צריך לנסות להגיע בתוך 5-10 דקות ויהיה לשייך את התנועה של מאמן אוטומטי עם הגלולה המוצגת, כמו כאשר הם לשייך חריץ נחשף עם מזון בשלבים הראשוניים של פרוטוקול זה.
- קלט מידע כנדרש כדי לתעד נתונים אודות הפעלת ההדרכה (איור 3 וטבלה 2).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
באופן כללי, מומלץ שכל מפגש אימון יכלול כ-20-30 מבחנים, שעשויים להיות מוגדרים על ידי המשתמש, לפעול באופן אוטומטי על-ידי מאמן אוטומטי ולשמור לתוך קובץ יומן יחיד לכל הפעלה ועכבר. כל ניסוי יכול להיות מופעל ברציפות, מיד אחרי השני, עם 2-5 s של הפסקה. עכברים התאמן על מאמן אוטומטי התערוכה גידול במיומנות מעל 10 הפעלות הכשרה.
כדי להשוות את השירות של מאמן אוטומטי להדרכה ידנית (נחשב בתקן זהב), התאמנו זכר מבוגר C57bl/6 עכברים בגילאי 100 עד 140 ימים באופן ידני ובאמצעות מאמן אוטומטי. כל הטיפול בבעלי חיים והשימוש בוצעו בהתאם ובאישור של הוועדה לטיפול בבעלי חיים של אוניברסיטת ג'ונס הופקינס. עכברים שהוכשרו עם מאמן אוטומטי למדו את המשימה לבירור והתערוכה עלייה ברורה מיומנות המנוע (איור 4). עלייה זו במיומנות דומה לזה שנראה כאשר החיה מאומן באופן ידני ללא שימוש של מאמן אוטומטי (איור 4). עבור נתונים אלה, שליטה ידנית הבקיע כמו מוצלחת כאשר העכבר הגיע forelimb שלו דרך הסדק, תפס את הגלולה, ואכל אותו בלי להפיל אותו ממקום מנוחתו, שחרור אותו, או בכל דרך אחרת לאבד שליטה. אחוז הנסיונות המצליחים לסדר הסדר נקבע לכל גלולה. בלוק אימונים הורכב 30 כדורי במרחק של 1 ס מ עם כל גלולה הציג אחד בכל פעם. עכברים שהוכשרו על מאמן אוטומטי אומנו על פי הפרוטוקול המתואר לעיל. כל נקודה באיור 4 מייצגת יום אימונים שבמהלכו הגיעו בעלי החיים ל -30 כדורי וגרף כאחוזים נכונים. לא היה הבדל סטטיסטי בין שתי השורות באמצעות מבחן t פרמטרית עם תיקון עבור השוואות מרובות.
איור 1: תמונות של כלוב הבית. (א) השקפה של ציפור העין של כלוב הבית רגיל שונה עם הפלטפורמה (כתום) וחריץ על החלק הקדמי של הכלוב. (ב) מבט חזיתי של כלוב בית שהשתנה עם פתח משופע עם כ-0.8 ס"מ x 7 ס"מ. (ג) שער כלוב לחתוך מתוך סדין דק של מתכת עטוף בקלטת כדי להגן על הקצוות. (D, E) שער בכלוב ממוקם מול החריץ כדי לשמש פתח אחיד שדרכו העכבר הוא להגיע; תצוגות קדמיות (D) ואלכסוני (E) המסופקות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2 : תמונות של מאמן אוטומטי. (א, ב) בתמונה הם מאמן אוטומטי ללא (א) או עם (ב) כלוב עכבר שונה במקום. (C-J) תצוגות מפורטות של מחזיק המזון קרש מזון ללוח התצוגה הנצפים או מהחזית (C, D, H, אני) או מהצד (e, f, G, J), עם (D, E, f, I) או ללא (ג, G, H, J) מזון גלולה. שימו לב כי ניתן לשנות בקלות את מרחק הגלולה מבעל החיים כמרחק כלוב מלוח הצלילה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3 : צילום מסך של התוכנה. צילום מסך של התוכנית המשמש להפעלת מאמן אוטומטי. התמונה מציגה את שדות הקלט החשובים המתוארים בפרוטוקול. ראה טבלה 2 לקבלת תיאור נוסף. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 4 : נתונים מייצגים. בליטה מיומנים מגדיל את רמת plateaued דומה באמצעות מאמן אוטומטי ותפיסות אימון ידני. העלילה מראה הצלחת להגיע לתפוס הצלחה (משמעות +/-SEM; ידני: אפור, n = 14; מאמן אוטומטי: שחור, n = 15). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
| צעד | משך משוער (בימים) | תגובה |
| 2.1 הרזיה | 3 עד 5 | בהתאם למשקל העודף ולכן, כמה משקל להפסיד עד למטרה |
| 2.2 הדרכה בחריץ | 1 | עכברים לומדים להרגיש confortable מתקרבים לחריץ הפתוח למזון |
| 2.3 | 4 עד 8 | |
| 2.3.1 השתמש כפה | 1 | ההצלחה כאן תלויה במהירות לספק את הגלולה אחרי העכבר, דחה את האוכל שלה, paaws עבור הגלולה. |
| העדפת כפה 2.3.2 | 1 | לוודא אם העכבר מעדיף שמאלה או ימינה. |
| 2.3.3 עוקב אחר כפה שימוש רע | 2 עד 3 | כמו בשלב הקודם, זה קריטי למנוע אחזור עם הפה והלשון. |
| מלקחיים 2.3.4 | 1 | עכברים מסוימים ימעד לקחת את הגלולה בעצמם ולא מהפינצטה, להאכיל אותם קצת פחות |
| 3. הכשרה אוטומטית | 10 עד 15 | . ימים עד היום |
טבלה 1: לוח זמנים של אימון העכבר באמצעות מאמן אוטומטי.
| שדה קלט | השתמש |
| מזהה עכבר | הזן את שם הקובץ שתחתיו יישמרו הנתונים שנאספו. |
| סה כ כדורי לוותר במהלך השגרה | הקלט את המספר הכולל של כדורי שיחודש במהלך האימון. |
| הפסקה אחרי גלולה מספר | פונקציה שאינה מאושר. ניתן להשתמש כדי להשהות את האימון לאחר הגלולה שצוין הוא ויתרו. |
| אורך (י) השהיה | משך הזמן שבו ההשהיה נמשכת. |
| מרחק הגעה (ממ) | הקלט את המרחק מעל המינימום שעליו העכבר חייב להגיע כדי לאחזר את הגלולה. אפס כברירת מחדל. |
| גודל מערכי תאוצה ושעה | פונקציה שנחשפה למטרות איתור באגים. שמור על ערך ברירת המחדל של 500. |
| תיקיה שתכיל יומנים | לחץ על סמל התיקייה כדי לבחור היכן יישמרו הנתונים שנאספו. |
| שם התקן | פונקציית LabVIEW המחברת בין החומרה לתוכנה. ברירות המחדל ל-Dev1. בהתאם לחיבורי USB, ייתכן שהחומרה תופיע בתפריט הנפתח תחת מספר אחר; לבחור התקנים עד שאחד עובד. |
| לחצן החץ, משמאל למעלה | לחץ כדי להפעיל את התוכנית, אם להפעלת הדרכה או לכיול. |
| לחצן ' עצור חתימה ', משמאל למעלה | הפסק את התוכנית בטרם עת. |
טבלה 2: ממשק תוכנה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
מאמן אוטומטי שלנו מעריך forelimb הגעה לתפיסה (הבנת) באופן אוטומטי. כדי להשיג נקודת קצה זו, רבים מהפרמטרים שתוכננו עבור המשימה לקבלת העכבר, כולל מיקום גלולה, גודל גלולה, וקריטריוני הדרכה, כבר איטרלו במשך מספר שנים והותאמה מפרוטוקולים קודמים2,5 ,6. ההתקדמות כאן היא אוטומציה של המשימה באמצעות רובוט המאפשר דיור בית כלוב. בית המגורים כלוב מאפשר לעכברים להישאר רגועים לבצע את המשימה עם פחות חרדה. הכשרה שאינה בית כלוב קשורה למתח מוגבר אשר יכול להוביל את הזמן גדל וירד דיוק7,8,9. אנו מדגימים כאן דיוק דומה לתוצאות שלנו עם הכשרה כלוב ידני5,7,8. למרות הכשרה כלוב הבית קיים עבור חולדה10, לידיעתנו שלנו, זהו מאמן אוטומטי הראשון אשר מנצל את היתרונות של עכברים אימונים בכלוב הבית שלהם.
המאמן האוטומטי שלנו כולל פלטפורמה מתכווננת שעליה מונח כלוב משופע וניתן להורידה או לעלות לגובה המתאים ליישור עם מחזיק מזון (המכונה גם קרש צלילה). מערכת ממקמת את הגלולה. על מחזיק לוח הצלילה המחזיק מזון מחזיק הרכבה החיישן כולל מכלול חיישן האובייקט המשקף כדי לזהות אם גלולה מזון קיים או לא על מחזיק הלוח צולל. בשל בעיות רגישות האור, חיישן האובייקט רפלקטיבי עשוי להיות מכויל בהתקנה כדי להתאים את סביבת התאורה של המעבדה. הכלוב של כל עכבר ממוקם על מאמן אוטומטי כגון הקצה הפנימי של הגלולה הוא בקו עם הקצה החיצוני של חריץ השער של הכלוב, המתאים לשלב 2.3.4 של ההליך הידני מפורט לעיל. שני חיישני כדורי איבד כיוון בכיוונים מנוגדים בתוך משפך מתחת ללוח הצלילה מחזיק הגלולה לזהות כדוריות נפילה. אחד היתרונות של העסקת שני חיישנים לאיבוד גלולה היא שזה מבטיח דיוק זיהוי גבוה עבור כדורי מזון שונים של גדלים וצורות שונות. שניהם חיישני גלולה איבד מורכב transmissive מפריע תקן תמונה עם עיצוב דרך חור, כדי לחוש את התנועה של גלולה נפילה ללא צורך במגע.
התוכנה מורכבת מתוכנית המפעילה את מאמן אוטומטי ואוספת נתונים על הצלחות וכשלים. קלט משתמש מורכב ממיקום הקובץ שבו הנתונים נרשמים, כמה כדורי הם ויתרו במהלך אימון אחד, אפשרות להשהות את הפעלת האימון לאחר לחלק גלולה מסוימת, שדה כדי להקליט את המרחק מוגבר (אם בכלל) לאורך אשר על העכבר להגיע, ולשדה כדי לשלוט בגודל המערך המשמש בחישובי התוכנית (שייתכן שהמערכת תתעלם ממנה במהלך שימוש רגיל). יתרה מזאת, התוכנה מאפשרת למשתמש לכוונן את חיישן האובייקט הרפלקטיבי של לוח הצלילה כדי לכייל מעליו את רגישות האור לפי הצורך. פלט של כל ניסוי מוצג למשתמש וכן מוקלט ונשמר בקובץ יומן רישום לאחזור מאוחר יותר.
ניסוי אחד מורכב הזמן אחד של גלולה מזון בילה על לוח הצלילה עד שהוא מוסר על ידי פעולה מהעכבר. אם גלולה עוזב את לוח הצלילה כפי שנקבע על ידי חיישן הפיתיון גלולה ואת הגלולה מזוהה נופל דרך המשפך זמן קצר לאחר מכן על ידי אחד מחיישני הגלולה איבד, הוא נרשם כמשפט כישלון על ידי התוכנה. אם חיישן הפיתיון הפתיון קובע כי הגלולה עוזבת את לוח הצלילה, אך אובייקט נופל אינו מזוהה על-ידי אחד מחיישני הגלולה האבודים, ההנחה היא שהוא נמשך לכלוב על ידי העכבר ונספר כמשפט מוצלח.
ניסוח זה משמש מכיוון שהוא שימושי לעצב שיטת התנהגות שבה המשימה לבצע ישירות, ולא בעקיפין, מספקת את הפרס. בדרך זו, אין בהירות על החלק של בעל החיים על מה המשימה היא (למשל, להיות רעב, לאתר מזון, לקבל מזון, לאכול מזון). בין המשימות הרבות העושות שימוש בפרדיגמה כזאת, הפעילות התפיסה הפכה לפופולרית מאוד עבור הערכות כאלה. המשימה דורשת רק שחיה תשתמש באיבר אחד כדי להגיע ולתפוס פריט מזון יחיד, שהחיה מביאה בהמשך לפיו לצריכה. משימת החסימה מעריך התנהגות דומה מאוד להתנהגות יומיומית בשימוש של יונקים רבים. והכי חשוב, משימת החסימה דומה להתנהגות המוטורית האנושית4. היכולת העקרונית הזו מגבירה את הציפייה שעקרונות הנובעים מהערכה הפרה-קלינית של ההתנהגות הם ישימים קלינית במצבי מחלה. לדוגמה, ליקויים בforelimb מיומנים ושימוש ביד נראים שבץ, מחלת הנטינגטון, מחלת פרקינסון, טרשת נפוצה. לכן, מידול התנהגותי והתאוששות הבאים עכברים הוא רב ערך להבנת ההתאוששות האנושית ואיך זה יכול להיות מומלץ2,11,12,13.
היבטים רבים של מאמן אוטומטי הציע בזאת מאוד לטובת תהליך המחקר. ראשית, ההתנהגות ההתנהגותית ביותר דורשת ניסויים ברכבת וניטור הפעלות יומיות, שיכולות להיות יקרות, עבודה אינטנסיבית וצורכת זמן רב. מאמן אוטומטי שלנו מאפשר לקבל נתונים התנהגותיים לאסוף באופן עצמאי של ניסויים. שנית, מאמן אוטומטי שלנו ניתן לשכפל כדי לאפשר לעכברים מרובים להיות מאומנים והוערך באופן אובייקטיבי, ביעילות ובמקביל, ובכך מזעור זמן ומאמץ. שלישית, העלות הנמוכה של מאמן אוטומטי מאפשרת שכפול ושימוש של מדריכים אוטומטית מרובים במקביל בקנה מידה גדול ויעיל בדיקות.
יצוין כי הנקודה הקריטית הדורשת פיקוח קפדני היא בשלב העיצוב של ההכשרה. בעיקר, חולשה ראשית של הפרוטוקול הזה הוא הסיכון לשימוש רע להיות קבוע בכמה עכברים11. הפרוטוקול מנסה לחקות בדיקות כגון מבחן הסולם במהלך ההצלחה במשימה מספק את הגמול. עם זאת, את המשימה עצמה יש ללמד את העכברים בשלב 2.3 של הפרוטוקול, בניגוד למבחן הסולם. המושג סביר ביותר לגרום לעכבר למעוד ללמוד משימה זו היא הארכת כפה מתוך הכלוב כדי להשתמש בכף למעשה לתפוס את הגלולה. במושב הראשון של שלב 2.3.1, העכברים צריכים להיות מתוגמלים פשוט עבור הארכת כפה מתוך הכלוב שלהם. עם זאת, במהלך הימים הבאים, החוקרים צריכים להיות מוכן לטפל בעכברים לגמול פחות רק הארכת כף היד, ועוד עבור הארכת כפה ונגיעה הגלולה, כפי שאנו מתארים בשלב 2.3.3.
אנא שימו לב כי כ -5% מהעכברים לא יצליחו להתקדם מעבר לשלב זה, בדרך כלל בגלל הארכה מוגבלת של הספרות שלהם כדי למשוך את מזון הגלולה. עכברים כאלה ייכשלו עם אחד או שניהם כפות עם שיקול קטן של המיקום בפועל של הגלולה, מתן נתונים קטנים או לא שימושיים. כדי למזער את הפוטנציאל של העכבר לכישלון בשלב זה, הזהירות מומלצת מאוד כאשר מושכים את הגלולה עם הפינצטה במהלך תהליך הלמידה. בפרט, העכבר צריך להיות מתוגמל עם מזון לא רק כאשר הוא מרחיב כפה, אבל גם כאשר כף זה תופס את הגלולה ומחיל מספיק כוח מספיקה לשביעות רצונו של החוקר. סיכון דומה לכישלון פוטנציאלי בשלב זה הוא הציג עכברים באמצעות לשונו כדי ללקק כדורי לעברם. כאשר האימונים עכברים נוטים ללקק, להניח את הגלולה רחוק יותר למטה מן החריץ. עכברים מתקשים להגיע עם הלשון על פני מרחק לצדדים גדול יותר, אבל את טווח התנועה של הזרוע ואת הכפה הם מסוגלים יותר לסגור את המרחק.
הפרוטוקול המתואר שלנו מורחב בקלות לסביבות מעבדה שונות או לשיטות שונות של איסוף נתונים. מאמן אוטומטי, למשל, הוא מאוד שימושי כמכשיר לחסכון בעבודה, אך אינו נדרש באופן מדויק עבור איסוף נתונים, כמו כדורי ניתן לספק והצלחות/כשלים ניתן להקליט ביד. מגיע האדם ניתן גם לסווג בהתבסס על מידע מפורט יותר מאשר פשוט הצלחה/כישלון, למשל על ידי בהתחשב זווית הגישה של כל עכבר, מספר ניסיונות להגיע כי לא לגעת הגלולה, או מכניקה של אחזור תנועה, שקיבלה יותר תשומת לב בשנים האחרונות14. היכולת של בעל החיים להחזיר. גלולה היא רק צעד אחד בעזרת חומרה נוספת, נוכל גם למדוד את המהירות, הזווית והמסלול של תנועות הגפיים של בעל החיים. הקינמטיקה הזאת היא היבט חשוב של למידה מוטורית לפני ואחרי פציעה נוירולוגית. לשם כך, אנו משלבים בשלב זה את האמצעים החדשניים השונים של ניתוח התנועה והקינמטיקה של הפעולה האוחז בעכבר. אנחנו בוחנים באמצעות מצלמות במהירות גבוהה כדי להשיג מדידות קימטיות של האחיזה והצמדת מכשירי לחץ ומכשירי האצות למחזיק מזון כדוריות למדוד כוח המסה נתונים הקשורים באחיזה. תכונות חדשות אלה ישפרו את הפונקציונליות של מאמן אוטומטי כדי לאסוף נתונים משמעותיים עבר פשוט לעבור או להיכשל משפט ולעזור להמחיש את ההליכה של העכבר לתפוס דרך התקדמות המחלה. בעתיד, אנו נשתמש ברובוט לסייע למשימה לשאת את הדרך כפלטפורמה להעריך סוג, מנה, ותזמון של שיקום לאחר פציעה נוירולוגית. מעבר קדימה, נמשיך לשפר את המשימה, עם ליטושים כדי לסייע בהפחתת התנהגויות שגויות ולשפר את קצב רכישת המשימות ואת זמן ההכשרה.
לסיכום, פיתחנו מאמן אוטומטי חדש עבור הערכת המיומנות העליונה forelimb מיומנות הסדר בעכברים. המשימה דורשת עכברים להגיע כפה שלהם דרך סדק, לתפוס את הגלולה מזון קטן, ולמשוך את הגלולה לכיוון הגוף שלהם, כך שהם עלולים לאכול את הגלולה. הגדרת המשימה היא מוגבלת מכנית כדי להבטיח השימוש כפה דומיננטי. עכברים יכולים להיות מאומנים במהירות ובמקביל, עם רק תהליך העיצוב המחייב קלט ידני. הבדיקה יכולה להינתן ביעילות ובניתוח אוטומטי. זו שיטת התנהגות התפוקה גבוהה לכמת את שיעור ההצלחה והוא שונה בקלות לניתוח עתידי של הקינמטיקה ודינמיקה כוח.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
דן Tasch ו אורי Tasch של ניתוח שלב, LLC יש מיוצרים מכשיר אוטומטי מאמן עם תשלום מריצ ' י. אובריין וסטיבן R...
Acknowledgments
מכשיר ההדרכה האוטומטית נבנה על ידי ג'ייסון דונת'ורן, אורי טסה ו דן טסה בניתוח שלב, LLC, עם תמיכה בקלט והוראות שסופקו על ידי רוברט האברד, ריצ'רד או'בריאן וסטיבן זלר.
תרזה דוארטה של מרכז צ'מפלימוד עבור הלא ידוע סיפקה תובנה ורעיונות חשובים אודות תיאור וסיווג העכבר להגיע פעולות.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| ABS Filament | Custom 3D Printed | N/A | utilized for pellet holder, frame, arm and funnel |
| ABS Sheet | McMaster-Carr | 8586K581 | 3/8" thickness; used for platform compononents, positioning stand guides and base |
| Adruino Mini | Adruino | A000087 | nano version also compatiable as well as other similar microcontrollers |
| Bench-Top Adjustable-Height Positioning Stand | McMaster-Carr | 9967T43 | 35 lbs. load capacity |
| Clear Acrylic Round Tube | McMaster-Carr | 8532K14 | ID 3/8" |
| Low-Carbon Steel Wire | McMaster-Carr | 8855K14 | 0.148" diameter |
| Pellet Dispenser | Lafayette Instrument: Neuroscience | 80209-45 | with 45 mg interchangeable pellet size wheel and optional stand |
| Photointerrupter Breakout Board | SparkFun | BOB-09322 ROHS | designed for Sharp GP1A57HRJ00F |
| Reflective Object Sensor | Fairchild Semiconductor | QRD1113 | phototransistor output |
| Servo Motor | SparkFun | S8213 | generic metal gear (micro size) |
| Transmissive Photointerrupter | Sharp | GP1A57HRJ00F | gap: 10 mm, slit: 1.8 mm |
References
- Whishaw, I. Q. An endpoint, descriptive, and kinematic comparison of skilled reaching in mice (mus musculus) with rats (rattus norvegicus). Behavior Brain Research. 78, 101-111 (1996).
- Farr, T. D., Whishaw, I. Q. Quantitative and qualitative impairments in skilled reaching in the mouse (mus musculus) after a focal motor cortex stroke. Stroke. 33, 1869-1875 (2002).
- Zeiler, S. R., Krakauer, J. W. The interaction between training and plasticity in the poststroke brain. Current Opinion in Neurology. 26, 609-616 (2013).
- Klein, A., Sacrey, L. A., Whishaw, I. Q., Dunnett, S. B. The use of rodent skilled reaching as a translational model for investigating brain damage and disease. Neuroscience and Biobehavioral Reviews. 36, 1030-1042 (2012).
- Zeiler, S. R., et al. Medial premotor cortex shows a reduction in inhibitory markers and mediates recovery in a mouse model of focal stroke. Stroke. 44, 483-489 (2013).
- Becker, A. M., Meyers, E., Sloan, A., Rennaker, R., Kilgard, M., Goldberg, M. P. An automated task for the training and assessment of distal forelimb function in a mouse model of ischemic stroke. Journal of Neuroscience Methods. 258, 16-23 (2016).
- Bruinsma, B., et al. An automated home-cage-based 5-choice serial reaction time task for rapid assessment of attention and impulsivity in rats. Psychopharmacology. , 1-12 (2019).
- Francis, N. A., Kanold, P. O. Automated operant conditioning in the mouse home cage. Frontiers in Neural Circuits. 11 (10), (2017).
- Balcombe, J. P., Barnard, N. D., Sandusky, C. Laboratory routines cause animal stress. Contemporary Topics in Laboratory Animal Science. 43, 42-51 (2004).
- Fenrich, K. K., et al. Improved single pellet grasping using automated ad libitum full-time training robot. Behavior Brain Research. 281, 137-148 (2015).
- Ng, K. L., et al. Fluoxetine maintains a state of heightened responsiveness to motor training early after stroke in a mouse model. Stroke. 46 (10), 2951-2960 (2015).
- Whishaw, I. Q., Suchowersky, O., Davis, L., Sarna, J., Metz, G. A., Pellis, S. M. Impairment of pronation, supination, and body co-ordination in reach-to-grasp tasks in human parkinson's disease (pd) reveals homology to deficits in animal models. Behavior Brain Research. 133, 165-176 (2002).
- Dobrossy, M. D., Dunnett, S. B. The influence of environment and experience on neural grafts. Nature Review Neuroscience. 2, 871-879 (2001).
- Alaverdashvili, M., Foroud, A., Lim, D. H., Whishaw, I. Q. "Learned baduse" limits recovery of skilled reaching for food after forelimb motor cortex stroke in rats: A new analysis of the effect of gestures on success. Behavior Brain Research. 188, 281-290 (2008).
