Summary
Полезный инструмент является методом оценки влияния обучения на моторику. К сожалению, большинство поведенческих оценок может быть трудоемким и / или дорогим. Мы описываем здесь роботизированный метод оценки мастерства предубежденности (досягаемости к захвату) у мышей.
Abstract
Мы описываем метод введения наивных мышей в новую задачу пределения (досягаемости к захвату). Мыши размещаются по-познавательно в клетках с лобным слотом, что позволяет мыши, чтобы достичь из своей клетки и получить пищевые гранулы. Минимальное ограничение пищи используется для поощрения мышей для выполнения поиска пищи из слота. Как мыши начинают ассоциировать ближайшие к слот для пищи, гранулы вручную вытащил, чтобы стимулировать расширение и пронацион лапы, чтобы захватить и получить гранулы через лобной слот. Когда мыши начинают достигать для гранул, как они приходят в слот, поведенческие анализа могут быть выполнены путем измерения скорости, с которой они успешно понять и получить желаемые гранулы. Затем они знакомятся с авто-тренером, который автоматизирует как процесс предоставления пищевых гранул для мыши, чтобы понять, так и запись успешного и неудачного достижения и захвата попыток. Это позволяет осуществлять сбор данных для нескольких мышей с минимальными усилиями, которые по мере необходимости используются в экспериментальном анализе.
Introduction
Методы экспериментального тестирования моторного мастерства до и после неврологических травм, а также модулировать сроки, количество и тип двигательной подготовки имеют важное значение для трансляционных исследований. За последнее десятилетие мыши, из-за сопутствующих легкость генетических манипуляций, стали популярной модельной системой, в которой для выяснения механизмов моторного обучения до и после травмы. Тем не менее, поведенческие анализы у мышей не были оптимизированы таким же образом, что такие assays были для других млекопитающих (особенно крыс). Кроме того, существуют важные различия между поведением мыши и крысы, которые настоятельно рекомендуют обучение двух видов в разных манерах1,2.
Квалифицированные prehensile движения используют руку/лапу для того чтобы укладывать еду в рот, манипулировать предметом, или использовать инструмент. Действительно, достижение понять различные объекты в повседневной жизни является основной функцией верхних конечностей и достичь съесть акт является одной из форм предени, что многие млекопитающие используют. Многие из генетических, физиологических и анатомических изменений, лежащих в основе приобретения мастерства были четко определены в области3. При переводе доклинических результатов на клинические исходы необходим соответствующий тест, который является эффективным и воспроизводимым. Исследования грызунов и достижения человека показывают, что поведение предехождения аналогично у людей и у животных4. Соответственно, эти сходства позволяют предположить, что тестирование на предшение может служить в качестве трансляционной модели для исследования моторного обучения, а также нарушений и лечения заболеваний человека. Таким образом, оценка беременности у мышей может предложить мощный инструмент в трансляционных исследований, изучающих здоровье и болезни государств4.
К сожалению, задача по предубеждению у мышей, даже для небольших лабораторных условиях, может быть трудоемким и трудоемким. Чтобы облегчить эту проблему, мы описываем здесь автоматизированную версию задачи предения. Описанная задача требует мышей, чтобы продлить одну лапу через домашнюю клетку мыши лобной слот, процмездие расширенной лапы, захватить пищу гранулы вознаграждение, и тянуть гранулы обратно в клетку интерьердля для потребления. Полученные данные представляются либо как успех предусения, либо как неудача. Эта автоматизация успешно записывает данные и уменьшает бремя и время, с которымисследователи должны заниматься этой задачей.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Все методы, описанные здесь, были одобрены ACUC (Комитет по уходу за животными и использованию) Университета Джонса Хопкинса.
1. Подготовка клеток мыши для использования
- Создайте прорези отверстия с размерами 0,8 см в ширину и 7 см высотой от основания в передней части каждой клетки, как показано на рисунке 1. Этот слот служит отверстием, через которое животное достигнет.
ПРИМЕЧАНИЕ: Авто-тренер был разработан для использования со стандартными размерами клетки мыши (как показано на рисунке 1) поставляется большинством поставщиков животных исследований. Кроме того, авто-тренер будет легко поддерживать другие клетки типов. - Внутри каждой отдельной клетки, добавить платформу, прилегающую к слоту, чтобы мышей стоять и достичь представленных гранул. Убедитесь, что платформа расположена над полом помета клетки, приблизительно 3 см в высоту. Используйте блюда Петри, прикрепленные с суперклеем и увенчанные металлическим листом примерно 10 см х 15 см, однако, любой плоской поверхности достаточно большой для мыши, чтобы стоять на руку, чтобы достичь от воли достаточно.
- Создайте вертикальную выемку через середину передней части клетки размером 0,8 см в поперечнике и 7 см в высоту, что позволит мыши достичь лапы из клетки.
- Из тонкого листа металла (толщиной около 2 мм) вырезать ворота клетки в прямоугольники размером 5 см х 10 см, чтобы служить в качестве равномерного отверстия, через который животное должен достичь.
ПРИМЕЧАНИЕ: Мыши могут жевать пластиковые клетки, которые изменят размер отверстия. Мышь будет достигать через этот 0,8 см слот, когда металлические ворота клетки помещается над прорези открытия клетки во время тестирования с помощью ленты, сохраняя эффективную ширину слота между клетками. - Обложка каждого слота клетки с лентой, когда его мышь не тестируется, чтобы предотвратить мусор от изгнаны из клетки.
2. Введение мышей к достигаемому движению
- Запишите стартовый вес каждой мыши и вычислите 85% от этого значения, чтобы найти свой вес цели, округляя до 20 г, если результат меньше. Дайте им режим кормления, чтобы привести их, а затем сохранить эту цель веса.
- Дайте каждой мыши 2,5 г гранул в первый день и обратите внимание на любые изменения в их весе 24 ч позже.
ПРИМЕЧАНИЕ: Взвешивание мышей один раз в день и ожидать падения веса 0,25-1 г в день. - Изменение ежедневного корма каждой мыши по мере необходимости, на основе этого первоначального изменения и текущих изменений в весе каждой мыши, с тем чтобы вызвать постепенную потерю веса (менее 0,8 г потерял в день), а затем сохранить в результате цель веса. Варится от трех до шести 500 мг гранул (1,5 до 3,0 г) в день, чтобы быть эффективным.
ПРИМЕЧАНИЕ: Мыши остаются на этой диете, чтобы сохранить свой вес цели на протяжении всего протокола.
- Дайте каждой мыши 2,5 г гранул в первый день и обратите внимание на любые изменения в их весе 24 ч позже.
- Когда мышь достигла своей цели вес, ввести каждую мышь к концепции подходит к закрытой слот для дополнительных пищевых гранул. Начните тренировку, разместив 45 мг гранул на поверхности гранул, непосредственно перед слотом, и позвольте каждой мыши получить его. Большинство мышей будет принимать к этому механизму кормления в течение 1-2 дней.
- После того, как мышь связывает открытый слот с кормлением, поощрять их к достижению с лапой, а не рот.
ПРИМЕЧАНИЕ: Это самый сложный шаг, принимая 1-2 дней, и прививать контрпродуктивное поведение у мышей по ошибке очень легко; пожалуйста, обратитесь к разделу обсуждения для получения дополнительной информации и консультаций.- Используя пару пинцета, удерживайте гранулы в том же положении, что мышь извлекла гранулы ранее. Как мышь начинает кусаться за гранулы, вытащить его примерно на полсантиметра, так что гранулы находится вне досягаемости его рта.
ПРИМЕЧАНИЕ: Мышь на своей цели вес будет пытаться получить вне досягаемости гранулы. Всякий раз, когда мышь протягивает лапу через слот, укрепить это поведение, позволяя ему съесть гранулы. Некоторые мыши могут проявлять предпочтение одной лапы над другой, когда расширение для производства продуктов питания. - Хотя это и не имеет значения для экспериментов, запись ли левая или правая лапа является предпочтительным. Это потенциально может позволить более высокие общие показатели успеха в поведенческом анализе; в качестве альтернативы, устранить переменную, заставляя каждую мышь достичь с той же лапой.
ПРИМЕЧАНИЕ: Лучшие результаты получены, если мыши используют свои предпочтительные лапы. - Как каждая мышь ассоциируется расширение лапу с едой гранулы, дальнейшее укрепление этого поведения, удерживая гранулы в ответ на попытки получить гранулы с ртом и языком. Мыши начнут соблюдать эту договоренность в течение 2-3 дней.
- Завершить введение желаемой лапы достижения поведения, поместив 45 мг гранулы чуть менее 1 см от внешнего края ворот клетки, таким образом, что левая или правая точка гранулы (будь то вправо или влево от клетки слот от следователя 'С точки зрения, соответственно) является касательной к линии, простирающейся прямо из края слота ворот клетки. Разрешить мыши, чтобы попытаться получить гранулы, будучи бдительными, чтобы удалить гранулы и предотвратить его потребление, если мышь должна попытаться каким-то другим методом, чем расширение лапы.
ПРИМЕЧАНИЕ: Когда мышь последовательно расширяет лапу, чтобы захватить на и может коснуться предусмотренных гранул, он готов к тестированию с помощью авто-тренер описано ниже и связанных поведенческих анализов. Время от наивных интродукций до подготовки будет варьироваться между мышами; если есть отстающие, для понимания которого уходят более двух недель, они должны быть исключены из набора данных.
- Используя пару пинцета, удерживайте гранулы в том же положении, что мышь извлекла гранулы ранее. Как мышь начинает кусаться за гранулы, вытащить его примерно на полсантиметра, так что гранулы находится вне досягаемости его рта.
3. Использование авто-тренера
ПРИМЕЧАНИЕ: Пожалуйста, смотрите рисунок 1-3 и раздел обсуждения для полного описания оборудования, программного обеспечения и физических действий авто-тренера.
- Подготовка к тренировке.
- Калибровать датчик гранул приманки. Нажмите на стрелку Run в интерфейсе LabVIEW и обратите внимание на датчик гранул приманки, считывающий как с гранулами, так и без него. Нажмите кнопку "Стоп", чтобы остановить этот тестовый запуск и изменить цель датчика гранул приманки на значение между этими двумя показаниями(рисунок 3 и таблица 2). Большинство условий освещения обеспечивают чтение между 1 и 4.
- Поместите модифицированную клетку мыши на авто-тренер(рисунок 2). Прикрепите ворота клетки (рисунок 1) и выровняйте гранулы к краю слота, как в ручной процедуре.
- Запустите тренировку мыши с помощью интерфейса LabVIEW.
- Входная информация, необходимая для записи данных о учебной сессии(рисунок 3 и таблица 2).
- Нажмите поле мыши ID и введите имя файла каждой тренировки с помощью клавиатуры компьютера.
- Нажмите на Total Pellets, чтобы распределить во время регулярного поля, чтобы контролировать, сколько гранул распределяется для одного эксперимента (обычно 20 - 30). Чтобы сделать это, нажмите вверх и вниз стрелки или введомили номер с помощью клавиатуры компьютера.
- Нажмите на поле Пауза после пеллетного номера, чтобы установить 5-ю паузу после того, как указанный гранулы будут удалены с доски для дайвинга. Чтобы сделать это, нажмите вверх и вниз стрелки или введомили номер с помощью клавиатуры компьютера.
- Нажмите поле Длина паузы, чтобы установить паузу между временем, когда гранулы удаляются с доски для дайвинга, и временем, когда новый гранулы отпускаются. Чтобы сделать это, нажмите вверх и вниз стрелки или введать номер с помощью клавиатуры компьютера
ПРИМЕЧАНИЕ: Обычно 1 с является подходящим временем паузы. Если мыши беспокоятся после того, как каждый гранулы распределяются, желательно увеличить длину паузы с помощью поля Длина паузы до 5 с. - Вручную запишите расстояние, на котором гранулы помещаются в поле расстояния досягаемости. Чтобы сделать это, нажмите вверх и вниз стрелки или введать номер с помощью клавиатуры компьютера
ПРИМЕЧАНИЕ: Размер разгонных и временных массивов подвергается отладке и может быть проигнорирован. - Нажмите поле Folder to Contain Logs, чтобы выбрать местоположение файла для сохранения собранных данных.
- После заполнения информационных полей нажмите кнопку Run, чтобы начать тренировку. Авто-тренер будет распределять отдельные гранулы и отслеживать ли они попадают через воронку, пока общее количество гранул было обойтись, и последние гранулы либо были извлечены или упали на мышь. Программа автоматически останавливается в этой точке. При необходимости его также можно остановить преждевременно, нажав на кнопку «Стоп».
- После того, как программное обеспечение настроено, место домашней клетке мыши для тестирования на пьедестале и наблюдать за мышью, так что вы могли бы оценить ли мышь действительно научились пытаться требуемого романа достижения поведения. Нажав кнопку Run, позвольте мыши исследовать слот и его новое, незнакомое окружение.
ПРИМЕЧАНИЕ: Подобно когда знакомя мышей к схеме достижения, ожидать, что некоторые мыши, чтобы быть более совместимыми, чем другие. Мыши, которые поняли концепцию должны попытаться достичь в течение 5-10 минут и будет ассоциировать движение авто-тренер с представленными гранулы, как, когда они связывают обнаружили слот с пищей на начальных этапах этого протокола.
- Входная информация, необходимая для записи данных о учебной сессии(рисунок 3 и таблица 2).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
В целом, рекомендуется, чтобы каждая тренировка состояла из около 20-30 испытаний, которые могут быть установлены пользователем, автоматически запускаться авто-тренером и сохранены в одном файле журнала за сеанс и мышь. Каждое испытание может быть запущено последовательно, сразу после другого, с 2-5 с паузы. Мыши, обученные на автотренере, демонстрируют повышение мастерства в течение 10 тренировок.
Чтобы сравнить полезность авто-тренера к ручному обучению (считая золотой стандарт), мы обучили взрослых мужчин C57bl/6 мышей в возрасте от 100 до 140 дней в ручном режиме и с помощью авто-тренера. Все обработки и использования животных были выполнены в соответствии с и с одобрения Университета Джонса Хопкинса по уходу за животными и использования комитета. Мыши, обученные с автотренером, освоили задачу по предубежденности и продемонстрировали явное увеличение моторного мастерства(рисунок 4). Это увеличение мастерства аналогично тому, что видели, когда животное обучается вручную без использования авто-тренера(Рисунок 4). Для этих данных, ручное предение было забито как успешно когда мышь достигла своей передний конечности через щель, схватила гранулы, и съела его без стучать его от своего космоса отдыха, падая его, или в любом другом путе теряя управление. Процент успешных попыток предправления был определен на гранулы. Учебный блок состоял из 30 гранул на расстоянии 1 см, каждая гранулы представлялась по одному. Мыши, обученные на автотренажере, обучались по описанному выше протоколу. Каждая точка на рисунке 4 представляет собой день обучения, в течение которого животные достигли 30 гранул и на графике, как процент правильно. Не было никакой статистической разницы между двумя линиями, использующими непараметрический t-тест с коррекцией для нескольких сравнений.
Рисунок 1: Образцовые фотографии домашней клетки. (A) Вид с видом на птицы стандартной домашней клетки, измененной с платформой (оранжевый) и слотом на передней части клетки. (B) Передний вид домашней клетки изменен с прорези открытия примерно 0,8 см х 7 см. (C) клетки ворота вырезать из тонкого листа металла и завернутые с лентой для защиты краев. (D, E) ворота клетки помещенные перед слотом для того чтобы служить как равномерное отверстие через которое мышь должна достигнуть; фронт (D) и косой (E) виды при условии. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 2 : Пример фотографий Авто-тренер. (A, B) На фото авто-тренер без (A) или с (B) модифицированной клетке мыши на месте. (C-J) Подробные виды дайвинг борту пищевой гранулы держатель дизайн рассматривается либо спереди (C,D,H, I) или со стороны (E,F, G, J), с (D, E,F, I) или без (C,G,H,J) пищевой гранулы. Обратите внимание, что гранулы расстояние от животного можно легко изменить, как клетка расстояние от доски для дайвинга является изменяемым. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 3 : Скриншот программного обеспечения. Скриншот программы, используемой для запуска авто-тренера. На изображении показаны важные поля ввода, описанные в протоколе. Для дальнейшего описания см. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 4 : Репрезентативные данные. Квалифицированные пределенции увеличивается до аналогичного уровня плато с помощью авто-тренер и ручного обучения парадигмы. Сюжет показывает успех досягаемости в хватку (средний й/- SEM; руководство: серый, n no 14; авто-тренер: черный, n-15). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
| Шаг | Ориентировочная продолжительность (в днях) | Комментарий |
| 2.1 Потеря веса | От 3 до 5 | В зависимости от веса и, следовательно, сколько веса потерять до цели |
| 2.2 Обучение слоту | 1 | Мыши учатся чувствовать себя непристойным приближается к открытому слоту для еды |
| 2.3 Формирование | От 4 до 8 | |
| 2.3.1 Использование лапы | 1 | Успех здесь зависит от быстрого обеспечения гранул после мыши, отказано в ее пище, paaws для гранул. |
| 2.3.2 Предпочтение лапы | 1 | Установить, если мышь предпочитает левую или правую лапу. |
| 2.3.3 Ограничение плохого использования лап | от 2 до 3 | Как и в предыдущем шаге, очень важно, чтобы предотвратить поиск с ртом и языком. |
| 2.3.4 Пинцет | 1 | Некоторые мыши будут натыкаться на принятие гранулы сами по себе, а не от пинцета, кормить их немного меньше |
| 3. Автообучение | от 10 до 15 | Дни до asumptote. |
Таблица 1: Расписание обучения мыши с помощью авто-тренера.
| ПОЛЕ ВВОДА | Использовать |
| Идентификатор мыши | Ввейте имя файла, под которым будут сохранены собранные данные. |
| Всего пеллеты для распределения во время рутины | Ввейте общее количество гранул, которые будут распределены во время тренировки. |
| Пауза после номера пеллет | Обезображенные функции. Может использоваться для приостановки тренировки после того, как указанные гранулы будут отменены. |
| Длина паузы (ы) | Продолжительность паузы длится. |
| Расстояние досягаемости (мм) | Запишите расстояние выше минимального, над которым мышь должна достичь, чтобы получить гранулы. Ноль по умолчанию. |
| Размер акселерометра и временных массивов | Функция, выставленная для отладки целей. Храните по умолчанию значение 500. |
| Фолдер для содержания журналов | Нажмите значок папки, чтобы выбрать, где сохраняются собранные данные. |
| Имя устройства | Функция LabVIEW, которая соединяет аппаратное обеспечение к программному обеспечению. По умолчанию для Dev1. В зависимости от USB-соединений, аппаратное обеспечение может отображаться в меню выпадения под другим номером; выбрать устройства до тех пор, пока один работает. |
| Кнопка стрелка, верхний левый | Нажмите, чтобы запустить программу, будь то для тренировки или для калибровки. |
| Кнопка знака «Стоп», левый вверху | Остановите программу преждевременно. |
Таблица 2: Программный интерфейс.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Наш авто-тренер оценивает досягаемость передних конечностей (предубеждение) в автоматическом режиме. Для достижения этой конечной точки, многие параметры, предназначенные для мыши предежья задача, в том числе размещение гранул, размер гранул, и критерии обучения, были итерированы в течение нескольких лет и адаптированы из предыдущих протоколов2,5 ,6. Продвижение здесь автоматизация задачи с помощью робота, который позволяет дома клетки жилья. Главная клетка жилья позволяет мышам оставаться спокойным и выполнять задачу с меньшим беспокойством. Обучение без домашней клетки связано с повышенным стрессом, который может привести к увеличению времени и снижению точности7,8,9. Мы демонстрируем здесь точность, напоминающую наши собственные результаты с ручной домашней подготовкиклетки5,7,8. Хотя домашняя клетка обучение существует для крысы10, насколько нам известно, это первый авто-тренер, который использует обучение мышей в их домашней клетке.
Наш авто-тренер включает в себя регулируемую платформу, на которой покоится прорезная клетка и может быть опущена или поднята на соответствующую высоту для выравнивания с держателем пищевых гранул (также называемой водолазной доской). Система распределения гранул помещает пищевые гранулы на держатель доски для дайвинга. Держатель пищевых гранул имеет сборку датчика гранул, состоящую из датчика отражающего объекта, чтобы определить, присутствует ли пищевая гранула или нет на держателе доски для дайвинга. Из-за проблем с светочувствительностью датчик отражающего объекта может быть откалиброван при установке в соответствии с осветительной средой лаборатории. Клетка каждой мыши помещается на авто-тренажер еженедельник так, что внутренний край гранулы в соответствии с внешним краем слота ворот клетки, что соответствует шагу 2.3.4 ручной процедуры, описанной выше. Два потерянных датчика гранул, ориентированных в противоположных направлениях в воронке под держателем гранул доски для дайвинга, обнаруживают падающие гранулы. Одним из преимуществ использования двух потерянных датчиков гранул является то, что он обеспечивает высокую точность обнаружения различных пищевых гранул различных размеров и форм. Оба потерянных датчика гранулсостоятся состоят из стандартного трансмиссивного фото-прерывателя с конструкцией сквозного отверстия, чтобы почувствовать движение падающей гранулы, не требуя контакта.
Программное обеспечение состоит из программы, которая запускает авто-тренер и собирает данные об успехах и неудачах. Пользовательский ввод состоит из местоположения файла, в котором регистрируются данные, сколько гранул распределяется в одной тренировке, возможность приостановить тренировку после раздачи конкретного гранулы, поле для записи увеличенного расстояния (если таковые имеются), через которые мышь должна достичь, и поле для управления размером массива, используемым в расчетах программы (которые могут быть проигнорированы во время нормального использования). Кроме того, программное обеспечение позволяет пользователю настроить датчик отражающего объекта доски для того, чтобы перекалибровать светочувствительность по мере необходимости. Выход каждого пробного варианта отображается пользователю, а также записывается и сохраняется в файле журнала для последующего поиска.
Одно испытание состоит из времени одного пищевого гранулы, проведенного на доске для дайвинга, пока она не будет удалена действием мыши. Если гранулы покидают доску для дайвинга, как это определено датчиком гранул ывы, и гранулы обнаруживаются падающими через воронку вскоре после этого одним из потерянных датчиков гранул, это записывается как неудачное испытание программным обеспечением. Если датчик гранулы приманки определяет, что гранулы покидают доску для дайвинга, но ни один из потерянных датчиков гранул не обнаруживается ни одним из потерянных датчиков гранул, предполагается, что он был затянут в клетку мышью и считается успешным испытанием.
Эта формулировка используется, потому что полезно разработать поведенческий результат, в котором задача выполнять непосредственно, а не косвенно, обеспечивает вознаграждение. Таким образом, нет никакой двусмысленности со стороны животного в том, что задача (например, быть голодным, найти пищу, получить пищу, есть пищу). Среди многих задач, которые используют такую парадигму, задача по предубеждению стала довольно популярной для таких оценок. Задача просто требует, чтобы животное использовать одну конечность, чтобы достичь и захватить один продукт питания, который животное впоследствии приносит в рот для потребления. Задача по предубеждению оценивает поведение, которое очень похоже на повседневное поведение, используемое многими млекопитающими. Самое главное, задача предехождения напоминает двигательное поведение человека4. Эта обобщаемость усиливает ожидание того, что принципы, вытекающие из доклинической оценки поведения, клинически применимы в состояниях болезни. Например, нарушения в квалифицированных передних конечностей и ручной работы наблюдаются при инсульте, болезни Гентингтона, болезни Паркинсона и рассеянном склерозе. Таким образом, моделирование поведенческих дефицитов и последующего восстановления у мышей имеет неоценимое значение для понимания восстановления человека и как это может быть предложено2,11,12,13.
Многие аспекты авто-тренера, предложенные в настоящем процессе, в значительной степени приносят пользу исследовательскому процессу. Во-первых, большинство поведенческих анализов требуют от экспериментатора тщательного обучения и мониторинга ежедневных сеансов, которые могут быть дорогостоящими, трудоемкими и непомерно трудоемкими. Наш авто-тренер позволяет собирать поведенческие данные независимо от экспериментатора. Во-вторых, наш авто-тренер может быть воспроизведен, чтобы позволить нескольким мышам быть обучены и оценены объективно, эффективно и одновременно, тем самым минимизируя время и усилия. В-третьих, низкая стоимость автотренажера позволяет реплицировать и использовать несколько автотренажеров одновременно для крупномасштабного и эффективного тестирования.
Следует отметить, что критический момент, требующий тщательного контроля, находится на этапе формирования обучения. Примечательно, что главной слабостью этого протокола является риск плохого использования, который становится фиксированным у некоторых мышей11. Протокол направлен на имитацию тестов, как лестница ступенька тест в том, что успех в задаче обеспечивает награду. Тем не менее, сама задача все еще должна быть обучена мышам в шаге 2.3 протокола, в отличие от теста ступеньки лестницы. Концепция, скорее всего, причиной мыши спотыкаться в изучении этой задачи от расширения лапы из клетки с помощью лапы на самом деле захватить гранулы. В первом сеансе шага 2.3.1 мыши должны быть вознаграждены просто за то, что вытягивали лапу из клетки. Тем не менее, в течение следующих нескольких дней, следователи должны заботиться, чтобы вознаградить мышей меньше просто расширение лапы, и больше для расширения лапы и касаясь гранулы, как мы описываем в шаге 2.3.3.
Пожалуйста, обратите внимание, что примерно 5% мышей не сможет прогрессировать мимо этого этапа, как правило, из-за ограниченного расширения их цифртянуть в пищевых гранул. Такие мыши потерпят неудачу с одной или обеими лапами с небольшим учетом фактического местоположения гранул, предоставляя мало или вообще не полезные данные. Чтобы свести к минимуму потенциал мыши для отказа на данном этапе, осторожность настоятельно рекомендуется при вытягивании гранулы с пинцетом во время учебного процесса. В частности, мышь должна быть вознаграждена с пищей не только тогда, когда она расширяет лапу, но и когда эта лапа захватывает гранулы и применяет достаточно силы, достаточной для удовлетворения следователя. Аналогичный риск потенциального отказа на данном этапе представляет мышей, используя свой язык, чтобы лизать гранулы к ним. При обучении мышей, которые, как правило, лизать, место гранулы дальше боковой от слота. Мышам будет трудно достичь с языком на большем расстоянии боком, но диапазон движения руки и лапы более способны закрыть расстояние.
Наш описанный протокол легко распространяется на различные лабораторные среды или различные методы сбора данных. Авто-тренер, например, очень полезен в качестве трудосберегающего устройства, но не требуется строго для сбора данных, так как гранулы могут быть предоставлены и успехи / неудачи могут быть записаны вручную. Индивидуальные достижения также могут быть классифицированы на основе более подробной информации, чем просто успех / неудача, например, учитывая угол подхода каждой мыши, количество попыток достижения, которые не касаются гранул, или механики поиска движения, которое получило больше внимания в последние годы14. Способность животного извлекать гранулы является лишь одной из мер. Используя дополнительное оборудование, мы также сможем измерить скорость, угол и траекторию движения конечностей животного. Эта кинематика является важным аспектом моторного обучения как до, так и после неврологической травмы. С этой целью мы в настоящее время внедряем различные новые средства анализа передвижения и кинематики захвата действия мыши. Мы исследуем использование высокоскоростных камер для получения кинематических измерений захвата и крепления преобразователей давления и акселерометров к держателю пищевых гранул для измерения силы и массовых данных, связанных с захватом. Эти новые функции улучшат функциональность авто-тренера для сбора значительных данных, пройдено простой проход или неудачный суд и поможет проиллюстрировать походку мыши понять через прогрессирование болезни. В будущем мы будем использовать робота с помощью задачи по беременности в качестве платформы для оценки типа, дозы и сроков реабилитации после неврологических травм. Двигаясь вперед, мы будем продолжать совершенствовать задачу, с уточнениями, чтобы помочь уменьшить неправильное поведение и улучшить скорость приобретения задач и время обучения.
Таким образом, мы разработали новый авто-тренер для оценки верхней предплеки пределенки мастерство у мышей. Задача требует, чтобы мыши достигли своей лапы через щель, захватить небольшой гранулы пищи, и потяните гранулы в направлении их тела, чтобы они могли съесть гранулы. Настройка задачи механически ограничена для обеспечения доминирующего использования лап. Мыши могут быть обучены быстро и одновременно, только с процессом формирования, требующим ручного ввода. Тест может быть введен эффективно и проанализированы автоматически. Этот высокопроизводительный поведенческий анализ определяет уровень успеха и легко модифицируется для будущего анализа кинематики и динамики силы.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Дэн Таш и Ури Таш из Step Analysis, LLC изготовили устройство автотренера с оплатой от Ричарда О'Брайена и Стивена Р. Зейлера.
Acknowledgments
Автоматическое обучение устройство было построено Джейсон Данторн, Ури Таш, и Дэн Таш на шаг анализа, LLC, с дизайном ввода поддержки и инструкции, предоставляемые Роберт Хаббард, Ричард О'Брайен, и Стивен Зейлер.
Тереза Дуарте из Центра Неизвестных Шампалимо предоставила ценную информацию и идеи о описании и классификации действий мыши.
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).
