Summary
طريقة تقييم تأثير التدريب على المهارات الحركية هي أداة مفيدة. لسوء الحظ، يمكن أن تكون معظم التقييمات السلوكية كثيفة العمالة و/أو مكلفة. نحن نصف هنا طريقة الروبوتية لتقييم السبق (الوصول إلى فهم) مهارة في الفئران.
Abstract
نحن نصف طريقة لإدخال الفئران السذاجة إلى مهمة جديدة (الوصول إلى فهم). يتم إيواء الفئران بشكل رائع في أقفاص مع فتحة أمامية تسمح للفأر للوصول إلى خارج قفصه واسترداد الكريات الغذائية. يتم استخدام الحد الأدنى من القيود الغذائية لتشجيع الفئران على إجراء استرداد المواد الغذائية من الفتحة. كما تبدأ الفئران لربط القادمة إلى فتحة للغذاء، يتم سحب الكريات يدويا بعيدا لتحفيز التمديد وpronation من مخلب لفهم واسترداد بيليه من خلال فتحة أمامية. عندما تبدأ الفئران في الوصول إلى الكريات عند وصولها إلى الفتحة، يمكن إجراء الفحص السلوكي عن طريق قياس المعدل الذي يمكن أن نفهم بنجاح واسترداد بيليه المطلوب. ثم يتم تعريفهم على المدرب التلقائي الذي أتمتة كل من عملية توفير الكريات الغذائية للماوس لفهم، وتسجيل ناجحة وفشلت في الوصول واستيعاب المحاولات. وهذا يسمح بجمع البيانات التي تصل إلى فئران متعددة بأقل جهد ممكن، لاستخدامها في التحليل التجريبي حسب الاقتضاء.
Introduction
طرق لاختبار المهارات الحركية قبل وبعد الإصابة العصبية، فضلا عن تعديل توقيت، والمبلغ، ونوع التدريب الحركي مهمة للبحوث الترجمة. على مدى العقد الماضي، أصبحت الفئران، بسبب سهولة ما يصاحب ذلك من التلاعب الوراثي، نظام نموذج شعبية التي لتوضيح آليات التعلم الحركي قبل وبعد الإصابة. ومع ذلك، لم يتم تحسين الاختبارات السلوكية في الفئران بنفس الطريقة التي كانت مثل هذه الاختبارات للثدييات الأخرى (وخاصة الفئران). وعلاوة على ذلك، هناك اختلافات هامة بين سلوك الماوس والفئران التي تشير بقوة تدريب النوعين في آداب مختلفة1،2.
تستخدم الحركات الماهرة المناوئة لليد/الكفوف لوضع الطعام في الفم، أو للتلاعب بجسم ما، أو لاستخدام أداة. في الواقع، الوصول إلى فهم كائنات مختلفة في الحياة اليومية هو وظيفة أساسية من الأطراف العليا وقانون الوصول إلى تناول الطعام هو شكل من أشكال النفي التي تستخدم العديد من الثدييات. وقد تم تحديد العديد من التغيرات الوراثية والفسيولوجية والتشريحية التي تقوم عليها اكتساب المهارات المسبقة بشكل جيد في المجال3. في ترجمة النتائج ما قبل السريرية إلى النتائج السريرية، يحتاج المرء إلى اختبار ذي صلة يتسم بالكفاءة والقابلة للاستنساخ. دراسات القوارض والإنسان الوصول تثبت أن سلوك النفي مماثلة في البشر والحيوانات4. وبناء على ذلك، تشير أوجه التشابه هذه إلى أن اختبار السبق يمكن أن يكون بمثابة نموذج ترجمة للتحقيق في التعلم الحركي فضلا عن العاهات وعلاجات الأمراض البشرية. لذلك، تقييم النفي في الفئران يمكن أن تقدم أداة قوية في البحوث الترجمة دراسة كل من الصحة والمرض الدول4.
لسوء الحظ، يمكن أن تكون مهمة التبذير في الفئران، حتى بالنسبة لإعداد مختبر على نطاق صغير، شاقة وتستغرق وقتا طويلا. وللتخفيف من حدة هذه المشكلة، نصف هنا نسخة آلية من مهمة التبذير. تتطلب المهمة الموصوفة الفئران لتوسيع مخلب واحد من خلال فتحة أمامية قفص المنزل الماوس، pronate مخلب الموسعة، واستيعاب مكافأة بيليه الغذاء، وسحب بيليه مرة أخرى إلى القفص الداخلي للاستهلاك. يتم تقديم البيانات الناتجة إما كنجاح أو فشل. هذه الأتمتة بنجاح يسجل البيانات ويقلل من العبء والوقت الذي يجب على الباحثين إشراك المهمة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
تمت الموافقة على جميع الطرق الموضحة هنا من قبل لجنة رعاية الحيوانات واستخدامها من جامعة جونز هوبكنز.
1. إعداد أقفاص الماوس للاستخدام
- إنشاء فتحة مشقوقة مع أبعاد عرض 0.8 سم وارتفاع 7 سم من القاعدة في الطرف الأمامي من كل قفص، كما هو موضح في الشكل 1. هذه الفتحة بمثابة الافتتاح الذي سيصل من خلاله الحيوان.
ملاحظة: تم تصميم المدرب التلقائي للاستخدام مع أبعاد قفص الماوس القياسية (كما هو موضح في الشكل 1)التي قدمها معظم بائعي إمدادات البحوث الحيوانية. وعلاوة على ذلك، فإن المدرب التلقائي دعم بسهولة أنواع قفص أخرى. - داخل كل قفص الفردية، إضافة منصة المتاخمة للفتحة للسماح للفئران للوقوف والوصول إلى الكريات المقدمة. تأكد من أن المنصة تقع فوق أرضية القمامة القفص، ما يقرب من 3 سم في الارتفاع. استخدام أطباق بيتري مثبتة مع superglue وتوج بورقة معدنية حوالي 10 سم × 15 سم، ومع ذلك، فإن أي سطح مستو كبير بما فيه الكفاية للماوس للوقوف على الوصول من يكفي.
- إنشاء الشق الرأسي من خلال منتصف الجزء الأمامي من القفص قياس 0.8 سم عبر و 7 سم عالية من شأنها أن تسمح للماوس للوصول إلى مخلب له للخروج من القفص.
- من ورقة رقيقة من المعدن، (حوالي 2 ملم سميكة) قطع بوابة قفص إلى مستطيلات قياس 5 سم × 10 سم لتكون بمثابة فتحة موحدة من خلالها الحيوان للوصول.
ملاحظة: قد تمضغ الفئران على أقفاص بلاستيكية من شأنها أن تغير حجم الفتحة. سوف يصل الماوس من خلال هذه الفتحة 0.8 سم عندما يتم وضع بوابة القفص المعدني على فتحة القفص مشقوق أثناء الاختبار باستخدام الشريط، والحفاظ على العرض الفعال للفتحة بين الأقفاص. - تغطية فتحة كل قفص مع الشريط عندما لا يتم اختبار الماوس لمنع القمامة من طردمن القفص.
2. إدخال الفئران إلى الحركة الوصول
- تسجيل الوزن البداية لكل ماوس وحساب 85٪ من تلك القيمة للعثور على وزن الهدف، والتقريب تصل إلى 20 غرام إذا كانت النتيجة أقل. منحهم نظام التغذية لجلبهم إلى ومن ثم الحفاظ على هذا الوزن الهدف.
- إعطاء كل ماوس 2.5 غرام من الكريات في اليوم الأول ولاحظ أي تغيير في وزنهم 24 ح في وقت لاحق.
ملاحظة: وزن الفئران مرة واحدة في اليوم ونتوقع انخفاض الوزن من 0.25-1 غرام في اليوم الواحد. - تغيير التغذية اليومية لكل فأر ة كما هو مطلوب، استناداً إلى هذا التغيير الأولي والتغيرات المستمرة في وزن كل فأر، من أجل الحث على فقدان الوزن التدريجي (أقل من 0.8 غرام المفقودة في اليوم الواحد) ومن ثم الحفاظ على وزن الهدف الناتج. تختلف بين ثلاثة إلى ستة 500 الكريات ملغ (1.5 إلى 3.0 غرام) يوميا لتكون فعالة.
ملاحظة: الفئران تبقى على هذا النظام الغذائي للحفاظ على وزن هدفهم في جميع أنحاء البروتوكول.
- إعطاء كل ماوس 2.5 غرام من الكريات في اليوم الأول ولاحظ أي تغيير في وزنهم 24 ح في وقت لاحق.
- عندما يصل الماوس إلى وزنه الهدف، أدخل كل فأر إلى مفهوم الخروج إلى فتحة مسورة لبيليه الغذاء التكميلية. بدء دورة تدريبية عن طريق وضع بيليه 45 ملغ على سطح بيليه، مباشرة أمام فتحة، والسماح لكل ماوس لاسترداده. معظم الفئران سوف تأخذ إلى هذا الترتيب التغذية في غضون 1-2 أيام.
- مرة واحدة الماوس يربط فتحة مفتوحة مع يجري تغذية، وتشجيعهم على الوصول مع مخلب، بدلا من الفم.
ملاحظة: هذه هي الخطوة الأكثر تعقيداً، أخذ 1-2 أيام، وغرس السلوك غير مثمرة في الفئران عن طريق الخطأ من السهل جداً; يرجى الرجوع إلى قسم المناقشة للحصول على مزيد من المعلومات والمشورة.- باستخدام زوج من ملاقط، عقد بيليه في نفس الموقف الماوس قد استرد الكريات سابقا. كما يبدأ الماوس لدغة لبيليه، تسحبه بعيدا ما يقرب من نصف سنتيمتر بحيث بيليه هو بعيدا عن متناول فمه.
ملاحظة: سيحاول الماوس في وزنه الهدف استرداد بيليه خارج الوصول. كلما الماوس يمتد مخلب من خلال فتحة، وتعزيز هذا السلوك من خلال السماح لها لتناول الطعام بيليه. قد تظهر بعض الفئران تفضيل مخلب واحد على الآخر عند تمديد للغذاء. - في حين لا تكون مفيدة للتجريب، سجل ما إذا كان يفضل مخلب اليسار أو اليمين. وهذا قد يسمح بمعدلات نجاح إجمالية أعلى في التقييم السلوكي; بدلا من ذلك، القضاء على متغير عن طريق إجبار كل فأرللوصول مع مخلب نفسه.
ملاحظة: يتم الحصول على نتائج أفضل إذا كانت الفئران تستخدم مخلب المفضل ة. - كما كل شركاء الماوس تمديد مخلب مع تناول بيليه، وزيادة تعزيز هذا السلوك عن طريق حجب بيليه ردا على محاولات لاسترداد بيليه مع الفم واللسان. سوف تبدأ الفئران في الامتثال لهذا الترتيب على مدى 2 إلى 3 أيام.
- الانتهاء من إدخال مخلب المطلوب الوصول إلى السلوك عن طريق وضع 45 ملغ بيليه أقل بقليل من 1 سم من الحافة الخارجية لبوابة القفص، بحيث أقصى اليسار أو أقصى نقطة من بيليه (سواء كان ذلك إلى اليمين أو اليسار من فتحة القفص من المحقق المنظور، على التوالي) هو الظل إلى خط يمتد مباشرة من حافة فتحة بوابة القفص. السماح للماوس لمحاولة استرداد بيليه، وتوخي الحذر لإزالة بيليه ومنع استهلاكها إذا كان الماوس يجب أن تحاول بطريقة أخرى من تمديد مخلب.
ملاحظة: عندما يقوم الماوس باستمرار بتوسيع مخلب للاستيلاء على وقادرة على لمس بيليه المقدمة، فإنه على استعداد للاختبار باستخدام المدرب التلقائي الموضح أدناه والفحص السلوكي المرتبطة بها. ويختلف الوقت من المقدمات السذاجة إلى الإعداد بين الفئران؛ إذا كان هناك stragglers التي تستغرق أكثر من أسبوعين لفهم، ينبغي استبعادهم من مجموعة البيانات.
- باستخدام زوج من ملاقط، عقد بيليه في نفس الموقف الماوس قد استرد الكريات سابقا. كما يبدأ الماوس لدغة لبيليه، تسحبه بعيدا ما يقرب من نصف سنتيمتر بحيث بيليه هو بعيدا عن متناول فمه.
3. استخدام المدرب التلقائي
ملاحظة: الرجاء مراجعة الشكل 1-3وقسم المناقشة للحصول على وصف كامل للأجهزة والبرامج والإجراءات المادية للمدرب التلقائي.
- التحضير للدورة التدريبية.
- معايرة الطعم بيليه الاستشعار. انقر فوق السهم تشغيل في واجهة LabVIEW ولاحظ الطعم بيليه الاستشعار القراءة مع وبدون بيليه في المكان. انقر فوق الزر إيقاف لإيقاف تشغيل الاختبار هذا وتغيير هدف مستشعر بيليه الطعم إلى قيمة بين هاتين القراءتين(الشكل 3 والجدول 2). توفر معظم ظروف الإضاءة قراءة بين 1 و4.
- وضع قفص الماوس المعدلة على المدرب التلقائي(الشكل 2). تثبيت بوابة القفص ( الشكل 1) ومحاذاة بيليه إلى حافة الفتحة كما هو الحال في الإجراء اليدوي.
- تشغيل جلسة تدريب الماوس باستخدام واجهة LabVIEW.
- معلومات الإدخال حسب الاقتضاء لتسجيل البيانات المتعلقة بالدورة التدريبية(الشكل 3 والجدول 2).
- انقر فوق الحقل "معرف الماوس" واكتب اسم ملف كل جلسة تدريب باستخدام لوحة مفاتيح الكمبيوتر.
- انقر فوق مجموع الكريات إلى الاستغناء خلال الحقل الروتيني للسيطرة على عدد الكريات التي يتم الاستغناء عنها لتجربة واحدة (عادة 20-30). للقيام بذلك، انقر فوق الأسهم لأعلى ولأسفل أو إدخال الرقم باستخدام لوحة مفاتيح الكمبيوتر.
- انقر فوق الحقل إيقاف مؤقت بعد بيليه تعيين إيقاف مؤقت 5 s بعد إزالة بيليه المشار إليه من لوحة الغوص. للقيام بذلك، انقر فوق الأسهم لأعلى ولأسفل أو إدخال الرقم باستخدام لوحة مفاتيح الكمبيوتر.
- انقر فوق الحقل إيقاف مؤقت لـ "طول الإيقاف المؤقت" لتعيين إيقاف مؤقت بين الوقت الذي تتم فيه إزالة بيليه من لوحة الغوص والوقت الذي يتم فيه الاستغناء عن بيليه جديد. للقيام بذلك، انقر فوق الأسهم لأعلى ولأسفل أو إدخال الرقم باستخدام لوحة مفاتيح الكمبيوتر
ملاحظة: عادةً 1 s هو وقت إيقاف مؤقت مناسب. إذا كانت الفئران حريصة بعد الاستغناء عن كل بيليه، فمن المستحسن زيادة طول وقفة باستخدام الحقل "طول وقفة" إلى 5 s. - تسجيل المسافة التي يتم وضع بيليه يدويا في حقل الوصول إلى المسافة. للقيام بذلك، انقر فوق الأسهم لأعلى ولأسفل أو إدخال الرقم باستخدام لوحة مفاتيح الكمبيوتر
ملاحظة: يتم الكشف عن حجم تسريع والوقت صفائف لأغراض التصحيح ثم قد يتم تجاهل. - انقر فوق الحقل مجلد يحتوي على سجلات لتحديد موقع الملف لحفظ البيانات التي تم تجميعها.
- بمجرد ملء حقول المعلومات، انقر فوق الزر تشغيل لبدء جلسة التدريب. سيقوم المدرب التلقائي بتوزيع الكريات الفردية وتتبع ما إذا كانت تقع من خلال قمع حتى يتم الاستغناء عن العدد الإجمالي من الكريات، وقد تم استرداد بيليه الماضي أو إسقاطها من قبل الماوس. سيتم إيقاف البرنامج تلقائيًا عند هذه النقطة. إذا لزم الأمر، فإنه يمكن أيضا أن تتوقف قبل الأوان عن طريق النقر على زر إيقاف.
- بمجرد إعداد البرنامج، ضع القفص المنزلي للماوس ليتم اختباره على قاعدة التمثال ومراقبة الماوس بحيث يمكنك قياس ما إذا كان الماوس قد تعلم بالفعل لمحاولة السلوك الوصول إلى الرواية المطلوبة. بعد النقر فوق الزر تشغيل، اسمح للماوس بالتحقيق في الفتحة ومحيطها الجديد غير المألوف.
ملاحظة: على غرار عند إدخال الفئران إلى مفهوم الوصول، نتوقع بعض الفئران أن تكون أكثر توافقاً من غيرها. الفئران التي استوعبت المفهوم يجب أن تحاول الوصول في غضون 5-10 دقيقة، وسوف تربط حركة المدرب التلقائي مع بيليه المقدمة، كما هو الحال عندما ربط فتحة كشف مع الغذاء في المراحل الأولى من هذا البروتوكول.
- معلومات الإدخال حسب الاقتضاء لتسجيل البيانات المتعلقة بالدورة التدريبية(الشكل 3 والجدول 2).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
بشكل عام، من المستحسن أن تتكون كل دورة تدريبية من حوالي 20-30 التجارب، والتي قد يتم تعيينها من قبل المستخدم، وتشغيلها تلقائيا من قبل المدرب التلقائي وحفظها في ملف سجل واحد لكل دورة والماوس. يمكن تشغيل كل محاكمة على التوالي، مباشرة بعد الآخر، مع 2-5 s من وقفة. الفئران المدربة على المدرب التلقائي تظهر زيادة في المهارات على مدى 10 دورات تدريبية.
لمقارنة فائدة المدرب التلقائي للتدريب اليدوي (يعتبر المعيار الذهبي)، قمنا بتدريب الذكور البالغين C57bl/6 الفئران الذين تتراوح أعمارهم بين 100 إلى 140 يوما يدويا واستخدام المدرب التلقائي. وقد أجريت جميع المناولة والاستخدام للحيوانية وفقا للجنة رعاية الحيوانات واستخدامها في جامعة جونز هوبكنز وبموافقة منها. الفئران المدربة مع المدرب التلقائي تعلمت مهمة التبشّر وتظهر زيادة واضحة في المهارات الحركية(الشكل 4). هذه الزيادة في المهارة مماثلة لتلك التي ينظر إليها عندما يتم تدريب الحيوان يدويا دون استخدام المدرب التلقائي(الشكل 4). لهذه البيانات، تم تسجيل prehension اليدوي كما ناجحة عندما وصل الماوس إلى شكله من خلال شق، أمسك بيليه، وأكلت دون أن يطرق عليه من الفضاء يستريح، واسقاطه، أو بأي طريقة أخرى فقدان السيطرة. حدّدت النسبة مئويّة من ناجحة [بريهنأيشن] محاولات كان لكلّ بيليه. تألّف تدريب قالب 30 كريات في بعد من 1 [كم] مع كلّ بيليه يقدّم واحدة في وقت. تم تدريب الفئران المدربة على المدرب التلقائي وفقا للبروتوكول الموصوف أعلاه. كل نقطة في الشكل 4 يمثل يوم من التدريب خلالها الحيوانات وصلت إلى 30 الكريات والرسوم البيانية على أنها نسبة الصحيح. ولم يكن هناك فرق إحصائي بين السطرين باستخدام اختبار t غير بارامتري مع تصحيح لإجراء مقارنات متعددة.
الشكل 1: صور مثالية للقفص المنزلي. (أ)عرض الطيور العين من قفص المنزل القياسية المعدلة مع منصة (البرتقالي) وفتحة على الجزء الأمامي من القفص. (B)الرؤية الأمامية لقفص المنزل المعدلة مع فتحة مشقوق مع ما يقرب من 0.8 سم × 7 سم.(C)بوابة قفص قطع من ورقة رقيقة من المعدن وملفوفة مع الشريط لحماية الحواف. (D، E)بوابة قفص وضعت أمام فتحة لتكون بمثابة فتحة موحدة من خلالها الماوس هو للوصول إليها؛ الجبهة(D)ومائل(E)وجهات النظر المقدمة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2 : صور مثالية للمدرب التلقائي. (ألف، باء) في الصورة هي لصناعة السيارات في المدرب دون(أ)أو مع (ب) قفص الماوس المعدلة في المكان. (C-J) وجهات نظر مفصلة من مجلس الغوص تصميم بيليه الغذاء حامل ينظر إما من الجبهة(C، D، H، I)أو من الجانب(E، F، G، J)،مع(D، E، F، I)أو بدون(C، G، H، J)بيليه الغذاء. لاحظ أن مسافة بيليه من الحيوان يمكن تعديلها بسهولة كما مسافة قفص من لوحة الغوص قابل للتعديل. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3 لقطة من البرنامج. لقطة من البرنامج المستخدمة لتشغيل المدرب التلقائي. تعرض الصورة حقول الإدخال الهامة الموضحة في البروتوكول. انظر الجدول 2 للحصول على مزيد من التفاصيل. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4 : البيانات التمثيلية. يزيد السبق الماهر إلى مستوى ثابت مماثل باستخدام كل من المدرب التلقائي ونماذج التدريب اليدوي. رسم يظهر نجاح الوصول إلى فهم (يعني +/- SEM؛ دليل: رمادي، ن = 14؛ المدرب التلقائي: أسود، ن = 15). الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
| خطوه | المدة المقدرة (بالأيام) | التعليق |
| 2.1 وزن خسارة | 3 إلى 5 | اعتمادا على الوزن intial، وبالتالي، كم من الوزن لتفقد حتى في الهدف |
| 2.2 فتحة تدريب | 1 | الفئران تعلم أن يشعر بتزامن تقترب من فتحة مفتوحة للغذاء |
| 2.3 يشكّل | 4 إلى 8 | |
| 2.3.1 مخلب إستعمال | 1 | النجاح هنا يعتمد على توفير بسرعة بيليه بعد الماوس، ونفى طعامه، paaws للبيليه. |
| 2.3.2 [بو] تفضيل | 1 | التأكد مما إذا كان الماوس يفضل مخلب اليسار أو اليمين. |
| 2.3.3 يحدّد سوء مخلب إستعمال | 2 إلى 3 | كما هو الحال في الخطوة السابقة، من المهم منع استرجاع مع الفم واللسان. |
| 2.3.4 ملاقط | 1 | بعض الفئران سوف تتعثر في اتخاذ بيليه من تلقاء نفسها بدلا من ملاقط، وإطعامهم أقل قليلا |
| 3. التدريب على السيارات | 10 إلى 15 | أيام حتى الاسومبتوتي. |
الجدول 1: الجدول الزمني لتدريب الفئران باستخدام المدرب التلقائي.
| حقل الإدخال | استخدام |
| معرف الماوس | إدخال اسم الملف الذي سيتم حفظ البيانات التي تم تجميعها ضمنه. |
| مجموع الكريات إلى الاستغناء خلال الروتين | إدخال العدد الإجمالي للكريات التي سيتم الاستغناء عنها خلال الدورة التدريبية. |
| وقفة بعد عدد بيليه | وظيفة غير مُهتمة. يمكن استخدامها لإيقاف الدورة التدريبية بعد الاستغناء عن بيليه المحدد. |
| إيقاف مؤقت طول (ق) | طول الوقت الذي يستمر فيه التوقف المؤقت. |
| مسافة الوصول (مم) | تسجيل المسافة فوق الحد الأدنى الذي يجب أن تصل الماوس لاسترداد بيليه. صفر بشكل افتراضي. |
| حجم التسارع وصفائف الوقت | تعرض الدالة لأغراض التصحيح. الاحتفاظ بالقيمة الافتراضية 500. |
| مجلد يحتوي على سجلات | انقر فوق رمز المجلد لاختيار مكان حفظ البيانات التي تم تجميعها. |
| اسم الجهاز | دالة LabVIEW التي تربط الأجهزة بالبرامج. الافتراضيات إلى Dev1. اعتماداً على اتصالات USB قد تظهر الأجهزة في القائمة المنسدلة ضمن رقم آخر; اختيار الأجهزة حتى يعمل واحد. |
| زر السهم، أعلى اليسار | انقر لتشغيل البرنامج، سواء لجلسة تدريبية أو للمعايرة. |
| زر إيقاف الإشارة، أعلى اليسار | إيقاف البرنامج قبل الأوان. |
الجدول 2: واجهة البرمجيات.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
لدينا المدرب التلقائي يقيم الصدارة الوصول إلى فهم (prehension) بطريقة آلية. ولتحقيق نقطة النهاية هذه، تم تكرار العديد من المعلمات المصممة لمهمة التبشّر للفأر، بما في ذلك وضع بيليه، وحجم بيليه، ومعايير التدريب، على مدى عدة سنوات ومقتبسة من البروتوكولات السابقة2و5 ،6. التقدم هنا هو أتمتة المهمة باستخدام الروبوت الذي يسمح السكن في قفص المنزل. السكن في قفص المنزل يسمح للفئران أن تبقى هادئة وأداء هذه المهمة مع أقل القلق. ويرتبط التدريب غير المنزل قفص مع زيادة الإجهاد الذي يمكن أن يؤدي إلى زيادة الوقت وانخفاض الدقة7،8،9. نثبت هنا دقة تشبه نتائجنا الخاصة مع دليل المنزل قفص التدريب5،7،8. على الرغم من أن التدريب في القفص المنزلي موجود للفأر10، على حد علمنا ، وهذا هو أول مدرب السيارات التي تستفيد من تدريب الفئران في قفص هم المنزل.
لدينا المدرب التلقائي يتضمن منصة قابل للتعديل التي تقع على قفص مشقوق ويمكن خفض ها أو رفعها إلى الارتفاع المناسب للمحاذاة مع حامل بيليه الغذاء (يشار إليها أيضا باسم مجلس الغوص). نظام الاستغناء بيليه يضع بيليه الطعام على حامل مجلس الغوص. حامل بيليه الغذاء لديه الطعم بيليه الاستشعار الجمعية تتكون من جهاز استشعار كائن عاكس للكشف عما إذا كان بيليه الغذاء موجود أم لا على حامل متن الغوص. بسبب مشاكل حساسية الضوء، قد يتم معايرة مستشعر الجسم العاكس عند التثبيت لتتناسب مع بيئة الإضاءة في المختبر. يتم وضع قفص كل فأر على المدرب التلقائي بحيث الحافة الداخلية بيليه يتماشى مع الحافة الخارجية لفتحة بوابة قفص، المقابلة للخطوة 2.3.4 من الإجراء اليدوي مفصلة أعلاه. اثنين من أجهزة الاستشعار بيليه المفقودة الموجهة في اتجاهات معاكسة في قمع تحت حامل بيليه مجلس الغوص الكشف عن الكريات السقوط. فائدة واحدة من استخدام اثنين من أجهزة الاستشعار بيليه المفقودة هو أنه يضمن دقة الكشف عالية لمختلف الكريات الغذائية من مختلف الأحجام والأشكال. كل من أجهزة الاستشعار بيليه المفقودة تتكون من معيار transmissive الصورة المقاطعة مع تصميم من خلال حفرة، لاستشعار حركة بيليه السقوط دون الحاجة إلى الاتصال.
يتكون البرنامج من برنامج يقوم بتشغيل المدرب التلقائي ويجمع البيانات عن النجاحات والفشل. يتكون إدخال المستخدم من موقع الملف الذي يتم فيه تسجيل البيانات، وعدد الكريات التي يتم الاستغناء عنها في دورة تدريبية واحدة، وخيار إيقاف الدورة التدريبية مؤقتًا بعد الاستغناء عن بيليه معين، حقل لتسجيل المسافة المتزايدة (إن وجدت) التي عبرها يجب أن يصل الماوس، وحقل للتحكم في حجم الصفيف المستخدم في حسابات البرنامج (والتي قد يتم تجاهلها أثناء الاستخدام العادي). وعلاوة على ذلك، فإن البرنامج يتيح للمستخدم لضبط جهاز استشعار كائن عاكس لوحة الغوص من أجل إعادة معايرة حساسية الضوء حسب الضرورة. يتم عرض إخراج كل إصدار تجريبي للمستخدم بالإضافة إلى تسجيله وحفظه في ملف سجل لاسترداده لاحقًا.
تجربة واحدة تتكون من الوقت بيليه الغذاء واحد قضى على متن الغوص حتى يتم إزالتها عن طريق العمل من الماوس. إذا ترك بيليه لوحة الغوص كما يحددها جهاز استشعار بيليه الطعم ويتم الكشف عن بيليه السقوط من خلال قمع بعد فترة وجيزة من قبل أي من أجهزة الاستشعار بيليه المفقودة، يتم تسجيله كتجربة فاشلة من قبل البرنامج. إذا كان جهاز استشعار بيليه الطعم يحدد أن بيليه يترك مجلس الغوص، ولكن يتم الكشف عن أي كائن السقوط من قبل أي من أجهزة الاستشعار بيليه المفقودة، ويفترض أن يكون قد تم سحبها إلى القفص من قبل الماوس ويتم حسابها كتجربة ناجحة.
يتم استخدام هذه التركيبة لأنه من المفيد تصميم اختبار سلوكي حيث توفر مهمة الأداء مباشرة، وليس بشكل غير مباشر، المكافأة. وبهذه الطريقة، لا يوجد أي غموض من جانب الحيوان حول ما هي المهمة (على سبيل المثال، أن تكون جائعا، وتحديد موقع الطعام، والحصول على الغذاء، وتناول الطعام). ومن بين المهام العديدة التي تستخدم هذا النموذج، أصبحت مهمة التبذير تحظى بشعبية كبيرة بالنسبة لهذه التقييمات. تتطلب المهمة فقط أن يستخدم الحيوان طرفًا واحدًا للوصول إلى صنف غذائي واحد واستيعابه، والذي يجلبه الحيوان لاحقًا إلى فمه للاستهلاك. تقوم مهمة التبذير بتقييم سلوك مشابه جدًا للسلوك اليومي الذي تستخدمه العديد من الثدييات. الأهم من ذلك، فإن مهمة التبذير يشبه السلوك الحركي البشري4. يعزز هذا التعميم توقع أن المبادئ المستمدة من التقييم قبل السريرية للسلوك قابلة للتطبيق سريريا في حالات المرض. على سبيل المثال، ينظر إلى العاهات في اليد واليد الماهرة في السكتة الدماغية، ومرض هنتنغتون، ومرض باركنسون، والتصلب المتعدد. وهكذا، النمذجة العجز السلوكي والانتعاش اللاحقة في الفئران لا تقدر بثمن لفهم الانتعاش البشري وكيف يمكن تشجيعه2،11،12،13.
العديد من جوانب المدرب التلقائي المقترحة هنا تعود بفائدة كبيرة على عملية البحث. أولاً، تتطلب معظم الاختبارات السلوكية من أحد التجارب تدريب ومراقبة الجلسات اليومية عن كثب، والتي يمكن أن تكون مكلفة وكثيفة العمالة وتستغرق وقتاً طويلاً. يسمح مدربنا التلقائي بجمع البيانات السلوكية بشكل مستقل عن أحد التجارب. ثانياً، يمكن تكرار مدربنا التلقائي للسماح بتدريب الفئران المتعددة وتقييمها بموضوعية وكفاءة وفي وقت واحد، مما يقلل من الوقت والجهد. ثالثا، تسمح التكلفة المنخفضة للمدرب التلقائي بالنسخ المتماثل واستخدام العديد من المدربين التلقائيين في وقت واحد لإجراء اختبارات واسعة النطاق وفعالة.
وتجدر الإشارة إلى أن النقطة الحاسمة التي تتطلب إشرافا دقيقا هي خلال مرحلة تشكيل التدريب. وتجدر الإشارة إلى أن الضعف الرئيسي لهذا البروتوكول هو خطر الاستخدام السيئ الذي أصبح ثابتًا في بعض الفئران11. ويهدف البروتوكول إلى تقليد الاختبارات مثل اختبار درجة السلم في أن النجاح في المهمة يوفر المكافأة. ومع ذلك، لا يزال يجب تعليم المهمة نفسها إلى الفئران في الخطوة 2.3 من البروتوكول، على عكس اختبار درجة السلم. المفهوم الأكثر احتمالاً أن يسبب الماوس لتعثر في تعلم هذه المهمة هو من تمديد مخلب للخروج من القفص إلى استخدام مخلب لفهم بيليه في الواقع. في الجلسة الأولى من الخطوة 2.3.1، يجب مكافأة الفئران ببساطة لتمديد مخلب من قفصهم. ومع ذلك، على مدى الأيام القليلة التالية، يجب على المحققين الحرص على مكافأة الفئران أقل لمجرد تمديد مخلب، وأكثر لتمديد مخلب ولمس بيليه، كما نصففي الخطوة 2.3.3.
يرجى ملاحظة أن ما يقرب من 5٪ من الفئران سوف تفشل في التقدم بعد هذه المرحلة، وعادة بسبب تمديد محدود من أرقامها لسحب في بيليه الغذاء. هذه الفئران سوف تفشل مع واحد أو كلا الكفوف مع القليل من النظر في الموقع الفعلي للبيليه، وتوفير بيانات مفيدة قليلة أو معدومة. لتقليل احتمال فشل الماوس في هذه المرحلة، ينصح بشدة الحذر عند سحب بيليه مع ملاقط أثناء عملية التعلم. على وجه الخصوص، ينبغي مكافأة الماوس مع الغذاء ليس فقط عندما يمتد مخلب، ولكن أيضا عندما يمسك هذا مخلب بيليه ويطبق ما يكفي من القوة الكافية لرضا المحقق. وهناك خطر مماثل للفشل المحتمل في هذه المرحلة من قبل الفئران باستخدام لسانهم للعق الكريات تجاههم. عند تدريب الفئران التي تميل إلى لعق، وضع بيليه أبعد أفقيا بعيدا عن فتحة. سوف الفئران تجد صعوبة في الوصول مع اللسان على مسافة جانبية أكبر، ولكن مجموعة من الحركة من الذراع ومخلب هي أكثر قدرة على إغلاق المسافة.
يتم توسيع بروتوكولنا الموصوف بسهولة إلى بيئات مختبر مختلفة أو طرق مختلفة لجمع البيانات. المدرب التلقائي، على سبيل المثال، مفيد جدا كجهاز توفير العمالة، ولكن ليس مطلوبا بدقة لجمع البيانات، كما يمكن توفير الكريات والنجاحات / الفشل يمكن تسجيلها باليد. يمكن أيضا تصنيف الوصول الفردية على أساس معلومات أكثر تفصيلا من مجرد النجاح / الفشل، على سبيل المثال من خلال النظر في زاوية النهج من كل ماوس، وعدد من محاولات الوصول التي لا تلمس بيليه، أو ميكانيكا استرجاع الحركة، والتي تلقت المزيد من الاهتمام في السنوات الأخيرة14. قدرة الحيوان على استرداد بيليه ليست سوى مقياس واحد. باستخدام أجهزة إضافية، سوف نكون قادرين أيضا على قياس سرعة وزاوية ومسار حركات الأطراف في الحيوان. هذا الحركية هو جانب مهم من التعلم الحركي سواء قبل وبعد الإصابة العصبية. ولهذا الغرض، نقوم حالياً بدمج وسائل جديدة مختلفة لتحليل الحركة الحركية لعمل الفأر في الإمساك. نحن نستكشف استخدام كاميرات عالية السرعة للحصول على قياسات حركية للإمساك وإرفاق محولات الضغط ومقاييس التسارع إلى حامل بيليه الغذاء لقياس القوة والبيانات الجماعية المرتبطة بقبضة. هذه الميزات الجديدة سوف تعزز وظيفة المدرب التلقائي لجمع بيانات هامة مرت تمريرة بسيطة أو فشل المحاكمة وتساعد على توضيح مشية قبضة الماوس من خلال تطور المرض. في المستقبل، سوف نستخدم الروبوت مساعدة مهمة التبذير كمنصة لتقييم نوع، والجرعة، وتوقيت إعادة التأهيل بعد الإصابة العصبية. وللمضي قدما، سنواصل تحسين المهمة، مع إدخال تحسينات للمساعدة في تقليل السلوكيات غير الصحيحة وتحسين معدل اكتساب المهام ووقت التدريب.
وباختصار، قمنا بتطوير مدرب تلقائي جديد لتقييم مهارة السبق العلوي في الفئران. المهمة تتطلب الفئران للوصول إلى مخلب من خلال شق، واستيعاب بيليه الغذاء الصغيرة، وسحب بيليه في اتجاه الجسم حتى يتمكنوا من أكل بيليه. يتم تقييد إعداد المهمة ميكانيكيًا لضمان استخدام الكفة المهيمنة. يمكن تدريب الفئران بسرعة وفي وقت واحد، مع عملية تشكيل فقط تتطلب مدخلات يدوية. يمكن إدارة الاختبار بكفاءة وتحليله تلقائيًا. هذا التحليل السلوكي عالي الإنتاجية يحدد معدل النجاح ويتم تعديله بسهولة للتحليل المستقبلي للحركية وديناميات القوة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
دان تاش وأوري تاش من تحليل الخطوة، ذ م م صنعت جهاز المدرب التلقائي مع الدفع من ريتشارد ج. أوبراين وستيفن ر. زيلر.
Acknowledgments
تم بناء جهاز التدريب التلقائي من قبل جيسون دنثورن، أوري تاش، ودان تاش في Step Analysis، LLC، مع دعم مدخلات التصميم والتعليمات المقدمة من روبرت هوبارد، ريتشارد أوبراين، وستيفن زيلر.
قدمت تيريزا دوارتي من مركز شامبالينود للمجهول رؤية وأفكاراً قيمة حول وصف وتصنيف أعمال الوصول إلى الماوس.
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).
