Summary
Eğitimin motor becerileri üzerindeki etkisini değerlendirme yöntemi yararlı bir araçtır. Ne yazık ki, çoğu davranışsal değerlendirme emek yoğun ve / veya pahalı olabilir. Burada farelerde prehension (kavrayabilmek) becerisini değerlendirmenin robotik bir yöntemini tanımlıyoruz.
Abstract
Naif fareleri yeni bir prehension (kavramaya ulaşmak) göreviyle tanıştıracak bir yöntemi tanımlıyoruz. Fareler, farenin kafesinden dışarı yada yiyecek peletlerini almasına izin veren bir ön yuvaya sahip kafeslerde tek başına yer alır. Minimal gıda kısıtlaması, fareleri yuvadan gıda alma gerçekleştirmeye teşvik etmek için kullanılır. Fareler yiyecek için yuvaya gelen ilişkilendirmek başlar gibi, pelet manuel uzantısı ve ön yuvasından pelet almak ve pençe pronasyon teşvik etmek için uzağa çekilir. Fareler yuvaya vardıklarında peletlere ulaşmaya başladıklarında, davranışsal titreşme, istenilen peleti başarıyla kavrayıp alma hızını ölçerek gerçekleştirilebilir. Daha sonra fare kavramak için gıda pelet sağlayan hem süreci otomatikleştirir bir otomatik eğitmen tanıtıldı, ve başarılı ve başarısız ulaşma ve kavrama girişimleri kayıt. Bu, en az çaba ile birden fazla fare için veri toplama sağlar, uygun olarak deneysel analizde kullanılmak üzere.
Introduction
Bir motor un ön ve sonrası nörolojik yaralanmayı deneysel olarak test etme ve motor eğitiminin zamanlamasını, miktarını ve türünü modüle etme yöntemleri çevirisel araştırmalar için önemlidir. Son on yılda, fareler, genetik manipülasyon görevli kolaylığı nedeniyle, hangi motor öğrenme mekanizmaları açıklamak için popüler bir model sistemi haline gelmiştir ön-ve sonrası yaralanma. Ancak, farelerde davranışsal tahliller gibi tahliller diğer memeliler (özellikle sıçanlar) için olduğu gibi optimize edilmemiştir. Ayrıca, bir fare nin davranışı ile iki türü farklı şekillerde eğitmenizi öneren bir fare ile fare arasında önemli farklar vardır1,2.
Yetenekli prehensile hareketleri ağızda yiyecek yerleştirmek için bir el / pençe kullanmak, bir nesne işlemek için, ya da bir araç kullanmak. Gerçekten de, günlük yaşamda çeşitli nesneleri kavramak için ulaşan üst uzuvların temel bir fonksiyonu dur ve ulaşmak-to-yemek hareket birçok memelilerin kullandığı bir prehension şeklidir. Prehensile beceri edinimi destekleyen genetik, fizyolojik ve anatomik değişikliklerin çoğu3. Preklinik bulguların klinik sonuçlara çevrilmesinde, verimli ve tekrarlanabilir ilgili bir test gerekir. Kemirgen ve insan alabilen çalışmalar prehension davranış insanlarda ve hayvanlarda benzer olduğunu göstermektedir4. Buna göre, bu benzerlikler prehension testi motor öğrenme yanı sıra bozuklukları ve insan hastalığı tedavilerini araştırmak için bir çeviri modeli olarak hizmet edebilir öneririz. Bu nedenle, farelerde prehension değerlendirilmesi hem sağlık hem de hastalıkdurumları4 inceleyen çeviriaraştırma güçlü bir araç sunabilir.
Ne yazık ki, farelerde prehension görev, küçük ölçekli laboratuvar ayarı için bile, zahmetli ve zaman alıcı olabilir. Bu sorunu hafifletmek için, burada prehension görevin otomatik bir sürümünü açıklıyoruz. Açıklanan görev fareler farenin ev kafesi frontal yuvası ile tek bir pençe uzatmak için, genişletilmiş pençe pronate, gıda pelet ödül kavramak ve tüketim için kafes iç pelet geri çekin gerektirir. Elde edilen veriler bir prehension başarı veya başarısızlık olarak sunulur. Bu otomasyon verileri başarıyla kaydeder ve araştırmacıların görevi devreye sokmaları gereken yükü ve zamanı azaltır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Burada açıklanan tüm yöntemler Johns Hopkins Üniversitesi ACUC (Hayvan Bakım ve Kullanım Komitesi) tarafından onaylanmıştır.
1. Fare kafeslerinin kullanıma hazırlanması
- Şekil 1'degösterildiği gibi, her kafesin ön ucundaki tabandan 0,8 cm genişlik ve 7 cm yükseklikte oluklu bir açıklık oluşturun. Bu yuva, hayvanın ulaşacağı açıklık görevi görededir.
NOT: Otomatik eğitmen, çoğu hayvan araştırma tedarik satıcıları tarafından sağlanan standart fare kafesi boyutları (Şekil 1'degösterildiği gibi) ile kullanım için tasarlanmıştır. Ayrıca, otomatik eğitmen kolayca diğer kafes tipleri destekleyecektir. - Her bir kafesin içinde, farelerin ayakta durmasına ve sunulan peletlere ulaşmasına izin vermek için yuvaya bitişik bir platform ekleyin. Platformun kafes çöp tabanının üzerinde, yaklaşık 3 cm yüksekliğinde olduğundan emin olun. Superglue ile yapıştırılmış ve yaklaşık 10 cm x 15 cm metal bir levha ile kaplı Petri yemekleri kullanın, ancak bir fare ulaşmak için durmak için yeterince büyük herhangi bir düz yüzey yeterli olacaktır.
- 0,8 cm genişliğinde ve 7 cm yüksekliğinde ki kafesin ön ortasından dikey bir çentik oluşturun ve farenin pençesine kafesten ulaşmasını bekleyin.
- İnce bir metal levhadan (yaklaşık 2 mm kalınlığında) bir kafes kapısını 5 cm x 10 cm ölçülerindeki dikdörtgenler halinde keserek hayvanın ulaşacağı tek tip bir açıklık görevi görelim.
NOT: Fareler, açıklığın boyutunu değiştirecek plastik kafesleri çiğneyebilirler. Fare, bant kullanılarak test sırasında kafesin oluklu açıklığına yerleştirildiğinde fare bu 0,8 cm'lik yuvaya ulaşarak kafesler arasındaki yuvanın etkin genişliğini koruyacaktır. - Faresi, çöplerin kafesten atLanmasını önlemek için test edilmezken her kafesin yuvasını bantla kaplayın.
2. Fareleri erişen harekete tanıtma
- Her farenin başlangıç ağırlığını kaydedin ve hedef ağırlıklarını bulmak için bu değerin %85'ini hesaplayın ve sonuç daha azsa 20 g'a kadar yuvarlayın. Onları getirmek ve daha sonra bu hedef ağırlığı korumak için bir besleme rejimi verin.
- Her fareye ilk gün 2,5 g pelet verin ve 24 saat sonra ağırlıklarındaki herhangi bir değişikliği not edin.
NOT: Fareleri günde bir kez tartın ve günde 0,25-1 g ağırlık düşüşü bekleyin. - Kademeli kilo kaybına (günde 0,8 g'dan az zarar) neden olmak ve ardından ortaya çıkan hedef ağırlığını korumak için, bu ilk değişiklik ve her farenin ağırlığındaki sürekli değişikliklere bağlı olarak, her farenin günlük akışını gerektiği gibi değiştirin. Etkili olmak için günde üç ila altı 500 mg pelet (1,5 ila 3,0 g) arasında değişir.
NOT: Fareler protokol boyunca hedef ağırlıklarını korumak için bu diyette kalırlar.
- Her fareye ilk gün 2,5 g pelet verin ve 24 saat sonra ağırlıklarındaki herhangi bir değişikliği not edin.
- Bir fare hedef ağırlığına ulaştığında, her fareyi tamamlayıcı bir gıda peleti için kapılı yuvaya gelme konseptiyle tanıştırın. Pelet yüzeyine 45 mg pelet yerleştirerek bir eğitim oturumu başlatın, doğrudan yuvanın önünde, ve her fare nin onu almasına izin verin. Çoğu fare 1-2 gün içinde bu beslenme düzenine göre karşılanacaktır.
- Fare açık bir yuvayı beslenerek ilişkilendirdikten sonra, onları ağız yerine pençeyle ulaşmaya teşvik edin.
NOT: Bu en karmaşık adımdır, 1-2 gün sürer ve yanlışlıkla farelerde ters etki davranışı aşılamak çok kolaydır; daha fazla bilgi ve tavsiye için lütfen tartışma bölümüne bakın.- Bir çift cımbız kullanarak, farenin daha önce pelet aldığı pozisyonda bir pelet tutun. Fare pelet için ısırmaya başladığında, pelet ağzına ulaşamayacağı şekilde yaklaşık yarım santimetre çekin.
NOT: Hedef ağırlığındaki bir fare, ulaşılmaz peleti almaya çalışır. Fare bir pençeyi yuvaya uzattığında, peleti yemesine izin vererek bu davranışı pekiştirin. Bazı fareler yiyecek için uzanan diğer üzerinde bir pençe için bir tercih gösterebilir. - Deneye yardımcı olmamakla birlikte, sol veya sağ patinin tercih edilip edilemediğini kaydedin. Bu potansiyel davranışsal tsömedin daha yüksek genel başarı oranları için izin verebilir; alternatif olarak, her fare aynı pençe ile ulaşmak için zorlayarak bir değişken ortadan kaldırmak.
NOT: Fareler tercih ettikleri pençeyi kullanırsa daha iyi sonuçlar elde edilir. - Her fare bir pelet yeme ile bir pençe uzanan ilişkilendirmek gibi, daha fazla ağız ve dil ile pelet almak için girişimleri yanıt olarak pelet tutarak bu davranışı güçlendirmek. Fareler 2-3 gün içinde bu düzenlemeye uymaya başlayacaktır.
- Kafes kapısının dış kenarından 1 cm'nin hemen altında 45 mg pelet yerleştirerek istenilen pençe ulaşma davranışının girişini sonuçlandırın, peletin en sol veya sağ noktası (ister araştırmacıdan kafes yuvasının sağında veya solunda olsun) 'nin perspektifi, sırasıyla) kafes kapısının yuvasının kenarından dışarı yayılan bir çizgiye teğettir. Farenin pençe uzantısı dışında başka bir yöntemle denemesi gerekiyorsa, farenin peleti kaldırmaya ve tüketimini önlemeye karşı dikkatli olması nedeniyle farenin peleti almaya çalışmasına izin verin.
NOT: Bir fare sürekli olarak kapmak için bir pençe uzattığında ve sağlanan pelet dokunmak mümkün olduğunda, aşağıda açıklanan otomatik eğitmen ve ilişkili davranışsal testi kullanarak test etmek için hazırdır. Naif tanıtımlardan hazırlıklı olmaya kadar olan süre fareler arasında değişecektir; anlaşılması iki haftadan fazla sürerse, bunlar veri kümesinin dışında tutulmalıdır.
- Bir çift cımbız kullanarak, farenin daha önce pelet aldığı pozisyonda bir pelet tutun. Fare pelet için ısırmaya başladığında, pelet ağzına ulaşamayacağı şekilde yaklaşık yarım santimetre çekin.
3. Otomatik eğitmen kullanma
NOT: Otomatik eğitmenin donanım, yazılım ve fiziksel eylemlerinin tam açıklaması için lütfen Şekil 1-3 ve tartışma bölümüne bakın.
- Eğitim oturumuna hazırlanın.
- Yem pelet sensörünü kalibre edin. LabVIEW arabiriminde Çalıştır okunu tıklatın ve pelet ile ve yerinde olmadan hem de okuma yem pelet sensörü ne not. Bu test çalışmasını durdurmak ve yem pelet sensörü hedefini bu iki okuma arasındaki bir değere değiştirmek için Durdur düğmesini tıklatın(Şekil 3 ve Tablo 2). Çoğu aydınlatma koşulları 1 ile 4 arasında bir okuma sağlar.
- Modifiye fare kafesini otomatik eğitmenin üzerine yerleştirin (Şekil 2). Kafes kapısını (Şekil 1)yapıştırın ve peleti manuel yordamda olduğu gibi yuvanın kenarına hizalayın.
- LabVIEW arabirimini kullanarak farenin eğitim oturumunu çalıştırın.
- Eğitim oturumu(Şekil 3 ve Tablo 2)ile ilgili verileri kaydetmek için gerekli olan giriş bilgileri.
- Fare Kimliği alanını tıklatın ve bilgisayarın klavyesini kullanarak her eğitim oturumunun dosya adını yazın.
- Tek bir deneme için kaç pelet dağıtılanları kontrol etmek için Rutin sırasında Dağıtmak için Toplam Peletleri tıklatın (genellikle 20 - 30). Bunu yapmak için yukarı ve aşağı okları tıklatın veya bilgisayarın klavyesini kullanarak numarayı girdin.
- Belirtilen pelet dalış tahtasından çıkarıldıktan sonra 5 s duraklama ayarlamak için Pelet Numarası ndan Sonra Duraklat alanını tıklatın. Bunu yapmak için yukarı ve aşağı okları tıklatın veya bilgisayarın klavyesini kullanarak numarayı girdin.
- Bir peletin dalış tahtasından çıkarıldığı ve yeni bir peletin dağıtılanın zamanı arasında duraklatma süresi ayarlamak için Duraklatma Uzunluğunu tıklatın. Bunu yapmak için yukarı ve aşağı okları tıklatın veya bilgisayarın klavyesini kullanarak numarayı girdin
NOT: Genellikle 1 s uygun bir duraklama zamanıdır. Fareler her pelet dağıtıldıktan sonra endişeliyse, Duraklatma Uzunluğu alanını kullanarak duraklama uzunluğunu n 5 s'ye çıkarman tavsiye edilir. - Peletin Erişim Mesafesi alanına yerleştirildiği mesafeyi el ile kaydedin. Bunu yapmak için yukarı ve aşağı okları tıklatın veya bilgisayarın klavyesini kullanarak numarayı girdin
NOT: Hızlanma ve Zaman Dizilerinin Boyutu hata ayıklama amacıyla açıkta dır ve yoksayılabilir. - Toplanan verileri kaydetmek için dosya konumunu seçmek için Günlükleri İçeren Klasör'ü tıklatın.
- Bilgi alanları dolduruldıktan sonra, eğitim oturumuna başlamak için Çalıştır düğmesini tıklatın. Otomatik eğitmen tek tek pelet dağıtmak ve toplam pelet sayısı dağıtılana kadar huni üzerinden düşmek olup olmadığını izlemek, ve son pelet ya alınan ya da fare tarafından düştü. Program bu noktada otomatik olarak durur. Gerekirse, Durdur düğmesine tıklayarak da zamanından önce durdurulabilir.
- Yazılım kurulduktan sonra, farenin ev kafesini kaide üzerinde test edilecek şekilde yerleştirin ve fareyi gözlemleyin, böylece farenin gerekli romana ulaşma davranışını gerçekten deneyip denemeyi öğrenip öğrenmediğini ölçebilirsiniz. Çalıştır düğmesini tıklattıktan sonra, farenin yuvayı ve yeni, yabancı çevresini araştırmasına izin verin.
NOT: Fareleri ulaşma kavramıyla tanıştırırken olduğu gibi, bazı farelerin diğerlerinden daha uyumlu olmasını bekleyin. Kavramı kavrayan fareler 5-10 dakika içinde ulaşmaya çalışmalı ve otomatik eğitmenin hareketini sunulan peletle ilişkilendirecektir, çünkü bu protokolün ilk aşamalarında ortaya çıkarılan bir yuvayı gıdayla ilişkilendirdikleri zaman.
- Eğitim oturumu(Şekil 3 ve Tablo 2)ile ilgili verileri kaydetmek için gerekli olan giriş bilgileri.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Genel olarak, her eğitim oturumukullanıcı tarafından ayarlanabilen, otomatik eğitmen tarafından otomatik olarak çalıştırılan ve oturum ve fare başına tek bir günlük dosyasına kaydedilebilen yaklaşık 20-30 denemeden oluşması önerilir. Her deneme art arda, birbiri ardına, 2-5 s duraklama ile çalıştırılabilir. Oto-eğitmen üzerinde eğitilmiş fareler 10 eğitim oturumları üzerinde beceri bir artış sergiler.
Otomatik eğitmenin yararını manuel eğitimle karşılaştırmak için (altın standart olarak kabul edilen) yetişkin erkek C57bl/6 farelerini 100 ila 140 günlük fareleri manuel olarak ve otomatik eğitmenkullanarak eğittik. Tüm hayvan işleme ve kullanımı Johns Hopkins Üniversitesi Hayvan Bakım ve Kullanım Komitesi'nin onayı ile gerçekleştirildi. Oto-eğitmen ile eğitilmiş fareler prehension görevi öğrendi ve motor beceri açık bir artış sergilemek(Şekil 4). Becerideki bu artış, hayvanın otomatik eğitmen kullanmadan elle eğitildiği zaman görülene benzer (Şekil 4). Bu veriler için, fare yarık aracılığıyla ön kaşıma ulaştığında, pelet yakaladı ve dinlenme alanından vurmadan, bırakarak, ya da başka bir şekilde kontrolü kaybetme den onu yediğinde manuel prehension başarılı olarak puanlandı. Başarılı prehension girişimlerinin yüzdesi pelet başına belirlendi. Her pelet birer birer sunulan 1 cm mesafede 30 peletten oluşan bir eğitim bloğu. Oto-eğitmen üzerinde eğitilmiş fareler yukarıda açıklanan protokole göre eğitildi. Şekil 4'teki her nokta, hayvanların 30 pelete ulaştığı ve yüzde doğru olarak grafiklendirildiği bir eğitim gününü temsil eder. Parametrik olmayan bir t-testi kullanılarak iki çizgi arasında istatistiksel bir fark yoktu ve birden fazla karşılaştırma için düzeltme yapıldı.
Şekil 1: Ev kafesinin örnek resimleri. (A) Standart bir ev kafesi kuş bakışı görünümü platformu ile modifiye (turuncu) ve kafesin önünde yuva. (B) Yaklaşık 0,8 cm x 7 cm.(C)kafes kapısı ince bir levhadan kesilmiş ve kenarları korumak için bantla sarılmış oluklu bir açıklıkla modifiye edilmiş bir ev kafesinin ön görünümü. (D, E) kafes kapısı fare ulaşmak için hangi aracılığıyla tek tip bir açılış olarak hizmet vermek için yuvanın önüne yerleştirilir; ön (D) ve eğik (E) görünümleri sağlanır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2 : Auto-Trainer örnek resimleri. (A, B) Resimde olmadan otomatik eğitmen (A) veya (B) yerinde değiştirilmiş bir fare kafesi vardır. (C-J) (C,D,H,I)veya yandan(E,F,G,J),(D,E,F,I)veya olmadan(C,G,H,J)bir gıda peleti ile veya olmadan görülen dalış tahtası gıda peleti tasarımının ayrıntılı görünümleri. Dalış tahtasından kafes mesafesi değiştirilebildiği için hayvandan pelet mesafesinin kolayca değiştirilebildiğini unutmayın. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3 : Yazılımın ekran görüntüsü. Otomatik eğitmen çalıştırmak için kullanılan programın ekran görüntüsü. Görüntü, protokolde açıklanan önemli giriş alanlarını gösterir. Daha fazla açıklama için Tablo 2'ye bakın. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4 : Temsili veriler. Vasıflı prehension, hem otomatik eğitmen hem de manuel eğitim paradigmaları kullanılarak benzer platolu seviyeye yükselir. Çizim, erişim-kavrama başarısını gösterir (ortalama +/- SEM; manuel: gri, n = 14; otomatik eğitmen: siyah, n=15). Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
| Adım | Tahmini Süre (gün içinde) | Yorum |
| 2.1 Kilo Kaybı | 3 ile 5 arası | Intial ağırlığına bağlı olarak ve bu nedenle, hedefe kadar ne kadar kilo vermek |
| 2.2 Slot eğitimi | 1 | Fareler yemek için açık yuvaya yaklaşırken uygun hissetmeyi öğrenirler |
| 2.3 Şekillendirme | 4 ile 8 arası | |
| 2.3.1 Pati kullanımı | 1 | Başarı burada hızlı bir şekilde fare sonra pelet sağlayan bağlıdır, onun gıda yalanladı, pelet için paaws. |
| 2.3.2 Pati Tercihi | 1 | Farenin sol veya sağ pençeyi tercih edip almadığını sapta. |
| 2.3.3 Kötü pençe kullanımının kısıtlanması | 2 ile 3 arası | Önceki adımda olduğu gibi, ağız ve dil ile alma önlemek için önemlidir. |
| 2.3.4 Cımbız | 1 | Bazı fareler cımbız yerine kendi başlarına pelet alarak tökezlemek, onları biraz daha az beslemek |
| 3. Otomatik eğitim | 10 ile 15 arasında | Asumptote'ye günler kaldı. |
Tablo 1: Otomatik eğitmenkullanarak fare eğitimi takvimi.
| GIRIŞ Alanı | Kullanın |
| Fare Kimliği | Toplanan verilerin kaydedileceği dosya adını girdirin. |
| Rutin Sırasında Dağıtılağacak Toplam Pelet | Eğitim oturumu sırasında dağıtılacak toplam pelet sayısını girdi. |
| Pelet Numarasından Sonra Duraklat | Amortismana erdirilmiş fonksiyon. Belirtilen pelet dağıtıldıktan sonra eğitim oturumunu duraklatmak için kullanılabilir. |
| Duraklatma Uzunluğu (lar) | Duraklamanın süresi uzun sürer. |
| Erişim mesafesi (mm) | Farenin peleti almak için ulaşması gereken minimumdaki mesafeyi kaydedin. Varsayılan olarak sıfır. |
| İvmeölçer ve Zaman Dizilerinin Boyutu | Hata ayıklama amacıyla açıkta olan işlev. Varsayılan değeri 500'de tutun. |
| Günlükleri İçerecek Klasör | Toplanan verilerin nerede kaydedildiğini seçmek için klasör simgesini tıklatın. |
| Cihaz adı | Donanımı yazılıma bağlayan LabVIEW işlevi. Varsayılan olarak Dev1'e. USB bağlantılarına bağlı olarak, donanım açılır menüde başka bir numaranın altında görünebilir; çalışana kadar cihazları seçin. |
| Ok düğmesi, sol üst | İster bir eğitim oturumu ister kalibrasyon için programı çalıştırmak için tıklatın. |
| İşaret düğmesini durdur, sol üstte | Programı zamanından önce durdurun. |
Tablo 2: Yazılım arabirimi.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Otomatik eğitmenimiz forelimb reach-to-grasp (prehension) ile otomatik bir şekilde değerlendirir. Bu bitiş noktasına ulaşmak için, pelet yerleştirme, pelet boyutu ve eğitim kriterleri de dahil olmak üzere fare prehension görevi için tasarlanmış parametrelerin çoğu, birkaç yıl içinde yinelenmiş ve önceki protokollerden uyarlanmıştır2,5 ,6. Buradaki ilerleme, ev kafesi muhafazasına izin veren bir robot kullanarak görevin otomasyonudur. Ev kafesi muhafaza fareler sakin kalmak ve daha az anksiyete ile görevi gerçekleştirmek için izin verir. Ev kafesi dışı eğitim artan zaman alabilirsiniz artan stres ile ilişkilidir ve azaltılmış hassasiyet7,8,9. Biz burada hassas manuel ev kafesi eğitim5,7,8ile kendi sonuçlarını andıran göstermek. Ev kafesi eğitimi sıçan için var olmasına rağmen10, bizim bilgimize göre, bu onların ev kafesi fareler eğitim yararlanır ilk otomatik eğitmen.
Bizim otomatik eğitmen üzerinde oluklu kafes dinlenir ve alçaltılabilir veya bir gıda pelet tutucu (ayrıca bir dalış tahtası olarak anılacaktır) ile hizalama için uygun yüksekliğe yükseltilmiş ayarlanabilir bir platform içerir. Pelet dağıtım sistemi, yiyecek peletini dalış tahtası tutucusuna yerleştirir. Gıda pelet tutucusu, dalış tahtası tutucusunda bir gıda peletinin bulunup bulunmadığını tespit etmek için yansıtıcı nesne sensöründen oluşan bir yem pelet sensörüne sahiptir. Işık hassasiyeti sorunları nedeniyle, yansıtıcı nesne sensörü kurulumda laboratuvarın aydınlatma ortamına uyacak şekilde kalibre edilebilir. Her farenin kafesi otomatik eğitmenüzerine, peletin iç kenarı kafes kapısının yuvasının dış kenarı ile aynı hizada olacak şekilde, yukarıda ayrıntılı olarak belirtilen manuel yordamın 2.3.4. Dalış tahtası pelet tutucunun altındaki bir hunide zıt yönlere yönelen iki kayıp pelet sensörü düşen peletleri algılar. İki kayıp pelet sensörünün işe yarar bir yararı, farklı boyut ve şekillerde çeşitli gıda peletler için yüksek algılama doğruluğu sağlar olmasıdır. Her iki kayıp pelet sensörleri, temas gerektirmeden düşen bir peletin hareketini algılamak için delik tasarımı olan standart bir geçirgen fotoğraf kesiciden oluşur.
Yazılım otomatik eğitmen çalıştıran ve başarıları ve başarısızlıkları hakkında veri toplayan bir program oluşur. Kullanıcı girişi, verilerin kaydedildiği dosya konumundan, bir eğitim oturumunda kaç pelet dağıtıldığından, belirli bir pelet dağıtıldıktan sonra eğitim oturumunu duraklatma seçeneğinden, artan mesafeyi (varsa) kaydetmek için bir alandan oluşur. fareye ve programın hesaplamalarında kullanılan dizi boyutunu denetlemek için bir alana ulaşması gerekir (normal kullanım sırasında yoksayılabilir). Ayrıca, yazılım gerektiğinde ışık hassasiyetini yeniden kalibre etmek için kullanıcının dalış tahtası yansıtıcı nesne sensörü ayarlamak için izin sağlar. Her denemenin çıktısı kullanıcıya görüntülenir ve daha sonra almak üzere bir günlük dosyasına kaydedilir.
Tek bir deneme, fareden eylemle uzaklaştırılana kadar dalış tahtasında geçirilen tek bir yemek peletinin zamanını oluşur. Bir pelet yem pelet sensörü tarafından belirlenen dalış tahtası bırakır ve pelet kısa bir süre sonra kayıp pelet sensörleri tarafından huni üzerinden düşen tespit edilirse, yazılım tarafından başarısız bir deneme olarak kaydedilir. Yem pelet sensörü peletin dalış tahtasından ayrıldığını belirlerse, ancak kaybolan pelet sensörlerinden herhangi biri tarafından düşen bir nesne tespit edilmemişse, fare tarafından kafese çekilmiş olduğu ve başarılı bir deneme olarak sayıldığı varsayılır.
Bu formülasyon, görevin dolaylı olarak değil, doğrudan yerine doğrudan gerçekleştirilen bir davranışsal bir tayini tasarlamak yararlı olduğundan kullanılır. Bu şekilde, görevin ne olduğu konusunda hayvanın tarafında hiçbir belirsizlik yoktur (örneğin, aç olmak, yiyecek bulmak, yemek almak, yemek yemek yemek). Böyle bir paradigma kullanan birçok görev arasında, prehension görev bu tür değerlendirmeler için oldukça popüler hale gelmiştir. Görev sadece bir hayvan ulaşmak ve hayvan daha sonra tüketim için ağzına getiriyor tek bir gıda maddesi, kavramak için tek bir uzuv kullanmak gerektirir. Prehension görev çok birçok memeliler tarafından kullanılan bir günlük davranış benzer bir davranış değerlendirir. En önemlisi, prehension görev insan motor davranışı benzer4. Bu genelleştirilebilirlik, davranışın klinik öncesi değerlendirmesinden elde edilen ilkelerin hastalık durumlarında klinik olarak geçerli olduğu beklentisini artırır. Örneğin, yetenekli ön ve el kullanımındaki bozukluklar inme, Huntington hastalığı, Parkinson hastalığı ve multipl sklerozda görülür. Böylece, davranış açıkları modelleme ve farelerde sonraki kurtarma insan kurtarma anlamak için paha biçilmez ve nasıl teşvik edilebilir2,11,12,13.
Auto-trainer birçok yönü burada büyük ölçüde araştırma sürecine yarar önerdi. İlk olarak, çoğu davranışsal tahliller yakından eğitmek ve pahalı olabilir günlük oturumları izlemek için bir deneyci gerektirir, emek yoğun ve engelleyici zaman alıcı. Otomatik eğitmenimiz davranışsal verilerin bir deneyciden bağımsız olarak toplanmasına izin verir. İkinci olarak, otomatik eğitmenimiz birden fazla farenin eğitilmesine ve objektif, verimli ve eş zamanlı olarak değerlendirilmesine izin vererek zaman ve çabayı en aza indirebilir. Üçüncü olarak, otomatik eğitmen düşük maliyetli çoğaltma ve büyük ölçekli ve verimli test için aynı anda birden fazla otomatik eğitmenler kullanımına izin verir.
Dikkatli bir denetim gerektiren kritik noktanın eğitimin şekillendirme aşaması olduğu unutulmamalıdır. Özellikle, bu protokolün baş zayıflığı kötü kullanım riski bazı fareler11sabit olma . Protokol, görevde başarılı olan merdiven basamak testi gibi testleri taklit etmeyi amaçlamaktadır. Ancak, görevin kendisi yine de merdiven basamak testinin aksine, protokolün 2.3. Bir farenin bu görevi öğrenirken tökezlemesi için en olası kavram, pençeyi kafesten dışarı uzatarak pençeyi kullanarak peleti kavramaktır. Adım 2.3.1 ilk oturumda, fareler sadece kendi kafes bir pençe uzatmak için ödüllendirilmelidir. Ancak, aşağıdaki birkaç gün içinde, araştırmacılar sadece pençe uzanan için daha az fareler ödüllendirmek için dikkat etmelidir, ve pençe uzanan ve pelet dokunmadan daha fazla, biz adım 2.3.3 olarak açıklar.
Farelerin yaklaşık %5'inin bu aşamayı geçememesi, genellikle besin peletini çekmek için basamaklarının sınırlı bir şekilde uzatılması nedeniyle. Bu tür fareler pelet gerçek konumu çok az dikkate alınarak bir veya her iki pençeleri ile başarısız olacak, çok az veya hiç yararlı veri sağlayan. Bu aşamada bir farenin hata potansiyelini en aza indirmek için, öğrenme işlemi sırasında peleti cımbızla çekerken dikkatli olunması önerilir. Özellikle, fare gıda ile ödüllendirilmelidir sadece bir pençe uzanır, ama aynı zamanda bu pençe pelet kavrar ve araştırmacı nın memnuniyeti için yeterli güç uygular. Bu aşamada potansiyel başarısızlık için benzer bir risk onlara doğru pelet yalamak için dillerini kullanarak fareler tarafından poz edilir. Yalamak eğilimindedir eğitim fareler, daha yanal yuvadan uzak pelet yerleştirin. Fareler daha büyük bir yan mesafe üzerinde dil ile ulaşmak zor bulacaksınız, ancak kol ve pençe hareket aralığı mesafe kapatma yeteneğine sahiptir.
Açıklanan protokolümüz farklı laboratuvar ortamlarına veya farklı veri toplama yöntemlerine kolayca genişletilir. Otomatik eğitmen, örneğin, bir emek tasarrufu cihazı olarak çok yararlıdır, ancak pelet sağlanabilir ve başarıları / başarısızlıkları elle kaydedilebilir gibi, veri toplama için kesinlikle gerekli değildir. Bireysel erişimler, örneğin her farenin yaklaşma açısı, pelete dokunmayan erişim girişimlerinin sayısı veya geri alma mekaniği göz önünde bulundurularak, sadece başarı/başarısızlıktan daha ayrıntılı bilgilere göre sınıflandırılabilir. hareket, son yıllarda daha fazla ilgi gördü14. Hayvanın pelet alabilme yeteneği sadece bir ölçüdür. Ek donanım kullanarak, aynı zamanda hayvanın uzuv hareketlerinin hızını, açısını ve yörüngesini ölçebileceğiz. Bu kinematik, nörolojik yaralanma dan önce ve sonra motor öğreniminin önemli bir yönüdür. Bu amaçla, şu anda farenin kavrama eyleminin hareket ve kinematiği analiz etmek için çeşitli yeni araçlar bir araya geliyoruz. Kavramanın kinematik ölçümlerini elde etmek ve kavrama ile ilişkili kuvvet ve kütle verilerini ölçmek için gıda pelet tutucuya basınç dönüştürücüleri ve ivmeölçerler takmak için yüksek hızlı kameralar kullanarak araştırıyoruz. Bu yeni özellikler önemli veri toplamak için otomatik eğitmen işlevselliğini artıracak basit bir geçiş geçti veya deneme başarısız ve hastalığın ilerlemesi ile farenin kavramak yürüyüş göstermek yardımcı olur. Gelecekte, nörolojik yaralanma sonrası rehabilitasyonun tipini, dozunu ve zamanlamasını değerlendirmek için robot destekli prehension görevini bir platform olarak kullanıyor olacağız. İlerleme kaydedince, yanlış davranışları azaltmaya ve görev edinme oranını ve eğitim süresini iyileştirmeye yardımcı olacak iyileştirmelerle görevi geliştirmeye devam edeceğiz.
Özetle, farelerde üst forelimb prehension beceri değerlendirmek için yeni bir otomatik eğitmen geliştirdik. Görev fareler bir yarık ile pençe ulaşmak için, küçük bir gıda pelet kavramak ve pelet yiyebilirsiniz böylece vücut yönünde pelet çekin gerektirir. Görev kurulumu mekanik baskın pençe kullanımını sağlamak için sınırlıdır. Fareler hızlı ve aynı anda eğitilebilir, sadece şekillendirme işlemi manuel giriş gerektirir. Test verimli bir şekilde uygulanabilir ve otomatik olarak analiz edilebilir. Bu yüksek iş gücü davranışsal tahlil başarı oranını ölçer ve kinematik ve kuvvet dinamiklerinin gelecekteki analizi için kolayca değiştirilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Dan Tasch ve Uri Tasch Adım Analizi, LLC Richard J. O'Brien ve Steven R. Zeiler ödeme ile otomatik eğitmen cihazı imal var.
Acknowledgments
Otomatik eğitim cihazı Jason Dunthorn, Uri Tasch ve Dan Tasch tarafından Step Analysis, LLC'de, Robert Hubbard, Richard O'Brien ve Steven Zeiler tarafından sağlanan tasarım girdi desteği ve talimatlarıyla inşa edilmiştir.
Champalimaud Bilinmeyenler Merkezi'nden Teresa Duarte, farenin ulaşma eylemlerini tanımlama ve kategorize etme konusunda değerli bilgiler ve fikirler sağladı.
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).
