Yöntem makalesi

Otomatik Eğitmen Kullanarak Farelerde Vasıflı Prehension'un Değerlendirilmesi

DOI:

10.3791/59784

⸱

12 Eylül 2019

 ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Neurology, Johns Hopkins University, 2Step Analysis, LLC, 3Department of Neurology, Duke University

Bu makalede

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Giriş

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Burada açıklanan tüm yöntemler Johns Hopkins Üniversitesi ACUC (Hayvan Bakım ve Kullanım Komitesi) tarafından onaylanmıştır.

1. Fare kafeslerinin kullanıma hazırlanması

  1. 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.
  2. 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.
  3. 0,8 cm genişliğinde ve 7 cm yüksekliğinde ki kafesin ön ortasından dikey bir çentik oluşturun ve farenin pençesine kafesten ulaşmasını bekleyin.
  4. 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.
  5. Faresi, çöplerin kafesten atLanmasını önlemek için test edilmezken her kafesin yuvasını bantla kaplayın.

2. Fareleri erişen harekete tanıtma

  1. 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.
    1. 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.
    2. 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.
  2. 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.
  3. 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.
    1. 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.
    2. 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.
    3. 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.
    4. 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.

3. Otomatik eğitmen kullanma

NOT: Otomatik eğitmenin donanım, yazılım ve fiziksel eylemlerinin tam açıklaması için lütfen Şekil 1-3 ve tartışma bölümüne bakın.

  1. Eğitim oturumuna hazırlanın.
    1. 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.
    2. Modifiye fare kafesini otomatik eğitmenin üzerine yerleştirin (Şekil 2). Kafes kapısını (Şekil 1)yapıştırın ve peleti manuel yordamda olduğu gibi yuvanın kenarına hizalayın.
  2. LabVIEW arabirimini kullanarak farenin eğitim oturumunu çalıştırın.
    1. Eğitim oturumu(Şekil 3 ve Tablo 2)ile ilgili verileri kaydetmek için gerekli olan giriş bilgileri.
      1. Fare Kimliği alanını tıklatın ve bilgisayarın klavyesini kullanarak her eğitim oturumunun dosya adını yazın.
      2. 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.
      3. 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.
      4. 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.
      5. 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.
      6. Toplanan verileri kaydetmek için dosya konumunu seçmek için Günlükleri İçeren Klasör'ü tıklatın.
      7. 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.
    2. 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.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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 otomasyo...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dan Tasch ve Uri Tasch Adım Analizi, LLC Richard J. O'Brien ve Steven R. Zeiler ödeme ile otomatik eğitmen cihazı imal var.

Teşekkürler

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
ABS FilamentÖzel 3D BaskılıN / Apelet tutucu, çerçeve, kol ve huni için kullanılır
ABS LevhaMcMaster-Carr8586K5813/8" kalınlık; Platform bileşenleri, konumlandırma standı kılavuzları ve tabanı için kullanılır
Adruino MiniAdruinoA000087nano versiyonu da uyumlu ve diğer benzer mikrodenetleyiciler
Tezgah Üstü Ayarlanabilir Yükseklik Konumlandırma StandıMcMaster-Carr9967T4335 lbs. yük kapasitesi
Şeffaf Akrilik Yuvarlak BoruMcMaster-Carr8532K14ID 3/8 "
Düşük Karbonlu  Çelik TelMcMaster-Carr8855K140.148 "  çap
Pelet DağıtıcıLafayette Enstrüman: Neuroscience80209-4545 mg değiştirilebilir pelet boyutu tekerleği ve isteğe bağlı stand
ile Photointerrupter Breakout Board SparkFunBOB-09322 ROHS,Keskin GP1A57HRJ00F
Yansıtıcı Nesne Sensörüiçin tasarlanmış Fairchild Yarı İletkenQRD1113fototransistör çıkışı
Servo MotorSparkFunS8213jenerik metal dişli (mikro boyut)
Geçirgen FotointerrupterKeskinGP1A57HRJ00Fboşluğu: 10 mm, yarık: 1,8 mm
,

Kaynaklar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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).
  2. 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).
  3. Zeiler, S. R., Krakauer, J. W. The interaction between training and plasticity in the poststroke brain. Current Opinion in Neurology. 26, 609-616 (2013).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Francis, N. A., Kanold, P. O. Automated operant conditioning in the mouse home cage. Frontiers in Neural Circuits. 11 (10), (2017).
  9. Balcombe, J. P., Barnard, N. D., Sandusky, C. Laboratory routines cause animal stress. Contemporary Topics in Laboratory Animal Science. 43, 42-51 (2004).
  10. Fenrich, K. K., et al. Improved single pellet grasping using automated ad libitum full-time training robot. Behavior Brain Research. 281, 137-148 (2015).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Dobrossy, M. D., Dunnett, S. B. The influence of environment and experience on neural grafts. Nature Review Neuroscience. 2, 871-879 (2001).
  14. 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).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Prehension TaskAuto Trainer SystemMouse Motor SkillFood Pellet RetrievalReach Distance MeasurementLabVIEW InterfaceBait Pellet SensorTraining Session DataNeurological Injury ModelsMotor Learning Assessment

İlgili makaleler