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自动大鼠单丸到达与3维重建的爪子和数字轨迹

Article doi: 10.3791/59979

July 10th, 2019 •

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啮齿动物技能达到通常用于研究灵巧的技能,但需要大量的时间和精力来实现任务和分析行为。我们描述了一个自动化版本的熟练到达与运动跟踪和三维重建的到达轨迹。

此方法基于已建立的大鼠熟练到达协议，以自动化培训和测试，为相对快速获取大型数据集提供了有效手段。它最大限度地减少了实验者的努力，同时允许前肢运动学的三维重建。运动学可用于评估精确定时干预的效果，或与生理记录相关。

通过一些调整，该技术也可以应用于小鼠。首先打开灯，把老鼠放在熟练的接触室。使用钳子将颗粒通过盒子前面的到达槽。

允许大鼠从钳子中吃掉三粒。下次大鼠尝试从钳子中吃掉颗粒时，将颗粒拉回来，然后重复，直到大鼠用一只爪子到达颗粒，其中 11 只最达到指示爪子偏好。接下来，将颗粒输送杆与接触槽的侧面与大鼠首选的爪子相对对齐。

在输送棒上放置一个颗粒。然后用钳子用小丸子引诱大鼠，但将大鼠指向输送杆，以便其爪子击中杆上的颗粒。在大鼠试图达到10到达传递杆而不被诱饵后，将大鼠推进到下一阶段。

接下来，根据大鼠的爪子偏好定位颗粒输送杆，并设置其位置为二。使用执行器遥控器设置颗粒输送杆的高度位置。一旦输送杆达到正确的高度，按住所需的数字，直到指示灯呈红色闪烁以设置。

然后把老鼠放在房间里，用小丸子把老鼠引诱到后面。当大鼠向腔室的背面移动足够远，如果自动版本正在运行，它会断开红外光束，则将颗粒输送杆移动到位置三。最后，等待大鼠伸手寻找颗粒，然后将颗粒输送杆移回位置二。

如果脱落，在输送杆上放置新颗粒。重复这些步骤，逐渐诱饵大鼠越来越少，直到大鼠开始一个，移动到后面要求一个颗粒，而不被诱饵，和两个，立即移动到前面后，要求一个颗粒在后面。大鼠完成此操作 10 次后，开始执行自动化任务的培训。

要设置自动系统，请打开腔室中的灯并重新填充颗粒储液罐。根据大鼠的爪子偏好放置颗粒输送杆。检查执行器位置是否设置正确。

接下来，打开计算机并打开熟练的伸手程序。在主题下输入大鼠 ID 号，然后从手下拉菜单中选择爪子首选项。指定视频的保存路径。

然后设置会话时间和最大视频数。也设置颗粒提升持续时间，并启用早期到达惩罚。接下来，要拍摄校准图像，将伸出援助之手放在伸手室内，然后将鳄鱼夹戳穿到达槽。

用鳄鱼夹将立方体放在到达槽的前面。然后定位立方体，使红色一面出现在顶部镜像中，绿色面出现在左镜像中，蓝色面显示在右镜像中。在行为程序中，确保 ROI 阈值设置为非常大的值。

单击运行按钮，一旦相机初始化按钮变为绿色，按开始开始视频采集。单击"卡路里模式"，然后单击"拍摄卡尔图像"以拍摄图像。稍微移动立方体，然后拍摄另一个图像。

对总共三个图像重复重复。最后，通过单击"停止"停止，然后单击停止标志按钮来停止程序。从包装盒中取下援助之手和立方体。

当天拍摄校准图像后，注意不要撞到行为室中的任何东西。首先，将大鼠放在熟练的接触室中。单击白色箭头以运行程序。

然后通过调整 x 偏移、y 偏移、ROI 宽度和 ROI 高度来设置爪子检测 ROI 的位置。将 ROI 放在侧镜中，该侧镜直接在到达槽前面显示爪子的动头，然后单击"开始"以开始程序。当大鼠未到达时，调整低 ROI 阈值，直到实时 ROI 触发值在 0 和 1 之间振荡。

然后将 ROI 阈值设置为显著大于鼻子戳期间的实时 ROI 触发值，并在大鼠到达时低于实时 ROI 触发值。调整，直到视频在老鼠到达时持续触发，但当它通过插槽戳鼻子时，则不触发。监视前几个试验，以确保一切工作正常。

当大鼠在请求颗粒之前到达时，观察早期达到数量的增加。当大鼠在请求颗粒后到达时，观察视频数量增加，同时将视频副本保存为垃圾箱文件。最后，在到达会话时间或最大视频数后，按停止标志按钮。

结果表明，20天后，大鼠获得熟练的到达任务。此处显示单个会话的到达轨迹。这仅代表初始爪子提升，便于演示。

此外，如果爪子检测触发器未准确设置，则爪子破坏接触槽的框架存在显著变化，这可能导致在接触运动过程中触发干预时发生变异。除了小心处理动物，本协议中不会采取任何预防措施。最重要的是正确设置 ROI 阈值，以便在适当的时候触发视频或其他干预。

此方法可以与多种其他技术（如光遗传学、钙成像和遗传模型）配对，这些技术可以解决从基本运动控制到运动障碍病理生理学等各种问题。这项技术允许详细的接触和掌握运动学与生理记录或干预的相关性，使研究人员不仅回答是否，但运动如何改变与神经电路的变化。

自动大鼠单丸到达与3维重建的爪子和数字轨迹

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