A tarefa de supinação de botão: Um método semi-automático para avaliar a função do Forelimb em ratos

Behavior
 

Summary

Este manuscrito descreve uma tarefa semi-automático que quantifica a supinação em ratos. Ratos alcançar, agarrar e supinate um manipulandum esférica. O rato é recompensado com uma bola, se o ângulo de curva exceder um critério definido pelo usuário. Esta tarefa aumenta a taxa de transferência, sensibilidade à lesão e em relação às tarefas tradicionais de objetividade.

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Butensky, S. D., Bethea, T., Santos, J., Sindhurakar, A., Meyers, E., Sloan, A. M., Rennaker II, R. L., Carmel, J. B. The Knob Supination Task: A Semi-automated Method for Assessing Forelimb Function in Rats. J. Vis. Exp. (127), e56341, doi:10.3791/56341 (2017).

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Abstract

As tarefas que medem com precisão a destreza em modelos animais são de fundamental importância compreender a função da mão. Tarefas comportamentais ratazana atuais que medem a destreza em grande parte usam análise de vídeo de manipulação atingindo ou comida. Enquanto essas tarefas são fáceis de implementar e são robustas através de modelos de doença, eles são subjetivos e trabalhoso para o experimentador. Automatizando tarefas tradicionais ou criando novas tarefas automatizadas pode fazer as tarefas mais eficiente, objetiva e quantitativa. Desde que os ratos são menos hábeis que os primatas, centrais nervoso de lesão do sistema (CNS) produz mais sutis déficits na destreza, no entanto, supinação é altamente afetado em roedores e crucial à mão função em primatas. Portanto, nós projetamos uma tarefa semi-automático que mede supinação do membro anterior em ratos. Ratos são treinados para alcançar e agarrar um manipulandum em forma de botão e transformar o manipulandum em supinação para receber uma recompensa. Ratos podem adquirir a habilidade dentro de 20 ± 5 dias. Enquanto a primeira parte do treinamento é altamente fiscalizada, muito do treinamento é feito sem supervisão direta. A tarefa confiantemente e reproducibly captura déficits sutis após lesão e mostra recuperação funcional que reflete com precisão as curvas de recuperação clínica. Análise de dados é executada pelo software especializado através de uma interface gráfica do usuário que é projetado para ser intuitivo. Também damos soluções para problemas comuns encontrados durante o treinamento e mostrar que pequenas correcções de comportamento no início de treinamento produzem aquisição confiável de supinação. Assim, a tarefa de supinação botão fornece uma avaliação eficiente e quantitativa de um movimento crítico para destreza em ratos.

Introduction

Uma perda de destreza após lesão do sistema nervoso ou doença diminui significativamente independência e qualidade de vida para os indivíduos afetados 1,2,3,4. Assim, a destreza é uma medida de resultado importante para compreender a ciência neural reparação e reabilitação como bem as bases do controle neural do movimento e aprendizagem motora. Tradicionalmente, tarefas manuais como única pelota atingindo, manipulação de massas e Irvine, Beatties e Bresnahan (IBB) Forelimb escala tem sido usadas para avaliar a destreza em animais, especificamente roedores 5, 6,7. Essas tarefas que tornam-se popularizou devido ao seu tempo de aquisição de tarefa mínima. No entanto, eles são qualitativos na natureza, trabalhosa para o experimentador e, por vezes, insensíveis ao comprometimento funcional após lesão com déficits sutis 5,7,8,9. Essas limitações das tarefas tradicionais têm estimulado o desenvolvimento de mais medidas quantitativas da função motora em animais, especificamente, atingindo o membro anterior.

Existem várias vantagens para automatizar tarefas, objetividade, maior throughput e tempo de diminuição da análise. Novas tarefas automatizadas fornecem uma medida mais sensível de avaliação da destreza após lesão que tarefas convencionais 8,10. Além disso, eles permitem treinamento adaptativo e testes que adapta o treinamento e teste de dificuldade para o desempenho do animal. Por último, tarefas automatizadas geram grandes quantidades de dados, que fornecem duas vantagens. Em primeiro lugar, o aumento em ambos os dados dentro de um julgamento e do número de ensaios aumenta o poder estatístico do estudo. Em segundo lugar, dá um conjunto de dados maior do que para estudar a aprendizagem motora, treinamento e compensação mais robustamente através da análise da cinética e cinemática informações 11-neurocientistas.

Vários grupos tentaram automatizar tarefas tradicionais. Câmeras de alta velocidade podem ser usadas para coletar dados cinemáticos das tarefas como a única pelota atingindo tarefa 12. Alaverdashvili e Wishaw usaram câmeras de alta velocidade para capturar os movimentos de alcançar e analisar movimentos dígito usando software de medição de movimento do frame-por-frame Peak Motus 13. No entanto, este software não identifica dígitos utilizando visão computacional, mas em vez disso, exige o experimentador digitalizar pontos se movendo pelo cursor. Além disso, algumas tarefas têm sido usadas em conjunto com comedouros e gaiolas para automatizar o processo de formação 14,15,16.

Outros grupos usaram sensores de força, bem como câmeras de alta velocidade para avaliar ajustes espaciais e força no membro anterior hábil atingindo usando a manipulação de massas, enquanto outros têm projetado tarefas para capturar mais complexos movimentos 17. Uma tal tarefa é uma tarefa de alcance e puxe que usa um dispositivo robótico de três graus de liberdade para capturar o movimento rotacional e planar de rato forelimb movimentos 18. Isto tem vantagens em ser capaz de medir a cinética dos movimentos mas com um aumento na complexidade e custo.

Aqui, demonstramos uma tarefa de membro semi-automatizadas anterior que mede supinação em ratos 8. Supinação do membro anterior é a rotação da pata do palm para o palm. Supinação é um excelente marcador da função do trato corticoespinhal e um movimento clinicamente relevante nos seres humanos que é necessário para o diário viver atividades 8,19,20. Além disso, supinação é altamente sensível à lesão e inactivação, especialmente quando comparada a única pelota atingindo 8. A tarefa de supinação, desenvolvido em colaboração entre o Instituto de investigação médica de Burke e da Universidade do Texas em Dallas, movimento rotacional de medidas no plano horizontal 8,10. Ratos são colocados em uma caixa comportamental (figura 1A) e são treinados para fazer três movimentos (figura 1B): alcançar através de uma abertura retangular; Segure um esférico manipulandum; supinate para um ângulo designado.

A tarefa de comportamento é controlada pelo software do PC (Figura 1). O software de controle envia instruções para um microcontrolador que está conectado para o autoposicionador, codificador óptico, alto-falante e alimentador. O microcontrolador e suas conexões periféricas são referidos como a caixa do microcontrolador. Informação flui do codificador óptico, para o microcontrolador, então o computador e depois de volta para o microcontrolador. Se o software de controle tem sinalizado para o microcontrolador que o julgamento foi um sucesso, o microcontrolador aciona o alimentador para dispensar uma pelota. No início de cada sessão, o software de controle retransmite a informação de fase para o microcontrolador, que direciona o autoposicionador para posicionar o botão em distância definida do palco da abertura. O autoposicionador também pode ser operado manualmente usando as teclas de seta localizadas na autoposicionador. O codificador óptico registra dados em 100 Hz e medidas de alterações no ângulo. Todos os dados são armazenados em formato binário.

O experimentador usa estágios de formação sequencial dentro do software para treinar o rato de habituação a supinação a uma taxa predeterminada de ângulo e sucesso. Durante habituação, manipulandum o botão é colocado dentro da janela de abertura, sem qualquer contrapeso. Após uma semana de treinamento altamente supervisionada, o rato associa o botão com uma recompensa e começa a rodar o botão de forma independente. Uma vez que o rato é capaz de transformar de forma independente, o botão é retraído a 1,25 cm de 0,25 incrementos cm até o rato pode rodar independentemente de 1,25 cm. contrapeso é então adicionado em incrementos de 1 g de 3G a 6 g. Automated formação estágios trem o animal para supinate o botão a 6 g até 75 graus. Nesta fase de formação é em grande parte sem supervisão; uma vez que os ratos adotam a tarefa com o formulário apropriado (discutido abaixo), eles continuam a supinate corretamente. Treinamento é completo quando ratos supinate 75 graus a uma taxa de sucesso (taxa) de 75% 8. Aqui, descrevemos um protocolo de treinamento típico e apresentar soluções para problemas comuns que encontramos. Demonstramos a progressão do representante bem-sucedidas e malsucedidas ratos através do protocolo de treinamento e mostrar que a tarefa pode ser modificada para mostrar comprometimento funcional com déficits sutis ou mais graves.

Protocol

este protocolo descreve a criação da tarefa e estabelecendo vivendo e alimentando condições, bem como treinamento animais, de animais após a lesão e analisando dados de comportamento. As quatro etapas do treinamento animal são descritas também: habituação, associação de recompensa, treinamento de contrapeso e treinamento para critério rode o ângulo. Todos os experimentos com animais foram aprovados pela Universidade do Texas em Dallas e IACUC de Weill Cornell medicina.

1. Ajuste a tarefa

  1. Design uma caixa comportamental feita de plástico transparente que medidas 150 mm de largura por 200 mm de comprimento e 250 mm de altura.
    Nota: Aqui, a abertura retangular é 14,2 mm de largura por 25,4 mm de altura. O botão manipulandum de diâmetro 9,5 mm é feito com metacrilato e tem duas paradas que restringem a supinação para menos de 100°. Cada um desses parâmetros foram testados e otimizados para os défices descritos na seção de resultados. A caixa comportamental e manipulandum são mostrados na figura 1A.
  2. Ligar a caixa do microcontrolador para o computador. Microcontrolador quatro caixas podem ser ligadas até para cada computador.
  3. Para iniciar a tarefa, use o software de controle ( Figura 1).
    1. , Selecione o botão de dispositivo para o controle. Introduzir o nome de assunto no " tema " campo. Escolha o estágio de formação sob o " fase " menu dropdown.
      Nota: Os estágios dita três parâmetros para cada julgamento: o " janela bateu, " " limite atingido, " e " limiar inicial. " um sucesso é definido como alcançar o ângulo de critério dentro de um período de tempo definido. " Janela bateu " refere-se o tempo alocado para um animal iniciar um julgamento e alcançar o ângulo de critério. " Limite atingido " é o ângulo de critério para um teste bem sucedido. " Limite inicial " é o ângulo de critério para iniciar um julgamento e bateu a janela; Isto indica o início do turno. Mais informações sobre estágios podem ser vistas abaixo na seção " treinamento animais... "
    2. clique " começar a " para começar a sessão de treinamento. Clique " alimentar " para alimentar manualmente o animal e " parar " para interromper a sessão de treinamento.
      Nota: Alimentação Manual deve ser usado para manter o interesse na tarefa e é descrito em detalhes na seção 3. Depois de interromper a sessão, dados de sessão serão salvo na unidade c:.

2. Condições de vida e alimentação

  1. uso adulto femininos ratos Sprague Dawley (175-200 g). Ratos de casa juntos em gaiolas padrão com invertida 12h escuro/12 h luz ciclo. Realizar todo o treinamento e testes durante o ciclo escuro com as luzes acinzentadas.
    Nota: Ratos fêmeas são usados uma vez que são mais fáceis de treinar 21. Aqui Sprague-Dawley foram usados porque é uma cepa comum usada em treinamento motor, e é a tensão predominante para transgênicos. No entanto, dada a natureza ajustável da tarefa (contrapeso, critério de ângulo de curva, distância de botão e botão em si) estas poderiam facilmente ser ajustadas para diferentes cepas e maiores (por exemplo, os machos) ou menores (por exemplo, Wistar) ratos.
  2. Para os primeiros 5 dias de estudo, dão ratos uma calha completa além de pelotas com sabor chocolate, nutricionalmente completas para cinco dias. Após o quinto dia, comida-restringir a ratos a 85% de sua curva de peso normal.
  3. Depois de iniciado o restrição alimentar, alimentar os ratos 7,5 g de chocolate Pelotas (ajustar acima ou para baixo para manter a 85% do peso ajustado pela idade) em toda a totalidade de seu treinamento. Se ratos não recebeu 7,5 g de chocolate pelotas em suas sessões de treino, suplemento withstandard chow após a sessão final.
    Nota: Fim de semana alimentação ad libitum com chow padrão até domingo à noite, então comida-privar durante a noite. Ao realizar cirurgias ou outras intervenções invasivas, permitir alimentação ad libitum, pelo menos, três dias antes e, em seguida, por três dias após o procedimento (dependendo do tempo de recuperação) antes de colocar ratos restrição alimentar novamente.

3. Procedimento de formação

Nota: uma visão geral do processo de formação é mostrada na Figura 3A. Em todo o protocolo, treina duas vezes por dia, os ratos, uma vez de manhã e uma vez à tarde. Espere pelo menos 3 h após a sessão de manhã antes de iniciar a sessão da tarde.

  1. Habituação
    Nota: O objetivo da habituação é familiarizar o rato com a caixa de teste e com a manipulação.
    1. Retirar o dispositivo de botão totalmente pressionando a tecla de seta para o posicionador automático.
    2. Lugar do rato na caixa comportamental durante 15 min.
    3. Depois de 15 min na caixa, lidar com cada rato nas mãos pelo menos 5 min familiarizar o rato para o experimentador.
    4. Repetir isso por cinco dias.
  2. Recompensa Associação
    Nota: O objetivo é treinar o rato para associar o giro do botão com uma recompensa de comida. Esperava passar o comprimento total da sessão de 30 min na tarefa durante a fase de associação de recompensa do treinamento.
    1. Abrir o software e o rato, o nome de entrada. Definir o cenário " K1: botão Shaping - sem polia... "
      Nota: Isto define a distância de manipulandum longe a abertura a 0.0 cm, o " Init. Thresh. " 3 °, " HIT Thresh. " a 5 graus, e " janela de sucesso " em 2 s. Isso permite que o rato ser alimentado enquanto o rato vira o botão 3 últimos graus. O " janela HIT " permanecerá em 2 s em toda a formação.
    2. Colocar o rato na caixa comportamental e imprensa " começar a " para começar a sessão.
    3. Familiarizar o rato para o cocho de recompensa dispensação pelotas de 2-3 de cada vez e tocando o lado da caixa onde se encontra o cocho de recompensa. Dispense as bolinhas usando o botão de alimentador manual.
    4. Uma vez que o rato sabe a localização da recompensa, dispense manualmente 1 pelota quando o rato está na frente da abertura.
    5. Uma vez o rato move-se para a abertura na expectativa de uma recompensa de pelota, condição o rato para interagir com o manipulandum.
      1. Prompt o rato para se envolver, colocando uma pelota de comida de 45 mg perto do manipulandum, ou aplicando pelota pó diretamente para o manipulandum, permitindo-lhe estender a mão e agarrá-lo. Se o rato se afasta a abertura, toque na caixa perto do manipulandum para redirecionar sua atenção.
        Nota: Se o rato tocou o botão com a pata atingindo, o programa irá alimentar o rato. Quaisquer interacções que não incluem o uso de patas (ou seja, morder, farejando o manipulandum) estão incorretas e não deve ser recompensadas.
    6. Uma vez que o rato começa a tocar o botão com a pata desejada e ser recompensado 10 vezes consecutivas a 0.0 cm, use a seta para baixo sobre o autoposicionador ( figura 1A) retrair o manipulandum por 0,25 cm. repetir Este cm 0,25 em incrementos até que o manipulandum é de 1,25 cm a abertura.
    7. Imprensa " parar " após 30 min para terminar a sessão.
    8. Continuar a associação de recompensa até o rato supina o manipulandum com a pata desejada em 1,25 cm a abertura ( figura 1B).
    9. Quando o rato estiver concluído 2 sessões consecutivas supinação o manipulandum e recuperando a recompensa da pelota, começar a treinar contrapeso.
  3. Contrapeso treinamento para treinar os ratos para supinate um contrapeso de 6 g.
    1. Lugar um 3G contrapeso sobre o manipulandum, anexando o conector na extremidade do contrapeso para o ponto de fixação em forma de L sobre o manipulandum. Alimente a sequência de caracteres de contrapeso na roldana até o contrapeso paira livremente.
    2. Software aberto e o rato, o nome de entrada. Definir o cenário " K2: botão Shaping - polia. "
      Nota: Isto define a distância de manipulandum longe a abertura a 1,25 cm, a " Init. Thresh. " 3 ° e o " HIT Thresh. " a 5 graus. A distância de manipulandum permanecerá a 1,25 cm a partir de agora.
    3. Colocar o rato na caixa comportamental e imprensa " começar a " para começar a sessão.
    4. Imprensa " parar " depois de 100 + testes bem sucedidos. Quando o rato estiver concluído 2 sessões consecutivas de 100 + testes bem sucedidos, aumente o peso por 1 g após o término de uma sessão. Aumentar o peso de 3G a 6G, ao longo de sessões subsequentes.
    5. Vá para a etapa 3.4 após 2 sessões consecutivas de supinação no 6 g e 100 + ensaios bem sucedidos.
      Nota: Demora uma média de 6 sessões (3 dias) para abrir o de 3G a 6 g. no início de formação de contrapeso, é imperativo que o movimento de supinação correto Obtém recompensado e movimento incorreto supinação obtém em forma de sair. Para um guia visual e explicação sobre a forma correta e incorreta de supinação, consulte a Figura 2.
  4. Formação de base
    Nota: Lembre-se de continuar a forma correta de supinação movimento. Novamente, consulte a Figura 2 para um guia visual sobre o movimento de supinação correto/incorreto e como amenizar a supinação incorreta. Treinar os ratos para supinate aos critérios da linha de base; aqui é 75 graus com um contrapeso de 6 g a uma taxa de sucesso de 75% ou superior.
    1. Colocar um contrapeso 6G sobre o manipulandum.
    2. Software aberto e o rato, o nome de entrada. Definir o cenário " KSB4: botão formação mediana máx. 75 "
      Nota: Isto define o " Init. Debulhar. ", 5°, " sucesso limiar mínimo " a 15°, e " sucesso limiar máximo " a 75°. Isto é chamado um " adaptável " fase de formação, ou seja, o limite vai aumentar como o rato ' melhora o desempenho de s. Para o " KSB4 " fase, o limiar é primeiro definir a sessão anterior ' limite final de s. Se nenhuma sessão anterior foi executado neste palco, o limite é definido como o mínimo do limite de 15 graus. Após os primeiros 10 ensaios da sessão, o limiar é calculado como a média do pico ângulos nos 10 ensaios anteriores. Assim, o limiar é diferente para cada julgamento e depende o rato ' s desempenho nos ensaios anteriores.
    3. Parar a sessão depois de 30 min.
    4. Continuar treinamento usando o palco adaptável até o ângulo de pico média é 75 graus ou maior. Em seguida, prossiga para a etapa 3.5. Isso geralmente ocorre após cerca de 10 dias ou 20 sessões.
  5. Avaliação de linha de base para gravar quatro linhas consecutivas de base
    1. colocar um contrapeso 6G sobre o manipulandum.
    2. Software aberto e o rato, o nome de entrada. Definir o cenário " K27: 75 graus. " define a " Init. Debulhar. " no 5 ° e " sucesso limiar a 75°.
    3. Imprensa " parar " após 30 min ou 100 testes, o que vier primeiro, para terminar a sessão.
    4. Continuar até que há quatro linhas consecutivas com uma taxa de sucesso de 75% ou mais.

4. Avaliação de pós-lesões

  1. software aberto e introduzir o nome de rato. Defina o cenário para o mesmo palco estático como teste de base pré-lesão. Isto irá manter os mesmos parâmetros utilizados para a linha de base.
  2. Imprensa " começar " e executar a sessão até 30 min.
    Nota: Participação pode ser baixa após lesão. Isto pode ser remediado usando o manual de alimentação botão ou colocar uma pelota de recompensa perto da manipulandum para atrair o rato para interagir com o manipulandum.
  3. Repetir o teste uma vez por semana em intervalos semanais, até o comprimento desejado do pós-lesão avaliação tenha sido atingido.
    Nota: Aqui, avaliamos desempenho pós-lesão cada semana durante seis semanas.

5. Analisar os dados

Nota: dados são salvos em um local padrão na unidade c: de um PC. Dados são capturados em 100 Hz durante a janela de sucesso e armazenados em formato binário. Aqui, os dados foram analisados utilizando um programa personalizado, chamado de destreza. Envie um email para o acesso a este software livre Dr. Jason Carmel.

  1. Destreza aberta e clique " padrão... "
  2. localize o diretório onde dados do rato e selecione a pasta desejada.
  3. Depois de selecionar o diretório, selecione os ratos para análise.
  4. Clique " mantê-" ou " descartar " de manter ou descartar arquivos que são incompletas ou não contêm dados.
    Nota: Há momentos quando as sessões são iniciadas usando os parâmetros errados e estágio de formação, e enquanto eles estão parados imediatamente, ainda será criado um arquivo. Este arquivo precisa ser Descartado durante a análise. Também há casos, especialmente aguda após a lesão, quando um animal realiza sem julgamentos por causa de sua lesão ou julgamentos muito pouco. Para estas sessões, um arquivo deve ser mantido porque é uma representação do seu desempenho. Quando um arquivo com ensaios sem sucesso é mantido, um NaN é colocado no lugar apropriado para variáveis computadas.
  5. Escolher se deseja anotar o experimento agora ou mais tarde; se " anotar agora " é selecionada, uma nova janela será aberta. Digite o " nome de experimentar, " " nomes de grupo, " " dados de evento, " e " número Total de semanas " no experimento.
  6. Assuntos de atribuir a um grupo.
  7. o número de sessões de dados em cada semana ou tempo de ponto de entrada. As sessões de entrada, separadas por um espaço e certifique-se de não colocar um espaço depois do último número, ou seja, (1 1 1 1).
  8. De entrada os rótulos de ponto de tempo. Separar os rótulos de entrada por um espaço e certifique-se de não colocar um espaço após o último rótulo ou seja (pré Wk1 Wk2 Wk3).
  9. Selecionar quando ocorreu o evento; aparecerá uma opção para salvar a sessão de análise. Clique " Sim " para salvar a sessão de análise.
  10. Uma visão geral dos dados anotados e anotadas aparecerá. Isto dá a opção para plotar dados.
  11. Para os dados anotados, clique " gráfico assunto " para plotar um assunto individual ou " gráfico temas " para traçar todos os assuntos no mesmo gráfico.
  12. Para a análise anotada, clique " enredo " para plotar o experimento.
  13. Para ambos anotados e anotadasm, clique na seta suspensa para obter uma lista de variáveis a ser plotada. Clique a variável para exibir a trama.
  14. Clique em exportar para exportar o gráfico e/ou os dados associados com o gráfico.

Representative Results

No início de treinamento, o experimentador passa mais tempo na tarefa de moldar o comportamento do rato. Como os ratos associam supinação de rato com recompensa, mãos no tempo diminui (Figura 3A). Durante a formação de contrapeso, associação de recompensa e habituação, o comprimento total da sessão (30 min) é gasto na tarefa. No entanto, depois de um rato é supinação com um peso de 6 g, o tempo na tarefa gradualmente diminui para cerca de 15 min como aumentos de ângulo de supinação do rato. Finalmente, quando o rato atinge a linha de base, o tempo na tarefa é no mínimo; o experimentador só precisa colocar o rato na caixa comportamental e iniciar o programa. O número máximo de ratos que um experimentador pode trabalhar com simultaneamente é dois ratos durante Associação de recompensa, quatro ratos durante o contrapeso de treinamento e formação de base, e como muitos ratos tão lá são caixas durante avaliação de linha de base e pós-lesão teste. Em média, 75% dos ratos (n = 56) adquirir a tarefa.

Após o rato tem associado a supinação com uma recompensa, não há uma progressão positiva no ângulo de supinação do rato (Figura 3B). Na Figura 3B, o rato progrediu de 3G para contrapeso 6G do dia 3 ao dia 7. Após a formação de contrapeso, houve um curto período de treinamento adaptável do dia 7 ao dia 9, durante o qual aumentada de 26 para 30 graus de supinação. Porque não houve muita mudança, um limite estático foi empregado do dia 9 a 18. Durante este período, o rato aumentou de 30 graus a 75 graus em 8 dias. Há variabilidade diária durante todo o treinamento, em particular, dias 12 e 14. Mas, geralmente, há uma tendência ascendente no ângulo de supinação. No final de pós-habituação 17 do dia, o rato tinha gravado a sua primeira linha de base, e quatro sessões depois, terminou a avaliação da linha de base. De habituação a gravação de uma quarta linha de base, o protocolo de treinamento leva a uma média de 20 ± 5 dias.

Enquanto que visualizaram uma progressão ideal através do protocolo de treinamento é importante, exibindo uma mal sucedida progressão é igualmente importante (Figura 4). Na Figura 4A, a linha laranja mostra um rato que conclui com êxito o protocolo, a linha azul mostra um rato sem sucesso, e linhas cinzas mostram outros seis ratos bem sucedida. Ratos sucesso alcançado baseline em 15 ± 0,6 dias (n = 7). O rato bem sucedido representante usa uma compreensão de 01:00, enquanto o rato malsucedido usa uma compreensão de 03:00. Os dois ratos associam o botão com uma recompensa em 2 dias. Além disso, ambos os ratos mostram uma progressão de ângulo (Figura 4A) supinação semelhantes nos primeiros quatro dias após o contrapeso é adicionado. No entanto, após este ponto, o rato bem sucedido começa a romper com o rato sem sucesso. Isso ocorre porque o alcance do rato sem êxito foi incapaz de ser corrigidos antes este ponto (ver Figura 2).

O rato bem sucedido, existe uma ascensão íngreme no ângulo de supinação que começa ao platô entre 50 e 60 graus, mas em seguida, recomeça uma subida mais firme no sentido de 75 graus. No entanto, o rato sem sucesso, há um aumento mais gradual no ângulo de supinação. Como o rato platôs em torno de 20 graus, o rato é empurrado para supinate mais, mas, eventualmente, ela perde o interesse na tarefa, mesmo com alimentação manual, e o ângulo de supinação diminui rapidamente ao redor de pós-habituação dia 15. Enquanto há uma ligeira recuperação após a pós-habituação dia 17, o rato se esforça para supinate mais de 25 graus. Se um rato não tem alcançado de base por dia 20, consideramos este rato malsucedido e remover o rato do estudo.

Além do ângulo de supinação, um pode realizar uma inspeção visual de ondas a supinação (Figura 4B-D) para o rato bem-sucedidas e malsucedido. Ao realizar uma inspecção visual, procuramos várias características da forma de onda: inclinação da linha, latência e número de picos na janela de tempo para o julgamento. A inclinação da linha é calculada como a derivada da curva entre o início da curva e o pico da curva. A latência é calculada como o tempo entre o início do julgamento e a curva de cruzar o limiar de sucesso. Por último, picos são calculados usando a derivada para encontrar local maxima na janela do julgamento. Anteriormente, encontrámos o declive da linha, ou velocidade, é uma medida robusta da cinética de supinação e é sensíveis ao déficit subtil 8.

No primeiro terço do treinamento após o início de supinate usando 6 g (Figura 4B), o rato bem sucedido (Figura 4B1) mostra uma única forma de onda com um pico perto de 20 graus, enquanto o rato sem sucesso (Figura 4B2 ) mostra um giro duplo, ou dois picos, com o primeiro pico perto de 10 graus e o segundo pico perto de 5 graus. No terço médio do treinamento (Figura 4), o rato de sucesso (Figura 41) mostra um aumento no ângulo de pico de 20 graus a 50 graus com uma curva mais definido, o único pico. O rato sem sucesso (Figura 42), entretanto, apenas mostra um marginal aumento no ângulo de pico de 20 graus, mas melhorou em sua forma; Agora ele só usa um único turno. Por último terço da formação (Figura 4), o rato de sucesso (Figura 41) mostra uma muito pronunciada única de forma de onda com um pico em torno de 65 °, contra o rato sem sucesso (Figura 42) com um ângulo de pico de 20 graus, mas agora com um pico adicional em 2 s de 15°. Este é outro bom indicador de que, com dificuldade crescente de formação, o rato foi incapaz de corrigir seu alcance de 03:00 e por sua vez, incapaz de supinate corretamente. Mesmo se este rato não excluído do estudo e eventualmente pode realizar até 75 graus, perguntas permaneceria sobre se era verdade supinação versus supinação com compensação.

Por último, a tarefa de supinação detecta comprometimento funcional após múltiplos tipos de danos, incluindo uma corte lesão do trato corticoespinhal, o principal caminho para o movimento voluntário de pessoas e lesão de córtex motor do membro anterior realizada com injeções de endotelina (Figura 5) 8,10,22. Ratos no grupo de pyramidotomy (roxo, n = 8) foram treinados para supinate pelo menos 75° a 6 g a uma taxa de sucesso de 75% ou acima, enquanto ratos no grupo de lesão cortical (verde, n = 10) foram treinados para supinate 60° a 7,5 g em 75% ou acima. Ratos em ambos os grupos mostraram uma diminuição acentuada na taxa de sucesso após a lesão (Figura 5A). Taxa de sucesso para ratos no grupo de pyramidotomy diminuiu de 90% ± 2% a 14% ± 8%. O suctaxa de cess para ratos com lesão cortical diminuiu de 76% ± 1% a 10% ± 3%. Por semana 6, ambos os grupos foram ainda prejudicados: o grupo pyramidotomy foi em 34% ± 11%, enquanto o grupo de lesão cortical permaneceu em 16% ± 7%. Quanto ao ângulo de supinação, ambos os grupos mostram uma diminuição de pré para pós-lesão (Figura 5B). Devido os ângulos de supinação critério diferente da linha de base, o grupo de pyramidotomy tinha um ângulo de pré-lesão supinação (85° ± 2,9 °) mais elevado do que o grupo de lesão cortical (67° ± 0,52 °). O grupo pyramidotomy diminuíram para 38° ± 10°, enquanto o grupo lesão cortical diminuiu para 27° ± 2,9 °.

Figure 1
Figura 1: Descrição da tarefa de supinação. (A), o rato é colocado em uma caixa de acrílico com uma abertura através da qual ela atinge e apreende um botão que deve ser transformado em supinação. O botão tem duas paradas para evitar ângulos de supinação superiores a 100°. O botão também tem uma roldana com contrapeso; Isso cria o torque que o rato deve superar para supinate. O botão está ligado a um codificador óptico que mede o ângulo com uma precisão de 0,25 °. Este codificador óptico é conectado a um microcontrolador, que por sua vez é conectado a um computador que controla a tarefa. O computador sinaliza para o microcontrolador quando para feedback de áudio do gatilho e dispensar uma pelota do alimentador se um critério de sucesso é alcançado. O microcontrolador também controla o posicionador automático cuja posição entre 0 e 1,25 cm é ditada pela fase de formação definido pelo computador. (B), o rato realiza a tarefa em três movimentos sucessivos: alcançando através da abertura, segurando o botão com um alcance de poder localizado em 01:00 e supinação. Tarefa de supinação (C), o botão é controlada pelo software de controle. O experimentador insere o nome do sujeito e escolhe a fase de treinamento, enquanto o programa define os parâmetros correspondentes. Uma forma de onda de uma única sucesso supinação experimental é mostrada em azul, enquanto a sequência dos julgamentos de êxito e falhadas são mostradas em verde e vermelho, respectivamente. Um julgamento é marcado bem sucedido pelo software de controle se o ângulo de supinação é maior que o limite de sucesso dentro da janela de tempo definido, Considerando que um julgamento está marcado sem sucesso, se isso não acontecer. Este programa controla uma caixa. Quatro programas podem ser executados simultaneamente por computador. Esta figura foi modificada de Sindhurakar et al., 2017, familiarização e reparação Neural8. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: Movimentos de supinação. Diagramas e descrições dos movimentos de supinação corretas e incorretas comuns encontrados durante o protocolo de treinamento. Movimentos corretos permitem verdadeira supinação, enquanto movimentos incorretos incluem mecanismos compensatórios que podem impedir o verdadeira supinação. Incluem-se soluções sugeridas para corrigir movimentos impróprios. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3 : Protocolo de treinamento. Linha do tempo padrão (A). Existem cinco períodos de formação, duração de aproximadamente 25 dias no total: habituação (5D), associação de recompensa (1-3 d), musculação (3-4 d), formação de base (8-12 d), e avaliação de linha de base (2-4 d). O padrão de linha da linha do tempo designa o tempo necessário de experimentador para gastar com a tarefa de cada sessão. Como o protocolo de treinamento prossegue, diminui o tempo na tarefa. (B) geral progressão da habilidade de um rato de supinate da Associação de recompensa para avaliação de linha de base. Em geral, há uma progressão linear positiva do rato para a linha de base, mas como observou, há variabilidade no desempenho de um rato em todo o protocolo de treinamento. Após o treinamento do peso, há um período de treinamento adaptável, onde o limite de ângulo de supinação é alterado para coincidir com o desempenho do rato. Este treinamento adaptativo é seguido por um paradigma de limiarização estático até que o rato tenha alcançado a linha de base. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4: Aquisição de tarefas bem-sucedidas e malsucedidas. (A) progressão de supinação ângulo ao longo do protocolo para oito ratos, sete bem sucedida de treinamento e um sucesso. Um rato representativo que atinge o critério de linha de base (bem sucedido, laranja) e um rato sem sucesso (azul) são mais utilizados como estudos de caso. Nos primeiros sete dias do treinamento após a habituação, tanto o rato bem-sucedidas e malsucedido mostrou progressos semelhantes no ângulo de supinação. Por pós-habituação dia 11, o rato bem sucedido foi supinação 55 °, enquanto o rato malsucedido supinada 25 °. Após 15 dias pós-habituação, o rato bem sucedido mostrou uma forte progressão ascendente, enquanto o rato sem sucesso declinou em desempenho. No último terço da pós-habituação treino, o rato sem sucesso tinha estabilizou em 30 ° enquanto o rato bem sucedido foi a supinação 80 °. (B) média forma de onda (linha preta) com um intervalo de confiança de 95% (laranja para azul bem sucedido, para sem sucesso) para o primeiro terço do treinamento após 6 g de contrapeso é adicionado. (B1) Bem sucedido rato - único pico em torno de 20°. (B2) Malsucedido rato - pico duplo com máximo global de 10°. (C) médio forma de onda (linha preta) com um intervalo de confiança de 95% (laranja para azul bem sucedido, para sem sucesso) para o segundo terço do treinamento após 6 g de contrapeso é adicionado. (C1) Bem sucedido rato - único pico de 45°. (C2) Malsucedido rato - forma melhorada com único pico perto de 20°. (D) médio forma de onda (linha preta) com um intervalo de confiança de 95% (laranja para azul bem sucedido, para sem sucesso) para o terço final do treinamento após 6 g de contrapeso é adicionado. (D1) Rato de sucesso - pronuncia-se único pico a 65°. (D2) Malsucedido rato - pico duplo com global máximo 20 °. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 5
Figura 5:forte > tarefa sensibilidade para diferentes modelos de lesão. Ratos no grupo de pyramidotomy (roxo, n = 8) foram treinados para supinate 75° a 6 g a uma taxa de sucesso de 75% ou acima, enquanto ratos no grupo de lesão cortical (verde, n = 10) foram treinados para supinate 60° a 6 g em 75% ou acima. Os dados mostrados são média ± erro-padrão. (A) de sucesso para lesão pyramidotomy contra lesão cortical. Ambos os modelos de lesão mostraram uma diminuição acentuada na taxa de sucesso de pre-para pós-lesão (semana 1). Taxa de sucesso para pyramidotomy diminuiu de 0,90 ± 0,02 para 0,14 ± 0,08, enquanto a taxa de sucesso para lesão cortical diminuiu de 0,76 ± 0,01. (B) supinação ângulo de pyramidotomy contra lesão cortical. Ambos os grupos mostraram uma diminuição de pré-pós-lesão: o grupo de pyramidotomy diminuiu para 38,2 ° ± 10,1 °, enquanto o grupo lesão cortical diminuiu para 27,1 ° ± 2,9 °. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussion

A tarefa de supinação botão avalia supinação do membro anterior em ratos utilizando métodos quantitativos e semi-automático. Para atingir esses pontos de extremidade, muitos dos parâmetros projetados para a tarefa, incluindo o alinhamento do botão, manipulandum design e critérios de formação, têm sido iterados durante vários anos. Para o alinhamento do botão, experimentámos três alinhamentos diferentes do manípulo com relação a abertura: lado esquerdo do botão alinhado com o lado esquerdo da abertura, o botão centralizado na abertura, e o lado direito do botão alinhado com o lado direito da um perture. Escolhemos o lado direito do botão de ser alinhado com o lado direito da abertura, como este produzido ratos que foram treinados no menor tempo e quem supinada com mecanismos de compensação mínimos, especificamente, interferência da pata esquerda.

Quanto ao projeto de manipulandum, nós alteramos várias características de projeto para torneamento com o membro anterior de maximizar e minimizar o uso do corpo. Além disso, nós dimensionado a dificuldade da tarefa para a gravidade do défice previsto. Após pyramidotomy, supinação é o movimento que é mais fortemente afectado, mas o comprometimento é ainda relativamente sutil. Assim, treinamos os ratos a um critério de base superior (75°) para garantir que os grandes déficits foram observados após lesão. Para lesões corticais, que são mais prejudicando, limiar de 60 graus em 7,5 g foi suficiente para demonstrar um défice significativo após a lesão. Parâmetros adicionais que foram otimizados através de uma abordagem de tentativa e erro incluem o tamanho da abertura, distância de botão de abertura e a janela de tempo para conseguir um julgamento bem sucedido.

Existem alguns pontos críticos em todo o protocolo de treinamento que exigem supervisão cuidadosa. Quando a formação de base, o método de limiarização adaptativa tem sido usado com sucesso para treinar ratos a 75° 10. No entanto, ratos pode Planalto em um pico do ângulo inferior a 75°; o desempenho permanece o mesmo após 4-5 sessões. Para melhorar o desempenho, um limite estático pode ser empregado. Um limite estático refere-se ao limiar restantes em um grau conjunto, que é independente do desempenho do rato, em oposição a um limiar adaptativo que alterações com base no desempenho recente. Se o rato platôs durante treinamento adaptativo, o experimentador deve mudar para um limite estático. Treinamento estático dos estágios variam de 20 a 70 graus em incrementos de 10°. (Estágio K28 - K33). Escolha a fase estática baseada no ângulo de média pico de ratos nas 2 sessões anteriores. Por exemplo, se o rato tem uma média de 45°, selecione a fase estática para 50 graus (K31). Todas as fases estáticas definido o "Init. Thresh."no 5 °. Durante o treinamento, se o rato perde motivação, manualmente alimenta o rato se lo supina perto de, mas não acima do limiar.

Além disso, durante a avaliação de linha de base, aproximadamente 5% dos ratos regredir 5-10° em seu ângulo de supinação e 5-10% na taxa de sucesso entre as sessões. Se isso acontecer, e o rato não recupera o ângulo do pico médio de 75° após 3-4 sessões, diminua a fase estática para dentro de 10 graus de ângulo de média atual do rato antes de retornar para a etapa de 3.5. É importante para não reintroduzir um rato para os estágios adaptativos uma vez que ele foi colocado em estágios de formação estática.

Existem algumas limitações para a tarefa. Uma vez que a posição de aperto incorreto tiver sido estabelecida, mudar o comportamento de preensão (Figura 2) pode ser difícil. Assim, a correção e a deteção adiantada é importante. Para corrigir o alcance de um rato, a abertura pode ser alterada por diminuir o tamanho da abertura na direção horizontal e/ou vertical; Normalmente, gravamos uma lâmina de vidro para a borda da abertura, que precisa de ajuste. Para a maioria dos ratos, isso melhora sua forma de compreensão porque obriga-los a compreender a manipulandum de uma maneira específica. Este, por sua vez, melhora sua capacidade de supinate corretamente.

Além desse desafio, ratos podem desenvolver mecanismos compensatórios para supinate. Estes incluem o uso da cabeça para ajudar o membro anterior em supinação; abaixando o cotovelo e ombro conjunta para rodar o botão; usando a pata esquerda para ajudar a girar o manípulo ou abaixar a pata atingindo. Todos esses comportamentos podem ser usados para concluir com êxito a tarefa. Como mencionado acima, comportamentos relacionados com o alcance podem ser corrigidos por manipular a abertura. Mecanismos compensatórios, fora do alcance, no entanto, requerem participação ativa pelo experimentador não recompensar o comportamento compensatório. Após lesão, observamos ratos tendo vários ensaios para colocar a pata na posição correta antes de supinação. Embora não analisamos quais componentes da tarefa podem contribuir para a perda de supinação, estas podem incluir perda de aderência exata e prejudicada a modulação de força, entre muitas possibilidades.

A tarefa de supinação semi-automatizadas leva, em média, 20 ± 5 dias para treinar ratos para a linha de base, e 25% dos animais são incapazes de ser treinados sobre a tarefa. Contribuindo para o tempo de treinamento é o fato de que nós não selecionou naturalmente direito-preferência ratos, mas em vez disso, forçar todos os animais para usar suas patas bem como é comum na maioria dos ensaios atingindo. Nós não tentamos usando ratos esquerda-preferência, mas seria um interessante estudo exploratório primeiro identificar preferência de pata e depois treinar a pata dominante. Para acomodar isso, seria preciso inverter a orientação das portas para que a abertura é invertida; Isto pode ser feito facilmente.

Comparado com tarefas tradicionais como o IBB ou alcançar o pellet única, a tarefa de supinação quantitativamente e objetivamente medidas forelimb atingindo. Mostra sensibilidade à lesão grave (lesão cortical) e lesão sutil (pyramidotomy), e o procedimento de treinamento pode ser modificado dependendo da gravidade do modelo de lesão. Porque é semi-automático, a tarefa permite que o experimentador treinar ratos múltiplos simultaneamente, dependendo do estágio de formação. Isto melhora produtividade do experimentador e o throughput de rato. A tarefa é confiável e reprodutível entre ratos. Criando um guia de solução de problemas (Figura 2) para experimentadores referir-se durante o protocolo de treinamento, podemos ter padronizado vários comportamentos incorrectos, bem como soluções para corrigi-los. Por último, a tarefa oferece um meio intuitivo para analisar grandes quantidades de dados e permite que o experimentador a aprofundar a cinética de supinação.

No futuro, usaremos a tarefa de supinação semi automatizado como uma plataforma para avaliar o tipo, dose e tempo de reabilitação. Nosso laboratório está interessado nos efeitos da estimulação na melhoria funcional após lesão. Além disso, estamos interessados em como terapias que estimulam neural reparar ou melhorar a condução neural e comunicação pode afetar a reabilitação. Também temos interesse em modificar a tarefa para ser compatível com a eletrofisiologia, para que podemos estudar aprendizagem motora; ratos com cabeçabonés, rotineiramente, realizar a tarefa, e adicionando um comutador para gravação ou estimulação seria simples de fazer. A tarefa, conforme descrito, é para os ratos, mas também existem laboratórios experimentando usando ratos para a tarefa. Em geral, esta tarefa pode ser usada para avaliar a função do membro anterior em roedores em uma grande variedade de modelos de lesões e doenças e por sua vez, para avaliar estratégias de reabilitação. Seguindo em frente, que vamos continuar a melhorar a tarefa, com refinamentos para ajudar a diminuir os comportamentos incorrectos e melhorar a taxa de aquisição de tarefa e tempo de treinamento.

Disclosures

Dr. Rennaker e Dr. Sloan são os donos da Vulintus Inc., que fabrica o equipamento nesta publicação. Não há conflitos de interesse declarados por outros autores.

Acknowledgements

Esta pesquisa foi financiada pelo NIH-NINDS R03 NS091737.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Base Cage - Rat Model Vulintus MotoTrak Rat System N/A
Controller Vulintus MotoTrak Rat System N/A
Behavior Module Vulintus MotoTrak Rat System Supination Task, Methacrylate Dual Stop Knobs
Pellet Dispenser - 45mg Vulintus MotoTrak Rat System N/A
Autopositioner Vulintus MotoTrak Rat System N/A
45 mg, Chocolate Flavor, 50,000/Box Bio-Serv F0299 N/A
HP Z230 Tower WorkStation HP N/A Intel Xeon CPU E3-1225 v3 @ 3.20 GHz, 16GB RAM, 1TB HDD. Min Requirements: 8GB RAM, Multi-Core Processor
Dexterity Burke Medical Research Institute Matlab software for data analysis
Enviropak WF Fisher and Son N/A N/A

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