Knop Supination opgave: En halvautomatisk metode til vurdering af Forelimb funktion i rotter

Behavior
 

Summary

Dette manuskript beskriver en semi-automatiseret opgave, der kvantificerer supination i rotter. Rotter nå, gribe og supinate en sfærisk manipulandum. Rotten er belønnet med en pellet hvis turn vinkel overstiger et kriterium, der er angivet af brugeren. Denne opgave øger overførselshastighed, følsomhed over for skade og objektivitet i forhold til traditionelle opgaver.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Opgaver, der præcist måler smidighed i dyremodeller er afgørende for at forstå håndfunktion. Nuværende rotte adfærdsmæssige opgaver, der måler smidighed i vid udstrækning bruge video analyse af at nå eller mad manipulation. Mens disse opgaver er let at implementere og er robuste over sygdomsmodeller, er de subjektive og besværlig for eksperimentatoren. Automatisering af traditionelle opgaver eller oprette nye automatiserede opgaver kan gøre opgaverne mere effektiv, objektiv og kvantitativ. Da rotter er mindre påvirket behændig end primater, central nerve systemet (CNS) skade producerer mere subtile underskud i fingerfærdighed, dog, supination er meget i gnavere og afgørende til hånd funktion i primater. Derfor, vi har udviklet en semi-automatiseret opgave, at foranstaltningerne forelimb supination i rotter. Rotter er uddannet til at nå og forstå en knop-formede manipulandum og drej manipulandum i supination til at modtage en belønning. Rotter kan erhverve færdigheder inden for 20 ± 5 dage. Mens den tidlige del af uddannelsen er stærkt overvåget, gjort meget af uddannelsen er uden direkte opsyn. Opgaven pålideligt og reproducerbar indfanger subtile underskud efter skade og viser funktionel genopretning, der præcist afspejler klinisk recovery kurver. Analyse af data udføres af specialiserede software gennem en grafisk brugergrænseflade, der er designet til at være intuitiv. Vi giver også løsninger på fælles problemer under træning, og vis at mindre korrektioner til opførsel tidligt i uddannelsen producere pålidelige erhvervelse af supination. Således giver knop supination opgave effektiv og kvantitativ evaluering af en kritisk bevægelse for smidighed i rotter.

Introduction

Et tab af behændighed efter nervesystem skade eller sygdom signifikant mindsker uafhængighed og livskvalitet for berørte personer 1,2,3,4. Smidighed er således et vigtigt resultat foranstaltning for at forstå videnskaben om neurale reparation og rehabilitering som godt fundament af neurale kontrol af bevægelse og motoriske læring. Traditionelt, har manuelle opgaver som enkelt pellet nå, pasta manipulation, og Irvine, Beatties og Bresnahan (IBB) Forelimb skala været brugt til at vurdere smidighed i dyr, specielt gnavere 5, 6,7. Disse opgaver er blevet populariseret på grund af deres minimale opgave erhvervelse tid. Men de er kvalitativ karakter, besværlige for eksperimentatoren, og til tider ufølsomme over for funktionelle svækkelse efter skade med subtile underskud 5,7,8,9. Disse begrænsninger af traditionelle opgaver har ansporet udvikling af flere kvantitative foranstaltninger af motorik i dyr, specielt, forelimb nå.

Der er flere fordele ved at automatisere opgaver, nemlig objektivitet, øget kapaciteten og nedsat analyse tid. Nye automatiserede opgaver giver mere fintmærkende måleinstrument for at evaluere fingerfærdighed efter skade end konventionelle opgaver 8,10. Desuden, de giver mulighed for adaptive træning og test som skræddersyr uddannelse og test problemer til et dyr ydeevne. Endelig, automatiserede opgaver generere store mængder data, som giver to fordele. For det første, en stigning i data i en retssag og i antallet af forsøg øger den statistiske effekt af en undersøgelse. For det andet, det giver neuroforskere et større datasæt fra at studere motoriske læring, uddannelse og kompensation mere håndfast gennem analyse af kinetic og kinematiske information 11.

Flere grupper har forsøgt at automatisere traditionelle opgaver. Høj hastighedskameraer kan bruges til at samle kinematiske data fra opgaver som den enkelt pellet nå opgave 12. Alaverdashvili og Wishaw har brugt højhastigheds kameraer til at fange den nåede bevægelser og analysere ciffer bevægelser ved hjælp af frame-by-frame bevægelse måling software Peak Motus 13. Men denne software kan ikke identificere cifre ved hjælp af computer vision, men i stedet kræver eksperimentatoren at digitalisere bevægelige punkter af markøren. Derudover er nogle opgaver brugt i forbindelse med foderautomater og bure for at automatisere uddannelse proces 14,15,16.

Andre grupper har brugt Kraftmålerne samt høj hastighedskameraer til at evaluere rumlige justeringer og kraft i dygtige forelimb nåede med pasta manipulation, mens andre har designet opgaver at fange mere komplekse bevægelser 17. En sådan opgave er en rækkevidde og pull opgave, der bruger en tre grad af frihed robot enhed til at fange planar og roterende bevægelse af rotte forelimb bevægelser 18. Dette har fordele i at være i stand til at måle kinetik af bevægelser, men med en stigning i kompleksitet og omkostninger.

Her viser vi en semi-automatiske forelimb opgave, at foranstaltningerne supination i rotter 8. Forelimb supination er rotation af paw fra palm ned til palm op. Supination er en glimrende markør for corticospinal tarmkanalen funktion og en klinisk relevante bevægelse hos mennesker, der er nødvendig til daglig bor aktiviteter 8,19,20. Derudover er supination meget følsom over for skade og inaktiveres, især sammenlignet med enkelt pellet nåede 8. Supination opgave, udviklet i et samarbejde mellem Burke Medical Research Institute og The University of Texas i Dallas, foranstaltninger roterende bevægelse i vandret plan 8,10. Rotter er placeret i en adfærdsmæssige boks (figur 1A) og er uddannet til at gøre tre bevægelser (figur 1B): nå gennem en rektangulær blænde; fatte en sfærisk manipulandum; supinate til en udpeget vinkel.

Opgaven adfærd styres af PC software (figur 1 c). Den kontrollerende software sender instruktioner til en microcontroller, der er forbundet med auto-positioner, optisk encoder, højttaler og feeder. Mikrokontroller og dens eksterne forbindelser er benævnt boksen microcontroller. Information flyder fra optiske encoder, microcontroller, derefter computeren, og derefter tilbage til mikrokontroller. Hvis den kontrollerende software har signaleret til mikrokontroller at forsøget blev en succes, udløser mikrokontroller feeder til at undvære en pellet. I starten af hver session relæer den kontrollerende software fase oplysninger til mikrokontroller, som dirigerer auto-hjælpe til at placere knop i den fase definerede afstand fra blænden. Auto-manipolator kan også betjenes manuelt ved hjælp af piletasterne beliggende på auto-positioner. Den optiske encoder registrerer data på 100 Hz og foranstaltninger ændringer i vinkel. Alle data er gemt i binært format.

Eksperimentatoren bruger sekventielle uddannelse faser inden for softwaren for at træne rotte fra tilvænning til supinating på en forudbestemt vinkel og succes rate. Under tilvænning, er knop manipulandum placeret inde i vinduet blænde uden nogen modvægt. Efter en uge med stærkt overvåget uddannelse, rotten associates knop med en belønning og begynder at dreje knop uafhængigt. Når rotten er købedygtig omdrejning uafhængigt, er knop trukket tilbage til 1,25 cm i 0,25 cm intervaller indtil rotten kan slå uafhængigt på 1,25 cm. modvægt er derefter tilsættes 1 g ad gangen fra 3 g til 6 g. automatiseret uddannelse faser tog dyret supinate knop på 6 g op til 75 grader. Denne fase af uddannelse er stort set uden opsyn; Når rotter vedtage opgaven med ordentlig form (beskrevet nedenfor), fortsætter de med at supinate korrekt. Uddannelse er fuldført, når rotter supinate 75 grader på en succesrate (hit-rate) på 75% 8. Her, beskriver vi en typisk uddannelse protokollen og nuværende løsninger på almindelige problemer, vi er stødt på. Vi demonstrere progression af repræsentative vellykkede og mislykkede rotter gennem uddannelse-protokollen, og viser, at opgaven kan ændres for at vise funktionelle svækkelse med subtile eller mere alvorlige underskud.

Protocol

denne protokol beskriver opsætning af opgaven og oprettelse af lever og fodring betingelser samt uddannelse dyr, test dyr efter skade og analysere adfærd data. De fire trin i dyretræning er beskrevet så godt: tilvænning, belønning association, modvægt træning og uddannelse til kriterium vende vinkel. Alle dyreforsøg blev godkendt af IACUC af Weill Cornell medicin og University of Texas i Dallas.

1. indstillingen op opgave

  1. Design en adfærdsmæssige kasse fremstillet af klar plast at måler 150 mm bred og 200 mm lang med 250 mm høje.
    Bemærk: Her, rektangulære blænden er 14.2 mm bred og 25,4 mm høj. Knop manipulandum med en diameter på 9,5 mm er lavet med methylmethacrylat og har to stop, der begrænser supination til mindre end 100°. Hver af disse parametre er blevet testet og optimeret til de underskud, der er beskrevet i afsnittet resultater. Den adfærdsmæssige boks og manipulandum er vist i figur 1A.
  2. Tilsluttes computeren boksen microcontroller. Op til fire microcontroller bokse kan være forbundet til hver computer.
  3. For at starte opgaven, bruge kontrol software ( figur 1 c).
    1. Vælg knop enhed for kontrol. Indtast emnenavnet i den " emne " felt. Vælg scenen for uddannelse under den " fase " dropdown menu.
      Bemærk: Faser dikterer tre parametre for hvert forsøg: den " ramte vindue, " " ramte tærskel, " og " første tærskel. " et hit er defineret som at nå frem til kriteriet vinkel inden for en bestemt periode. " Ramte vindue " refererer til den tid for et dyr til at starte en trial og nå kriterium vinkel. " Hit tærskel " er ryglænets kriterium for et vellykket forsøg. " Indledende tærskel " er kriteriet vinkel at indlede en retssag og ramte vindue; Dette angiver starten på turn. Yderligere oplysninger om stadier kan ses nedenfor under afsnit " uddannelse dyr. "
    2. Klik " begynder " at begynde træningen. Klik på " Feed " til manuelt feed dyret og " stoppe " at stoppe træningen.
      Bemærk: Manuel fodring bør anvendes til at fastholde interesse i opgaven og er beskrevet i detaljer i afsnit 3. Efter at have stoppet sessionen, sessionsdata vil blive gemt på C: drevet.

2. Levende og fodring betingelser

  1. Brug voksne kvindelige Sprague Dawley rotter (175-200 g). House rotter sammen i standard bure med omvendt 12t mørke/12 h lys cyklus. Udføre alle træning og testning i løbet af de mørke cyklus med lysene dæmpes.
    Bemærk: Hunrotter bruges da de er lettere at træne 21. Her anvendtes Sprague-Dawley fordi det er en fælles stamme bruges i motor uddannelse, og det er den dominerende stamme i transgenics. Dog givet den justerbare karakter af opgaven (modvægt, turn vinkel kriterium, afstanden til knop og knop, selv) disse kan nemt justeres til forskellige stammer og større (f.eks. mænd) eller mindre (fx Wistar) rotter.
  2. For de første 5 dage af undersøgelse, give rotter en fuld lavpunktet ud over ernæringsmæssigt fuldstændige, chokolade flavored pellets til fem dage. Efter den femte dag, mad-begrænse rotter til 85% af deres normale vægt kurve.
  3. Efter mad begrænsning er begyndt, feed rotter 7,5 g chokolade pellets (justere op eller ned til at opretholde 85% af alder-justerede vægt) hele helhed af deres uddannelse. Hvis rotter ikke har modtaget 7,5 g chokolade pellets i deres kurser, supplere withstandard chow efter den sidste session.
    Bemærk: Weekend fodring er ad libitum med standard chow indtil søndag aften, derefter mad-fratage natten over. Når du udfører kirurgi eller andre invasive indgreb, tillade mad ad libitum i mindst tre dage før og derefter tre dage efter procedure (afhængigt af inddrivelse gange) før at sætte rotter på mad begrænsning igen.

3. Uddannelse Procedure

NOTE: en oversigt over proceduren uddannelse er vist i figur 3A. Hele protokollen, tog rotter to gange dagligt, en gang om morgenen og en gang om eftermiddagen. Vent mindst 3 h efter mødet om morgenen før du starter den eftermiddag session.

  1. Tilvænning
    Bemærk: målet med tilvænning er til at sætte rotten med boksen test og håndtering.
    1. Trække enheden knop fuldt ud ved at trykke på pil ned-tasten på auto manipolator.
    2. Sted rotte i boksen adfærdsmæssige i 15 min.
    3. Efter 15 min i boksen, håndtere hver rotte i hænderne for mindst fem min at gøre bekendt rotte til eksperimentatoren.
    4. Gentag dette for fem dage.
  2. Belønning Association
    Bemærk: målet er at uddanne rotte skal tilknyttes en mad belønning drejning af grebet. Forvent at bruge 30 min fulde sessionslængde på opgaven association på stadiet belønning af uddannelse.
    1. Åbne softwaren og input rotte navn. Satte scenen " K1: knop forme - ingen remskive. "
      NOTE: Dette angiver manipulandum afstand fra blænden på 0.0 cm, den " Init. THRESH. " på 3°, " HIT Thresh. " på 5 grader, og " HIT vindue " på 2 s. Dette tillader rotte at fodres, så længe rotten vender knop sidste 3 grader. Den " RAMTE vindue " forbliver på 2 s hele uddannelse.
    2. Sætte rotten i den adfærdsmæssige boks og presse " begynder " at starte sessionen.
    3. Sætte rotte til belønning lavpunktet ved dispensering 2-3 piller på en gang og trykke på siden af boksen hvor belønning trug er placeret. Undvære piller ved hjælp af knappen manuel arkføder.
    4. Når rotten kender placeringen af belønning, manuelt dispensere 1 pellet, når rotten er foran blænden.
    5. En gang rotte flytter til aperture i forventning om en pellet belønning, betingelse rotte at interagere med manipulandum.
      1. Prompt rotte at engagere ved at placere en 45 mg mad pellet nær manipulandum, eller ved at anvende pellet støv direkte til manipulandum, gør det muligt at nå ud og forstå den. Hvis rotten bevæger sig væk fra blænden, klik på feltet nær manipulandum omdirigere dens opmærksomhed.
        Bemærk: Hvis rotten har rørt knop med sin nåede pote, fodre programmet rotten. Enhver interaktion, der ikke omfatter brugen af poter (dvs. bidende, forkant af manipulandum) er forkerte og bør ikke belønnes.
    6. Når rotten begynder at røre knop med den ønskede pote og at få belønnet 10 gange i træk på 0.0 cm, bruge pil ned-tasten på auto-positioner ( figur 1A) til at trække manipulandum af 0,25 cm. Gentag denne i 0,25 cm forøges indtil manipulandum er 1,25 cm fra blænden.
    7. Tryk " stoppe " efter 30 min til at afslutte sessionen.
    8. Fortsætte belønning association, indtil rotten supinates manipulandum med den ønskede pote på 1,25 cm fra aperture ( figur 1B).
    9. Når rotten har afsluttet 2 på hinanden følgende møder supinating manipulandum og hente pellet belønning, begynde modvægt uddannelse.
  3. Modvægt uddannelse at træne rotter til supinate 6 g modvægt.
    1. Sted en 3 g modvægt på manipulandum ved at knytte stik for enden af modvægt til den L-formede vedhæftet fil point på manipulandum. Feed strengen modvægt gennem remskiven, indtil modvægt hænger frit.
    2. Open software og input rotte navn. Satte scenen " K2: knop forme - remskive. "
      NOTE: Dette angiver manipulandum afstand fra blænden på 1,25 cm, den " Init. THRESH. " på 3°, og den " HIT Thresh. " på 5 grader. Manipulandum afstanden vil forblive på 1,25 cm fra dette punkt fremad.
    3. Sætte rotten i den adfærdsmæssige boks og presse " begynder " at starte sessionen.
    4. Tryk " stoppe " efter 100 + succesfulde forsøg. Når rotten har afsluttet 2 på hinanden følgende sessioner af 100 + vellykkede forsøg, øge vægten af 1 g efter afslutningen af en session. Øge vægten fra 3 g til 6 g, over efterfølgende sessioner.
    5. Fortsæt til trin 3.4 efter 2 på hinanden følgende møder i supination på 6 g og 100 + succesfulde forsøg.
      Bemærk: Det tager et gennemsnit på 6 sessioner (3 dage) til at arbejde fra 3 g til 6 g. begynder i modvægt uddannelse, er det bydende nødvendigt at rette supination bevægelse bliver belønnet og forkert supination bevægelse bliver formet ud. For en visuel vejledning og forklaring om rigtige og forkerte supination form, henvises til figur 2.
  4. Uddannelse til Baseline
    Bemærk: Husk at fortsætte til figur korrekte supination bevægelse. Igen, henvises til figur 2 en visuel vejledning om korrekt/ukorrekt supination bevægelse og hvordan man kan forbedre forkert supination. Træne rotter til supinate til de oprindelige kriterier; her, er det 75 grader med 6 g modvægt på en succesrate på 75% eller højere.
    1. Sted 6 g modvægt på manipulandum.
    2. Open software og input rotte navn. Satte scenen " KSB4: knop uddannelse Median 75 Max. "
      NOTE: Dette angiver de " Init. Tærske. " på 5°, " HIT tærskel Minimum " på 15°, og " HIT grænse maksimum " på 75°. Dette kaldes en " adaptive " uddannelse fase, hvilket betyder, at grænsen vil stige som rotte ' s præstation forbedrer. For den " KSB4 " scenen, tærsklen er først sat til den tidligere session ' s endelige tærskel. Hvis ingen tidligere session blev kørt på dette stadium, er tærsklen, der indstillet til tærskel mindst 15 grader. Efter de første 10 forsøg af sessionen, er tærsklen, der beregnes som medianværdien af peak vinkler i de foregående 10 forsøg. Således, tærsklen er forskellige for hvert forsøg og afhænger af rotten ' s præstation i de tidligere afprøvninger.
    3. Stop session efter 30 min.
    4. Fortsæt uddannelse ved hjælp af adaptive scenen indtil den gennemsnitlige peak vinkel er 75 grader eller derover. Derefter fortsætte til trin 3.5. Det generelt opstår efter ca 10 dage eller 20 sessioner.
  5. Baseline vurdering at optage fire på hinanden følgende basislinjer
    1. sted 6 g modvægt på manipulandum.
    2. Open software og input rotte navn. Satte scenen " K27: 75 grader. " dette angiver de " Init. Tærske. " på 5 ° og " HIT tærsklen på 75°.
    3. Tryk " stoppe " efter 30 min eller 100 forsøg, hvad der kommer først, til at afslutte sessionen.
    4. Fortsætter, indtil der er fire på hinanden følgende basislinjerne med en succesrate på 75% eller højere.

4. Efter skade vurdering

  1. Open software og indtaste navnet rotte. Satte scenen til den samme statiske fase som før skaden baseline test. Dette bevarer de samme parametre, der bruges til baseline.
  2. Tryk " Start " og kører session indtil 30 min.
    Bemærk: Deltagelse kan være lav efter skade. Dette kan afhjælpes ved hjælp af manuelt feed knappen eller placere en belønning pellet nær manipulandum at lokke rotte at engagere sig med manipulandum.
  3. Gentages prøvningen en gang om ugen i ugentlige intervaller indtil den ønskede længde af post skadesvurderingen nået.
    Bemærk: Her, vi vurderer efter skade ydeevne hver uge til seks uger.

5. Analysere Data

NOTE: Data er gemt en standardlokation på C:-drevet på en PC. Data er fanget på 100 Hz under vinduet hit og lagret i binært format. Her, blev dataene analyseret ved hjælp af et brugerdefineret program, kaldet fingerfærdighed. Venligst e-mail Dr. Jason Carmel for adgang til denne gratis software.

  1. Åben fingerfærdighed og klik " Standard. "
  2. gå til den mappe hvor rotte data og vælge den ønskede mappe.
  3. Efter at vælge mappen, Vælg rotter til analyse.
  4. Klik " holde " eller " kassere " at beholde eller kassere filer, der er ufuldstændige eller indeholder ingen data.
    Bemærk: Der er tidspunkter, når sessioner er startet ved hjælp af de forkerte parametre og uddannelse fase, og mens de er straks stoppet, en fil er stadig lavet. Denne fil skal kasseres under analysen. Der er også tilfælde, især akut efter skade, når et dyr udfører ingen forsøg på grund af deres skade eller meget lille forsøg. For disse sessioner, skal en fil holdes, fordi det er en repræsentation af deres ydeevne. Når en fil med ingen vellykket forsøg holdes, en NaN er placeret i det rigtige sted for beregnede variable.
  5. Vælge om du vil anmærke eksperimentet nu eller senere, hvis " anmærke nu " er valgt, åbnes der et nyt vindue. Skrive i den " eksperimentere navn, " " gruppenavne, " " hændelsesdata, " og " samlede antallet af uger " i eksperimentet.
  6. Tildele emner til en gruppe.
  7. Indtast antallet af data sessioner i hver uge eller tid punkt. Separate input-sessioner af et mellemrum og sørg for ikke at sætte et mellemrum efter sidst nummer dvs (1 1 1 1).
  8. Input tidspunkt etiketter. Separate input etiketter af et mellemrum og sørg for ikke at sætte et mellemrum efter sidst mærke dvs (Pre Wk1 Wk2 Wk3).
  9. Vælg når hændelsen indtraf, en mulighed for at gemme analyse session vises. Klik på " Ja " at gemme analyse session.
  10. En oversigt over de kommenterede og unannotated data vises. Dette giver mulighed for at afbilde data.
  11. For de unannotated data, skal du klikke på " graf emne " afbilde et enkelt emne eller " graf emner " afbilde alle emner på den samme graf.
  12. Kommenterede analysen ved at klikke på " Plot " afbilde eksperimentet.
  13. For begge kommenteret og unannotated, skal du klikke på rullepilen for en liste over variabler, der skal afbildes. Klik på variablen for at få plottet.
  14. Falde i hak eksport til eksport grafen og/eller dataene, der er forbundet med grafen.

Representative Results

Tidligt i uddannelsen tilbringer eksperimentatoren mere tid på opgaven forme rotte adfærd. Da rotterne forbinder rotte supination med belønning, hænderne på falder tid (figur 3A). Under tilvænning, belønning association og modvægt uddannelse bruges den fulde sessionslængde (30 min) på opgaven. Men efter en rotte supinating med en 6 g vægt, tid på opgave gradvist mindsker til ca 15 min som rottens supination vinkel stigninger. Endelig, når rotten når baseline, tid på opgaven er på et minimum; eksperimentatoren bør kun placere rotten i boksen adfærdsmæssige og starter programmet. Det maksimale antal rotter en eksperimentatoren kan arbejde med samtidigt er to rotter under belønning association, fire rotter under modvægt træning og uddannelse til baseline, og så mange rotter der er bokse under baseline vurdering og efter skade test. I gennemsnit, 75% af rotter (n = 56) erhverve opgaven.

Efter rotten har tilknyttet en belønning supination, er der en positiv progression i rottens supination vinkel (figur 3B). I figur 3Bskred rotten fra 3 g til 6 g modvægt fra dag 3 til dag 7. Efter modvægt uddannelse, var der en kort periode med adaptive træning fra dag 7 til dag 9, under hvilke supination steget fra 26 til 30 grader. Fordi der ikke var meget forandring, var en statisk tærskel ansat fra dag 9 til 18. I denne periode, rotten steget støt fra 30 grader til 75 grader i 8 dage. Der er daglige variation i hele uddannelse dage 12 og 14. Men generelt, er der en stigende tendens i supination vinkel. Ved slutningen af dagen 17 efter tilvænning, rotten havde indspillet sin første grundlinje, og fire sessioner senere, det færdige baseline vurdering. Fra tilvænning til optagelse af et fjerde baseline tager uddannelse protokollen et gennemsnit på 20 ± 5 dage.

Mens visning en ideel progression gennem uddannelse protokollen er vigtig, er der har set på en mislykket progression lige så vigtigt (figur 4). I figur 4A, den orange linie viser en rotte, der fuldfører protokollen, den blå linje viser en mislykket rotte, og grå linjer viser en anden seks succesfulde rotter. Vellykket rotter nåede baseline i 15 ± 0,6 dage (n = 7). Repræsentativ succesfulde rotten bruger en 1 klokken greb, mens den mislykkede rotte bruger en 3 klokken greb. Begge rotter knytte knop med en belønning i 2 dage. Derudover viser både rotter en lignende supination vinkel (figur 4A) progression i de første fire dage efter modvægt er tilføjet. Men efter dette punkt, vellykket rotten begynder at bryde ud af den mislykkede rotte. Dette er fordi den mislykkede rotte greb ikke kunne rettes før dette punkt (Se figur 2).

For den succesfulde rotte er der en stejl stigning i supination vinkel, der begynder at plateau mellem 50 og 60 grader, men derefter genoptager en mere stabil klatre over 75 grader. Men for den mislykkede rotte, der er en mere gradvis stigning i supination vinkel. Da rotten plateauer omkring 20 grader, rotten bliver skubbet til supinate mere, men i sidste ende, det mister interesse i opgaven, selv med manuel fodring, og supination vinkel aftager hurtigt omkring dag 15 efter tilvænning. Mens der er en lille bedring efter dag 17 efter tilvænning, kæmper rotten at supinate mere end 25 grader. Hvis en rotte ikke har opnået baseline af dagen 20, vi overveje denne rotte mislykket og fjerne rotten fra undersøgelsen.

Ud over supination vinkel, kan man udføre en visuel inspektion af supination bølgeformer (figur 4B-D) for den vellykkede og mislykkede rotte. Når du udfører en besigtigelse, vi søger flere bølgeform karakteristika: hældningen af linjen, ventetid og antallet af toppe i tidsvindue for retssagen. Hældningen af linjen er beregnet som afledede af kurven mellem starten af kurven og toppen af kurven. Latenstiden er beregnet som tiden mellem indledning af retssagen og kurven krydser tærsklen hit. Endelig er toppe beregnet ved hjælp af afledt for at finde lokale maxima i vinduet retssag. Tidligere vi fundet at hældningen af linjen eller hastighed, er en robust foranstaltning af supination kinetik og er følsom over for subtile underskud 8.

I den første tredjedel af uddannelse efter begynder at supinate bruger 6 g (figur 4B), viser det succesfulde rotte (figur 4B1) en enkelt bølgeform med et peak nær 20 grader, mens den mislykkede rotte (figur 4B2 ) viser en dobbelt tur eller to toppe, med den første peak nær 10 grader og den anden peak nær 5 grader. I den midterste tredjedel af uddannelse (figur 4 c), viser det succesfulde rotte (figur 4 c1) en stigning i peak vinkel fra 20 grader til 50 grader med en mere defineret, enkelt peak kurve. Mislykket rotte (figur 4 c2) i mellemtiden kun viser en marginal stigning i peak vinkel til 20 grader, men er forbedret i sin form; Det bruger nu kun en enkelt tur. Af den sidste tredjedel af uddannelse (figur 4D), viser den vellykkede rotte (figur 4D1) en meget markant enkelt bølgeform med en top omkring 65 °, versus de mislykkede rotte (figur 4D2) med et peak vinkel af 20 grader men nu med en ekstra peak på 2 s på 15°. Dette er en anden god indikator at med stigende uddannelse sværhedsgrad, rotten var ude af stand til at korrigere 3 klokken rækkevidde, og til gengæld, ikke supinate korrekt. Selvom denne rotte var ikke udelukket fra undersøgelsen, og til sidst kunne udføre op til 75 grader vil spørgsmål forblive om, hvorvidt det var rigtigt supination versus supination med kompensation.

Endelig registrerer supination opgave funktionelle svækkelse efter flere typer af skader, herunder en cut læsion af corticospinal tarmkanalen, den vigtigste vej til frivillig bevægelse i mennesker og forelimb motoriske cortex læsion udført med endothelin injektioner (Figur 5) 8,10,22. Rotter i gruppen pyramidotomy (lilla, n = 8) blev uddannet til supinate mindst 75° på 6 g på en succesrate på 75% eller derover, mens rotter i gruppen kortikale læsion (grøn, n = 10) blev uddannet til supinate 60° på 7,5 g på 75% eller derover. Rotter i begge grupper viste en skarp nedgang i succesrate efter skade (figur 5A). Succesraten for rotter i gruppen pyramidotomy faldt fra 90% ± 2% til 14% ± 8%. SucCESS sats for rotter med kortikale læsion faldt fra 76% ± 1% til 10% ± 3%. Uge 6, begge grupper var stadig nedsat: pyramidotomy gruppen var 34% ± 11%, mens gruppen kortikale læsion forblev på 16% ± 7%. Hvad angår supination vinkel viser begge grupper et fald fra før til efter skade (figur 5B). På grund af de forskellige kriterium baseline supination vinkler havde pyramidotomy gruppen en højere før skade supination vinkel (85° ± 2,9 °) end gruppen kortikale læsion (67° ± 0,52 °). Gruppen pyramidotomy faldt til 38° ± 10°, mens gruppen kortikale læsion faldet til 27° ± 2,9 °.

Figure 1
Figur 1: Supination opgavebeskrivelsen. (A) rotten er placeret i en Plexiglas boks med en blænde, hvorigennem det når og griber en knop, der skal være aktiveret i supination. Knop har to stop til at forhindre supination vinkler større end 100°. Knop har også en remskive med kontravægt; Dette skaber drejningsmoment, at rotten skal overvinde for at supinate. Knop er tilsluttet en optisk encoder, der måler vinkel med en nøjagtighed på 0,25 °. Denne optiske encoder er tilsluttet en microcontroller, som igen er forbundet til en computer, der styrer opgaven. Computeren microcontroller når at udløse lyd-feedback-signaler og undvære en pellet fra feeder, hvis en succes kriterium er opnået. Mikrokontroller styrer også auto hjælpe hvis position mellem 0 og 1,25 cm er dikteret af uddannelse fase af computeren. (B) rotten udfører opgaven i tre successive bevægelser: at nå igennem blænde, fatte knop med en power greb beliggende ved 1-tiden, og supinating. (C) knop supination opgave styres af kontrol software. Eksperimentatoren indgange fagets navn og vælger uddannelse fase, mens programmet indstiller de tilsvarende parametre. En bølgeform på en enkelt succesfuld supination retssag er vist i blåt, mens sekvensen af vellykkede og mislykkede forsøg er vist i grøn og rød, henholdsvis. En retssag er markeret vellykket kontrol software hvis supination vinkel er større end den hit inden for den definerede tidsvindue, der henviser til, at en retssag er markeret forgæves, hvis det ikke. Dette program styrer én boks. Fire programmer kan køres samtidig pr. computer. Dette tal er blevet ændret fra Sindhurakar et al., 2017, Neurorehabilitering og neurale reparation8. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: Supination bevægelser. Diagrammer og beskrivelser af fælles korrekt og ukorrekt supination bevægelser opstod under uddannelse-protokollen. Korrekte bevægelser giver mulighed for ægte supination, mens forkerte bevægelser omfatter kompenserende mekanismer, der kan forhindre sand supination. Inkluderet er forslag til løsninger for at rette forkert bevægelser. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3 : Uddannelse protokollen. (A) Standard tidslinje. Der er fem uddannelsesperioder varig ca 25 dage i alt: tilvænning (5 d), belønning Association (1-3 d), vægttræning 3-4 d, uddannelse til Baseline (8-12 d) og Baseline vurdering (2-4 d). Stregmønster på tidslinjen angiver den tid, der kræves af eksperimentatoren at bruge på opgaven hver session. Som uddannelse protokollen provenuet, nedsætter tid på opgaven. B generelle progression af en rottes evne til at supinate fra belønning association til baseline vurdering. Samlet set er der en positiv lineær progression af rotte mod baseline, men som bemærket, der er variation i en rotte ydeevne i hele uddannelse protokollen. Efter vægttræning, er der en periode med adaptive træning, hvor Vinkeltærskel supination er ændret til at matche den rotte ydeevne. Denne adaptive training er efterfulgt af en statisk tærskel paradigme indtil rotten har opnået baseline. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4: Vellykkede og mislykkede opgave erhvervelse. (A) Progression af supination vinkel i hele uddannelse protokollen for otte rotter, syv vellykket og en mislykket. Én repræsentant rotte, der når baseline kriterium (vellykket, orange) og en mislykket rotte (blå) er yderligere brugt som casestudier. I de første syv dage i uddannelse efter tilvænning, både de vellykkede og mislykkede rotte viste lignende fremskridt i supination vinkel. Af dagen 11 efter tilvænning, den vellykkede rotte var supinating 55 ° mens den mislykkede rotte supineret 25 °. Efter dag 15 efter tilvænning, den vellykkede rotte viste en kraftig opadgående progression, mens den mislykkede rotte faldt i ydeevne. I den sidste tredjedel af uddannelse efter tilvænning, havde den mislykkede rotte plateaued på 30 ° mens den succesfulde rotte var supinating 80 °. (B) gennemsnitlige bølgeform (sort streg) med et 95% konfidensinterval (orange for vellykket, blå for mislykkede) for den første tredjedel af uddannelse efter 6 g modvægt er tilføjet. (B1) Vellykket rotte - enkelt peak omkring 20°. (B2) Mislykket rotte - dobbelt spidsbelastning med globale maksimum på 10°. (C) gennemsnitlige bølgeform (sort streg) med et 95% konfidensinterval (orange for vellykket, blå for mislykkede) for den anden tredjedel af uddannelse efter 6 g modvægt er tilføjet. (C1) Vellykket rotte - enkelt peak på 45°. (C2) Mislykket rotte - forbedret form med enkelt peak nær 20°. (D) gennemsnitlige bølgeform (sort streg) med et 95% konfidensinterval (orange for vellykket, blå for mislykkede) for den sidste tredjedel af uddannelse efter 6 g modvægt er tilføjet. (D1) Vellykket rotte - udtales enkelt peak på 65°. (D2) Mislykket rotte - dobbelt spidsbelastning med globale maksimum på 20°. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 5
Figur 5:stærk > opgave følsomhed over for forskellige skade modeller. Rotter i gruppen pyramidotomy (lilla, n = 8) blev uddannet til supinate 75° på 6 g på en succesrate på 75% eller derover, mens rotter i gruppen kortikale læsion (grøn, n = 10) blev uddannet til supinate 60° på 6 g på 75% eller derover. Data, der vises er gennemsnit ± standardafvigelse. (A) succesrate for pyramidotomy læsion versus kortikale læsion. Begge skade modeller viste en skarp nedgang i succesraten fra før til efter skade (uge 1). Succesraten for pyramidotomy faldt fra 0,90 ± 0,02 til 0,14 ± 0,08, mens succesraten for kortikale læsion faldet fra 0,76 ± 0,01. B supination vinkel for pyramidotomy versus kortikale læsion. Begge grupper viste et fald fra før til efter skade: Gruppen pyramidotomy faldt til 38,2 ° ± 10,1 ° mens gruppen kortikale læsion faldt til 27,1 ± 2,9 °. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

Knop supination opgave evalueres forelimb supination i rotter ved hjælp af kvantitative og semi-automatiserede metoder. For at opnå disse slutpunkter, har mange af de parametre, der er designet til opgaven, herunder knop justering, manipulandum design og uddannelse kriterier, været gentog over flere år. For knop justering, eksperimenterede vi med tre forskellige linjeføringer i knop med hensyn til blænde: venstre side af knappen på linje med den venstre side af blænden, knop centreret i aperture, og i højre side af knop på linje med den højre side af den en perture. Vi afgjort på højre side af knappen bliver justeret med den højre side af blænde, som denne producerede rotter der blev trænet i den korteste tid og der supineret med minimal kompenserende mekanismer, specifikt, indblanding fra venstre pote.

Som manipulandum design ændret vi flere designfunktioner for at maksimere drejning med forelimb og minimere brugen af kroppen. Desuden skaleres vi vanskeligheden opgave at sværhedsgraden af det forventede underskud. Efter pyramidotomy, supination er den bevægelse, der er stærkest påvirket, men lidelsen er stadig relativt subtile. Dermed, vi trænet rotter til en højere baseline kriterium (75°) til at sikre, at store underskud blev observeret efter skade. Til kortikale læsioner, som er mere forringer, var 60-graders tærskel på 7,5 g tilstrækkelig til at godtgøre et betydeligt underskud efter skade. Yderligere parametre, der er optimeret gennem en trial-and-error metode omfatter blænde størrelse, knop afstand fra blænden og tidsvindue til at opnå en vellykket retssag.

Der er nogle kritiske punkter i hele den uddannelse protokol, der kræver omhyggelig overvågning. Når du træner til baseline, har adaptive tærskel metode været anvendt med succes til at træne rotter til 75° 10. Men rotter kan plateau ved en peak vinkel mindre end 75°; forestillingen forbliver den samme efter 4-5 sessioner. For at forbedre ydeevnen, kan være ansat en statisk tærskel. En statisk tærsklen henviser til tærsklen tilbage på et sæt grad, som er uafhængig af rotte ydeevne, i modsætning til en adaptive tærskel, at ændringer baseret på de seneste resultater. Hvis rotten plateauer under adaptive træning, bør eksperimentatoren ændres til en statisk tærskel. Statisk uddannelse faser spænder fra 20 til 70 grader i 10° intervaller. (Scenen K28 - K33). Vælg den statiske fase baseret på rottens gennemsnitlige peak vinkel i de tidligere 2 sessioner. For eksempel, hvis rotten er i gennemsnit 45°, Vælg den statiske stadie til 50 grader (K31). Alle statiske faser sæt "Init. Tærske."på 5 °. Under træning, hvis rotten mister motivationen, manuelt feed rotten hvis det supinates tæt på, men ikke over tærsklen.

Derudover ved baseline vurdering tilbagegang ca. 5% af rotter 5-10° i deres supination vinkel og 5-10% i succesrate mellem sessioner. Hvis dette sker, og rotten gendanner ikke 75° gennemsnitlige peak vinkel efter 3-4 sessioner, mindske statisk scenen til under 10 grader af rottens nuværende gennemsnitlige vinkel før han vendte tilbage til trin 3.5. Det er vigtigt at ikke genindføre en rotte adaptive faser, når det har været placeret på statisk uddannelse faser.

Der er nogle begrænsninger for opgaven. Når forkert greb holdning er blevet oprettet, kan ændre grådige adfærd (figur 2) være svært. Således er tidlig påvisning og korrektion vigtigt. For at korrigere en rotte greb, kan blænden ændres ved at indsnævre størrelse af blænde i den horisontale og/eller lodrette retning; typisk tape vi et glas dias til kanten af den blænde, der kræver justering. For de fleste rotter forbedrer det deres rækkevidde form, fordi det tvinger dem til at forstå manipulandum på en bestemt måde. Dette, til gengæld forbedrer deres evne til korrekt supinate.

Ud over denne udfordring, kan rotter udvikle kompensatoriske mekanismer til supinate. Disse omfatter anvendelse af hovedet for at støtte forelimb i supination; sænke albue og skulder fælles at slå knob; ved hjælp af venstre pote for at hjælpe drej drejeknappen eller tryk ned for at nå pote. Alle disse adfærdsmønstre kan bruges til at fuldføre opgaven. Som nævnt ovenfor, kan adfærd vedrørende forståelse rettes ved at manipulere blænde. Kompenserende mekanismer uden for rækkevidde, men kræver aktiv deltagelse af eksperimentatoren at ikke belønne kompenserende adfærd. Efter skade, har vi observeret rotter tager flere forsøg til placere pote i den korrekte position før supinating. Selv om vi ikke har analyseret, hvilke bestanddele af opgaven vil kunne bidrage til tab af supination, disse kan omfatte tab af nøjagtige greb og nedsat kraft graduering, blandt mange muligheder.

Semi-automatiske supination opgaven tager, i gennemsnit 20 ± 5 dage for at uddanne rotter grundlinjen, og 25% af dyrene ikke kan trænes på opgaven. Bidrager til tid er, at vi ikke har valgt naturligvis ret-præference rotter men i stedet tvinger alle dyr til at bruge deres rigtige poter, som er almindelige i de fleste nåede assays. Vi har ikke prøvet at bruge venstre-præference rotter, men det ville være en interessant sonderende undersøgelse skal først identificere pote præference og derefter træne den dominerende pote. For at imødekomme dette, vil vi skulle vende retningen af dørene således at blænde er vendt; Dette kan nemt gøres.

Sammenlignet med traditionelle opgaver som IBB eller enkelt pellet nå, måler opgaven supination kvantitativt og objektivt forelimb nå. Det viser følsomhed over for alvorlig skade (kortikale læsion) og subtile skade (pyramidotomy), og proceduren for uddannelse kan ændres afhængigt af sværhedsgraden af skaden model. Fordi det er semi-automatiske, giver opgaven eksperimentatoren at uddanne flere rotter samtidigt, afhængigt af uddannelse fase. Dette forbedrer eksperimentatoren produktivitet og rotte overførselshastighed. Opgaven er pålidelig og reproducerbar mellem rotter. Ved at oprette en fejlfindingsvejledning (figur 2) for eksperimentatorer henvise til under uddannelse-protokollen, har vi standardiseret flere ukorrekte adfærd samt løsninger til at løse dem. Endelig, opgaven tilbyder en intuitiv middel til at analysere store datamængder og giver eksperimentatoren mulighed for at dykke dybere ned i kinetik af supination.

I fremtiden, vil vi bruge halvautomatiske supination opgave som en platform til at evaluere type, dosis og timing af rehabilitering. Vores laboratorium er interesseret i effekten af stimulation på funktionel forbedring efter skade. Hertil, vi er interesseret i hvordan terapier, der stimulerer neurale reparere eller forbedre neurale overledning og kommunikation kan påvirke rehabilitering. Vi har også interesse i modificerer opgaven for at være kompatibel med Elektrofysiologi, så vi kan studere motoriske læring; rotter med hovedCaps udføre rutinemæssigt opgaven, og tilføje en Kommutatoren for optagelse eller stimulation ville være simpelt at gøre. Opgaven, som beskrevet, er for rotter, men der er også labs eksperimentere med at bruge mus til opgaven. Generelt kan denne opgave bruges til evaluering af forelimb funktion i gnavere i en bred vifte af skade modeller og sygdomstilstande og til gengæld for at vurdere rehabiliterende strategier. Bevæger sig fremad, vi vil fortsætte med at forbedre opgave med justeringer for at mindske forkert adfærd og forbedre opgave erhvervelse sats og træningstid.

Disclosures

Dr. Rennaker og Dr. Sloan er ejere af Vulintus Inc., der fremstiller udstyr i denne publikation. Ingen interessekonflikter erklæret for andre forfattere.

Acknowledgements

Denne forskning har været finansieret af 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Anderson, K. D. Targeting recovery: priorities of the spinal cord-injured population. J Neurotraum. 21, (10), 1371-1383 (2004).
  2. Martin, J. H. Systems neurobiology of restorative neurology and future directions for repair of the damaged motor systems. Clin Neurol Neurosur. 114, (5), 515-523 (2012).
  3. Lemon, R. N. Descending pathways in motor control. Annu Rev Neurosci. 31, 195-218 (2008).
  4. Feng, W., Wang, J., et al. Corticospinal tract lesion load: An imaging biomarker for stroke motor outcomes. Ann Neurol. 78, (6), 860-870 (2015).
  5. Whishaw, I. Q., Pellis, S. M., Gorny, B. P., Pellis, V. C. The impairments in reaching and the movements of compensation in rats with motor cortex lesions: an endpoint, videorecording, and movement notation analysis. Behav Brain Res. 42, (1), 77-91 (1991).
  6. Irvine, K. A., Ferguson, A. R., Mitchell, K. D., Beattie, S. B., Beattie, M. S., Bresnahan, J. C. A novel method for assessing proximal and distal forelimb function in the rat: the Irvine, Beatties and Bresnahan (IBB) forelimb scale. J Vis Exp. (46), (2010).
  7. Allred, R. P., Adkins, D. L., et al. The vermicelli handling test: a simple quantitative measure of dexterous forepaw function in rats. J Neurosci Meth. 170, (2), 229-244 (2008).
  8. Sindhurakar, A., Butensky, S. D., et al. An automated test of rat forelimb supination quantifies motor function loss and recovery after corticospinal injury. Neurorehab Neural Re. 31, (2), 122-132 (2017).
  9. Carmel, J. B., Kim, S., Brus-Ramer, M., Martin, J. H. Feed-forward control of preshaping in the rat is mediated by the corticospinal tract. Eur J Neurosci. 32, (10), 1678-1685 (2010).
  10. Meyers, E., Sindhurakar, A., et al. The supination assessment task: An automated method for quantifying forelimb rotational function in rats. J Neurosci Meth. 266, 11-20 (2016).
  11. Gomez-Marin, A., Paton, J. J., Kampff, A. R., Costa, R. M., Mainen, Z. F. Big behavioral data: psychology, ethology and the foundations of neuroscience. Nat Neurosci. 17, (11), 1455-1462 (2014).
  12. Wong, C. C., Ramanathan, D. S., Gulati, T., Won, S. J., Ganguly, K. An automated behavioral box to assess forelimb function in rats. J Neurosci Meth. 246, 30-37 (2015).
  13. Alaverdashvili, M., Whishaw, I. Q. Motor cortex stroke impairs individual digit movement in skilled reaching by the rat. Eur J Neurosci. 28, (2), 311-322 (2008).
  14. Ellens, D. J., Gaidica, M., et al. An automated rat single pellet reaching system with high-speed video capture. J Neurosci Meth. 271, 119-127 (2016).
  15. Lai, S., Panarese, A., et al. Quantitative kinematic characterization of reaching impairments in mice after a stroke. Neurorehab Neural Re. 29, (4), 382-392 (2015).
  16. Molina-Luna, K., Hertler, B., Buitrago, M. M., Luft, A. R. Motor learning transiently changes cortical somatotopy. Neuroimage. 40, (4), 1748-1754 (2008).
  17. Ballermann, M., Tompkins, G., Whishaw, I. Q. Skilled forelimb reaching for pasta guided by tactile input in the rat as measured by accuracy, spatial adjustments, and force. Behav Brain Res. 109, (1), 49-57 (2000).
  18. Vigaru, B. C., Lambercy, O., et al. A robotic platform to assess, guide and perturb rat forelimb movements. IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng. 21, (5), 796-805 (2013).
  19. Martin, J. H., Choy, M., Pullman, S., Meng, Z. Corticospinal system development depends on motor experience. J Neurosci. 24, (9), 2122-2132 (2004).
  20. Murgia, A., Kyberd, P. J., Chappell, P. H., Light, C. M. Marker placement to describe the wrist movements during activities of daily living in cyclical tasks. Clin Biomech. 19, (3), 248-254 (2004).
  21. Simpson, J., Kelly, J. P. An investigation of whether there are sex differences in certain behavioural and neurochemical parameters in the rat. Behav Brain Res. 229, (1), 289-300 (2012).
  22. Hays, S. A., Khodaparast, N., et al. The isometric pull task: a novel automated method for quantifying forelimb force generation in rats. J Neurosci Meth. 212, (2), 329-337 (2013).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics