Knotten supinasjon oppgaven: En semi-automatisert metode for å vurdere forlemen funksjon i rotter

Published 9/28/2017
0 Comments
  CITE THIS  SHARE 
Behavior
 

Summary

Dette manuskriptet beskriver en semi-automatisert oppgave som quantifies supinasjon i rotter. Rotter rekkevidde, forstå og supinere en sfærisk manipulandum. Rotta er belønnet med pellets hvis slå vinkelen overskrider et vilkår fastsatt av brukeren. Denne aktiviteten øker gjennomstrømning, følsomhet for skade og objektivitet sammenlignet med tradisjonelle oppgaver.

Cite this Article

Copy Citation

Butensky, S. D., Bethea, T., Santos, J., Sindhurakar, A., Meyers, E., Sloan, A. M., et al. 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

Oppgaver som måler nøyaktig ferdighet i dyremodeller er avgjørende å forstå hånd-funksjonen. Gjeldende rotte atferdsmessige aktiviteter som måler ferdighet i stor grad bruke video analyse av nå eller mat manipulasjon. Mens oppgavene er lett å implementere og er robuste over sykdom modeller, er de subjektiv og arbeidskrevende for eksperimentator. Automatisere tradisjonelle oppgaver eller opprette nye automatiserte oppgaver kan gjøre oppgavene mer effektiv, objektiv og kvantitative. Rotter er mindre berørt fingernem enn primater, sentrale nervøse systemet (CNS) skade produserer mer subtile underskudd i behendighet, imidlertid, supinasjon er svært siden i gnagere og avgjørende for hånden funksjon i primater. Derfor designet vi en semi-automatisert oppgave som måler forlemen supinasjon i rotter. Rotter er opplært til å nå og forstå en knott-formet manipulandum og slå manipulandum i supinasjon motta en belønning. Rotter kan tilegne seg ferdigheter innen 20 ± 5 dager. Mens den tidlige delen av treningen er svært veiledet, gjøres mye av treningen uten direkte tilsyn. Oppgaven pålitelig og reproduserbar fanger subtile underskudd etter skader og viser funksjonelle utvinning som gjenspeiler klinisk utvinning kurver. Analyse av dataene er utført av spesialisert programvare gjennom et grafisk brukergrensesnitt som skal være intuitive. Vi også gi løsninger på vanlige problemer oppstod under trening, og viser at mindre korreksjoner virkemåten tidlig i trening produsere pålitelige oppkjøpet av supinasjon. Dermed gir knotten supinasjon oppgaven effektiv og kvantitativ vurdering av en kritisk bevegelse for ferdighet i rotter.

Introduction

Tap av fingerfølsomhet etter nervesystemet skade eller sykdom betydelig reduserer uavhengighet og livskvalitet for berørte personer 1,2,3,4. Dermed er behendighet et viktig resultat tiltaket for å forstå vitenskapen om neural reparasjon og rehabilitering som tillegg fundamentene av nevrale kontroll og motor læring. Manuelle oppgaver som enkelt pellet nå, pasta manipulasjon, og Irvine, Beatties og Bresnahan (IBB) forlemen skala har tradisjonelt brukt til å vurdere ferdighet i dyr, spesielt gnagere 5, 6,7. Disse oppgavene har blitt popularisert på grunn av deres minimal aktivitet anskaffet. Men er de kvalitativ i naturen, arbeidskrevende for eksperimentator, og, til tider, ufølsom for funksjonell verdifall etter skader med subtile underskudd 5,7,8,9. Disse begrensningene av tradisjonelle aktiviteter har påvirket utviklingen av mer kvantitative tiltak av motorikk i dyr, spesielt forlemen nå.

Det er flere fordeler med å automatisere oppgaver, nemlig objektivitet, økt ytelse og redusert analyse tid. Nye automatiserte oppgaver gir et mer følsomme mål vurdere ferdighet etter skade enn konvensjonelle oppgaver 8,10. I tillegg tillate de adaptive trening og testing som skreddere trening og testing problemer til et dyr ytelse. Til slutt, automatiserte oppgaver generere store mengder data, som gir to fordeler. Først øker en økning i dataene både i en rettssak og forsøk statistiske kraften i en studie. Dernest gir det nevrologer et større datasett å studere motor læring, opplæring og kompensasjon mer robust gjennom analyse av kinetic og Kinematisk 11.

Flere grupper har forsøkt å automatisere tradisjonelle oppgaver. Høyhastighets kameraer kan brukes til å samle Kinematisk data fra aktiviteter som den eneste pellet nå aktivitet 12. Alaverdashvili og Wishaw har brukt Høyhastighetskameraer fange nå bevegelser og analysere siffer bevegelser med frame-by-frame bevegelse måling programvare Peak Motus 13. Men denne programvaren identifiserer ikke tall ved hjelp datamaskinen visjon, men i stedet krever eksperimentator å digitalisere glidende poeng ved markøren. I tillegg har noen aktiviteter blitt brukt i forbindelse med forer og bur automatisere trening prosessen 14,15,16.

Andre grupper har brukt force sensorer samt høyhastighets kameraer til å evaluere romlige justeringer og makt i dyktige forlemen nå bruker pasta manipulasjon, mens andre har designet oppgaver å fange mer komplekse bevegelser 17. En slik aktivitet er en rekkevidde og trekke oppgave som bruker en tre-grad-av-frihet robot enheten for å fange plan og roterende bevegelse av rotte forlemen bevegelser 18. Dette har fordeler i å kunne måle kinetics bevegelser, men med en økning i kompleksitet og kostnader.

Her viser vi en halvautomatisk forlemen aktivitet som måler supinasjon i rotter 8. Forlemen supinasjon er rotasjonen av paw fra palm til palm opp. Supinasjon er både en utmerket markør corticospinal skrift-funksjonen og en klinisk relevante bevegelse i mennesker som er nødvendig for daglig lever aktiviteter 8,19,20. I tillegg er supinasjon svært følsom for skade og inaktivering, spesielt sammenlignet med enkelt pellet nå 8. Aktiviteten supinasjon, utviklet i samarbeid mellom Burke Medical Research Institute og The University of Texas i Dallas, tiltak roterende bevegelse i horisontalplanet 8,10. Rotter er plassert i en opptreden (figur 1A) og er utdannet å gjøre tre bevegelser (figur 1B): nå gjennom en rektangulær blenderåpning; forstå en sfærisk manipulandum; supinere til en angitt vinkel.

Aktiviteten virkemåten kontrolleres av PC-programvare (figur 1 c). Kontrollere programvare sender instruksjoner til en microcontroller som er koblet til auto-positioner, optisk encoder, høyttaler og mater. Mikrokontrolleren og dets eksterne tilkoblinger er referert til som boksen microcontroller. Informasjonen flyter fra optisk koder, microcontroller, deretter datamaskinen, og deretter tilbake til microcontroller. Hvis kontrollere programvare har signalisert til microcontroller at rettssaken var en suksess, utløser microcontroller materen å dispensere pellets. På begynnelsen av hver økt reléer kontrollere programvare scenen informasjonen til microcontroller, som styrer automatisk-positioner plassere knotten på scenens definerte avstand fra blenderåpning. Auto-positioner kan også styres manuelt ved hjelp av piltastene på auto-positioner. Optisk koderen registrerer data på 100 Hz og tiltak i vinkel. Alle data lagres i binært format.

Eksperimentator bruker sekvensiell opplæring scener i programvaren for å trene rotta fra habituering til supinating på en forhåndsdefinert vinkel og suksess rate. Under habituering plasseres knotten manipulandum i aperture-vinduet uten en motvekt. Etter en uke med svært veiledet trening, rotta knytter knotten belønning og begynner å vri på bryteren uavhengig. Når rotta er kjøpedyktig skru uavhengig, er knotten trukket til 1,25 cm 0,25 cm trinn til rotta kan slå uavhengig på 1,25 cm. motvekt er så lagt i 1 g trinn fra 3 g til 6 g. automatisert trening stadier trene dyret til å supinere knotten 6 g opptil 75 grader. Denne fasen av opplæring er i stor grad unsupervised; Når rotter vedta oppgaven med riktig form (omtalt under), fortsetter de å supinere riktig. Opplæring er fullført når rotter supinere 75 grader ved en suksessrate (treffprosent) på 75% 8. Her beskriver vi en typisk trening protokoll og nåværende løsninger på vanlige problemer vi har støtt på. Vi demonstrere progresjon av representant vellykkede og mislykkede rotter gjennom trening protokollen og viser at oppgaven kan endres for å vise nedsatt fysisk funksjon med subtile eller mer alvorlige underskudd.

Protocol

denne protokollen beskriver sette opp oppgaven og etablere bor og fôring forhold, samt opplæring dyr testing dyr etter skade og analyserer atferd. De fire trinnene trening av dyr beskrives også: habituering, belønning association, motvekt opplæring og trening kriteriet slå vinkel. Alle dyreforsøk ble godkjent av IACUC av Weill Cornell medisin og University of Texas i Dallas.

1. innstillingen opp i oppgaven

  1. Design en opptreden boks laget av klar plast som måler 150 mm bred 200 mm lange 250 mm høy.
    Merk: Her den rektangulære åpningen er 14,2 mm bred 25,4 mm høy. Knotten manipulandum av diameter 9,5 mm er laget med methacrylate og har to stopp som begrenser supinasjon til mindre enn 100°. Hver av disse parameterne har blitt testet og optimalisert for underskuddene beskrevet under resultater. Av atferdsmessige og manipulandum er vist i figur 1A.
  2. Kobler boksen microcontroller til datamaskinen. Opptil fire microcontroller boksene kan kobles til hver datamaskin.
  3. For å starte oppgaven, bruker programmet kontroll ( figur 1 c).
    1. Velg knotten enhet for kontroll. Input subjektet navn i den " emnet " feltet. Velg scenen for trening under den " scenen " rullegardinmenyen.
      Merk: Stadier dikterer tre parametere for hvert forsøk: den " traff vinduet " " treffer terskel, " og " første terskelen. " en hit er definert som nådde kriteriet vinkelen innenfor en definert periode. " Traff vinduet " refererer til tiden tildelt for en dyr å starte en prøveversjon og nå kriterium vinkelen. " Traff terskelen " er kriteriet vinkelen for en vellykket prøveperiode. " Første terskelen " er kriteriet vinkelen til starte en rettssak og traff vinduet. Dette angir starten på turn. Mer informasjon om stadier kan sees nedenfor under delen " opplæring dyr. "
    2. Klikk " starter " å begynne treningsøkten. Klikk " Feed " mate manuelt dyret og " stoppe " å stoppe treningsøkten.
      Merk: Manuell mating skal brukes til å opprettholde interessen for oppgaven og beskrevet i detalj i del 3. Etter avsluttet økten, øktdata vil lagres i C: stasjonen.

2. Fôring forholdene og

  1. Bruk voksne kvinner Sprague Dawley rotter (175-200 g). Huset rotter sammen i standard bur med motsatt 12t mørke/12 h lys syklus. Utføre alle opplæring og testing under mørke syklus med lys nedtonet.
    Merk: Hunnrotter brukes fordi de er lettere å trene 21. Her ble Sprague-Dawley brukt fordi det er en vanlig påkjenning brukes i motor trening, og det er den dominerende påkjenningen for transgenics. Imidlertid gitt justerbar natur aktiviteten (motvekt, sving vinkel kriterium, knott, og knott selv) Dette kan enkelt justeres for ulike belastninger og større (f.eks menn) eller mindre (f.eks Wistar) rotter.
  2. For de første 5 dagene av studien, gi rotter en full gjennom i tillegg ernæringsmessig komplett, sjokolade flavored pellets i fem dager. Etter den femte dagen, mat-begrense rotter til 85% av deres normal vekt kurve.
  3. Etter maten begrensningen har begynt, mate rottene 7.5 g sjokolade pellets (justere opp eller ned for å opprettholde 85% av alder-justert vekt) gjennom hele opplæringen. Hvis rotter ikke har mottatt 7,5 g sjokolade pellets i sine treningsøkter, supplere withstandard chow etter det avsluttende rettsmøtet.
    Merk: Helg fôring er annonsen libitum med standard chow til søndag, deretter mat-frata overnatting. Når du utfører operasjoner eller andre invasiv tiltak, tillate mat annonse libitum minst tre dager før og i tre dager etter inngrepet (avhengig av utvinning ganger) før du setter rotter på maten begrensningen igjen.

3. Opplæring prosedyren

Merk: en oversikt over trening prosedyren er vist i figur 3A. Hele protokollen, tren rotter to ganger daglig, om morgenen og en gang på ettermiddagen. Vent minst 3 h etter morgenøkt før ettermiddag.

  1. Habituering
    Merk: Målet med habituering er å sette rotta med boksen testing og med håndtering.
    1. Trekke knotten enheten helt ved å trykke på pil ned på auto positioner.
    2. Sted rotta inne boksen opptreden i 15 min.
    3. Etter 15 min i-boksen, håndtere hver rotte i hendene i minst fem minutter å sette rotta å eksperimentator.
    4. Gjenta dette i fem dager.
  2. Belønning Association
    Merk: målet er å trene rotta å knytte snu på knott en næringen belønne. Forvent å bruke hele økten lengden på 30 min på oppgaven under belønning association stadium av trening.
    1. Åpne programvare og innspill rotta navn. Sette stadiet til " K1: knott forme - ingen skivene. "
      Merk: Dette angir manipulandum avstanden fra blenderåpning på 0.0 cm, den " Init. Thresh. " på 3°, " HIT Thresh. " på 5 grader og " HIT vinduet " på 2 s. Dette gjør at rottene å bli matet som rotta viser knotten siste 3 grader. Den " HIT vinduet " forblir på 2 s gjennom trening.
    2. Putte rotta inne opptreden boksen og trykk " starter " å starte økten.
    3. Sette rotta å belønne bunnen av dispensing 2-3 pellets samtidig og trykke på siden av boksen der belønning bunnen ligger. Dispensere pellets ved hjelp av manuelle arkmateren.
    4. Når rotta vet plasseringen av belønningen, manuelt dispensere 1 pellet når rotta er foran blenderåpning.
    5. Når rotta flyttes til aperture i påvente av pellets belønning, tilstand rotta å samhandle med manipulandum.
      1. Be rotta å delta ved å plassere 45 mg mat pellets nær manipulandum, eller bruke pellet støv direkte til manipulandum, slik at det å nå ut og forstå den. Hvis rotta flytter fra blenderåpning, trykk på nær manipulandum å omdirigere sin oppmerksomhet.
        Merk: Hvis rotta har rørt knapp med nå labben, vil programmet mate rotta. Eventuelle samhandlinger som ikke inkluderer bruk av paws (i.e. bite, nosing i manipulandum) er feil og bør ikke bli belønnet.
    6. Når rotta begynner berøre knapp med ønsket labben og få belønnet 10 ganger etter hverandre for 0.0 cm, bruke pil ned-tasten på auto-positioner ( figur 1A) å trekke i manipulandum av 0,25 cm. Gjenta Denne i 0,25 cm økes til manipulandum er 1,25 cm fra blenderåpning.
    7. Trykk " stoppe " etter 30 min å avslutte økten.
    8. Fortsett lønn tilknytning til rotte supinates manipulandum med ønsket paw på 1,25 cm fra blenderåpning ( figur 1B).
    9. Når rotta har 2 påfølgende økter supinating manipulandum og gjenopprette pellet belønningen, begynner motvekt trening.
  3. Motvekt trening trene rottene å supinere en 6 g motvekt.
    1. Sted en 3 g motvekt på manipulandum ved å feste kontakten på slutten av motvekt til L-formet vedlegg punktet på manipulandum. Feed motvekt strengen gjennom skivene til motvekt henger fritt.
    2. Åpne programvare og inndata rotta navn. Sette stadiet til " K2: knott forme - wiretrekk. "
      Merk: Dette angir manipulandum avstanden fra blenderåpning på 1,25 cm, den " Init. Thresh. " på 3°, og " HIT Thresh. " på 5 grader. Manipulandum avstanden vil forbli på 1,25 cm fra dette tidspunktet.
    3. Putte rotta inne opptreden boksen og trykk " starter " å starte økten.
    4. Trykk " stoppe " etter 100 + vellykkede forsøk. Når rotta har 2 påfølgende økter av 100 + vellykkede forsøk, øke vekten av 1 g etter en økt. Øke vekten fra 3 g til 6 g, senere økter.
    5. Fortsette til trinn 3.4 etter 2 sammenhengende økter med supinasjon 6 g og 100 + vellykkede forsøk.
      Merk: Det tar et gjennomsnitt på 6 økter (3 dager) til å jobbe opp fra 3 g til 6 g. begynner i motvekt trening, er det viktig at riktig supinasjon bevegelse blir belønnet og feil supinasjon bevegelse blir formet ut. For en visuell guide og forklaring om riktige og feil supinasjon form, se figur 2.
  4. Opplæring planlagte
    Merk: Husk å fortsette figuren riktig supinasjon bevegelse. Igjen, se figur 2 for en visuell guide til rette/feil supinasjon bevegelse og hvordan å forbedre feil supinasjon. Trene rottene å supinere planlagte vilkårene; Her er dette 75 grader med en 6 g motvekt på en suksessrate på 75% eller høyere.
    1. Plasserer en 6 g motvekt på manipulandum.
    2. Åpne programvare og inndata rotta navn. Sette stadiet til " KSB4: knott trening Median 75 maks "
      Merk: Dette setter den " Init. Pløie. " på 5°, " HIT terskelen Minimum " på 15°, og " HIT terskelen maksimum " på 75°. Dette kalles en " dynamisk " trening stage, betyr terskelen vil øke som rotte ' s ytelsen forbedres. For den " KSB4 " scenen, terskelen først settes til forrige økt ' s endelige grensen. Hvis ingen tidligere økt ble kjørt på dette stadiet, settes terskelen til terskel minst 15 grader. Etter de 10 første forsøkene av økten beregnes terskelen som medianen til toppen vinkler i forrige 10 prøvelser. Dermed terskelen er forskjellig for hvert forsøk og avhenger av rotte ' s resultater i forrige forsøk.
    3. Stoppe økten etter 30 min.
    4. Fortsett trening med adaptive scenen til gjennomsnittlige høyeste er 75 grader eller høyere. Deretter videre til trinn 3.5. Dette skjer vanligvis etter ca 10 dager eller 20 økter.
  5. Planlagte vurdering å spille fire etterfølgende grunnlinjene
    1. plasserer en 6 g motvekt på manipulandum.
    2. Åpne programvare og inndata rotta navn. Sette stadiet til " K27: 75 grader. " Dette setter den " Init. Pløie. " på 5 ° og " HIT terskelen på 75°.
    3. Trykk " stoppe " etter 30 min eller 100 forsøk, hva som kommer først, å avslutte økten.
    4. Fortsett til det er fire sammenhengende opprinnelige planer med en suksessrate på 75% eller høyere.

4. Etter skade vurdering

  1. Åpne programvare og input rotte navnet. Satte scenen på samme statisk scenen som pre-skade planlagte tester. Dette vil beholde de samme parameterne som brukes for planlagte.
  2. Trykk " starte " og kjøre økt til 30 min.
    Merk: Deltakelse kan være lav etter skader. Dette kan løses ved hjelp av manuelt knappen eller plassere belønning pellets nær manipulandum å lokke rotta å engasjere seg med manipulandum.
  3. Gjenta tester en gang i uken i ukentlige intervaller til ønsket lengde av etter skade vurdering er nådd.
    Merk: Her, vi vurdere etter skade ytelse hver uke i seks uker.

5. Analysere Data

Merk: Data lagres i en standardplassering på C: stasjonen av en PC. Data er fanget på 100 Hz under vinduet hit og lagres i binært format. Her ble dataene analysert ved hjelp av et egendefinert program, kalt fingerferdighet. Vennligst kontakt Dr. Jason Carmel for tilgang til denne gratis programvaren.

  1. Åpne fingerfølsomhet og klikk " Standard. "
  2. finne mappen der rotte dataene og velge ønsket mappe.
  3. Når du velger mappen, velger rotter for analyse.
  4. Klikk " holde " eller " forkaste " å beholde eller slette filer som er ufullstendig eller ikke inneholder data.
    Merk: Det er tider når økter startes benytter det galt parameterene og opplæring scenen og mens de er umiddelbart stoppet, en fil opprettes fortsatt. Filen må forkastes under analyse. Det er også tilfeller, spesielt akutt etter skader, når et dyr utfører ingen forsøk på grunn av sin skade eller lite forsøk. For disse øktene, må en fil holdes fordi det er en representasjon av ytelsen. Når en fil med ingen vellykkede forsøk holdes, en NaN plasseres på riktig sted for beregnede variabler.
  5. Velge om å kommentere eksperimentet nå eller senere, hvis " kommentere nå " er valgt, åpnes et nytt vindu. Skriv inn det " eksperimentere navn, " " gruppenavn " " Hendelsesdata, " og " totalt antall uker " i eksperimentet.
  6. Tilordnes en gruppe fag.
  7. Inn antall data økter i hver uke eller tid punkt. Separate inn økter med mellomrom og sørg for ikke å sette inn et mellomrom etter siste nummer dvs (1 1 1 1).
  8. Inn i punkt etiketter. Separate inngangen etikettene med mellomrom og sørg for ikke å sette inn et mellomrom etter sist etiketten dvs (Pre Wk1 Wk2 Wk3).
  9. Velg når hendelsen skjedde, en valgmuligheten å bevare analyse økten vises. Klikk " Ja " lagre analyse økten.
  10. Vises en oversikt over den kommenterte og unannotated data. Dette gir mulighet til å plotte dataene.
  11. For unannotated, klikker du " graf emnet " tegne et enkelt emne eller " graf emner " tegne alle fag i samme diagram.
  12. For kommenterte analyse, klikk " Plot " tegne eksperimentet.
  13. Både kommentert og unannotated, klikker du rullegardinpilen for en liste over variabler skal tegnes. Velg variabelen for å vise tomten.
  14. Klikk Eksporter til å eksportere diagrammet og/eller data som er tilknyttet diagrammet.

Representative Results

Tidlig i trening tilbringer eksperimentator mer tid på oppgaven forme rotte atferd. Som rotter førsteamanuensis rotte supinasjon med belønning, hendene på avtar tid (figur 3A). Under habituering, belønning association og motvekt trening, er hvor hele økten (30 minutter) brukt på oppgaven. Men etter en rotte er supinating med en 6 g vekt, minsker tiden aktiviteten gradvis til ca 15 min som rottas supinasjon vinkelen øker. Til slutt, når rotta når planlagte, tid på oppgaven er minst; eksperimentator trenger bare å plassere rotta i boksen opptreden og starter programmet. Maksimalt antall rotter kjent kan arbeide med samtidig er to rotter under belønning association, fire rotter under motvekt opplæring og trening til baseline så mange rotter som det er boksene under grunnlinjen vurdering og etter skade testing. Gjennomsnitt, 75% av rotter (n = 56) erverve oppgaven.

Når rotta er tilknyttet supinasjon belønning, er det en positiv progresjon i rottes supinasjon vinkel (figur 3B). I figur 3Bkommet rotta fra 3 g til 6 g motvekt fra dag 3 dag 7. Etter motvekt trening, var det en kort periode tilpasset opplæring fra dag 7 dag 9, under hvilke supinasjon økt fra 26 til 30 grader. Fordi det ikke var mye endring, var en statisk terskel ansatt fra dag 9 til 18. I denne perioden, rotta stadig økt fra 30 grader til 75 grader i 8 dager. Det er daglige inkonsekvens under trening, spesielt dager 12 og 14. Men generelt, det er en oppadgående trend i supinasjon vinkel. På slutten av dagen 17 etter habituering, rotta hadde spilt inn sin første opprinnelige planen, og fire økter senere den ferdig planlagte vurdering. Habituering opptak av en fjerde plan tar trening protokollen et gjennomsnitt 20 + 5 dager.

Mens viser en ideell progresjon gjennom trening protokollen er viktig, er viser en mislykket progresjon like viktig (Figur 4). I figur 4A, den oransje linjen viser rotte som har fullført protokollen, den blå linjen viser en mislykket rotte, og grå linjene viser en annen seks vellykket rotter. Vellykket rotter nådde planlagt i 15 ± 0,6 dager (n = 7). Representant vellykket rotta bruker en en forståelse, mens mislykket rotta bruker en tre forståelse. Begge rotter knytte knotten belønning i 2 dager. I tillegg vise både rotter lignende supinasjon vinkel (figur 4A) fremdrift i de første fire dagene etter at motvekt legges. Imidlertid etter dette punktet begynner vellykket rotta å bryte ut av mislykket rotta. Dette er fordi den mislykkede rat's grep ikke kunne korrigeres før dette punktet (se figur 2).

For vellykket rotte er det en bratt økning i supinasjon vinkel som begynner å flate mellom 50 og 60 grader, men deretter fortsetter en stødigere klatre mot 75 grader. Men for mislykket rotte er det en mer gradvis økning i supinasjon vinkel. Som rotta flyer rundt 20 grader, rotta får presset til supinere mer, men til slutt mister interessen for aktiviteten, selv med manuell mating, og supinasjon vinkelen synker raskt rundt dag 15 etter habituering. Mens det er en liten oppgang etter dag 17 etter habituering, sliter rotta med å supinere mer enn 25 grader. Hvis en rotten har oppnådd planlagte dag 20, vi vurdere dette rotten mislykket og fjerne rotta fra studien.

I tillegg til supinasjon vinkel, kan man utføre en visuell inspeksjon av supinasjon bølgeformer (figur 4BD) for vellykkede og mislykkede rotta. Når du utfører en visuell inspeksjon, ser vi for flere bølgeform egenskaper: skråningen av den linjen, ventetid og antall topper i tidsvinduet for rettssaken. Stigningstallet for linjen beregnes som deriverte av kurven mellom utbruddet av kurven og toppen av kurven. Ventetid beregnes som tiden mellom initiering av rettssaken og kurven krysset hit terskelen. Til slutt, topper beregnes ved hjelp av avledet for å finne lokale maxima i vinduet prøve. Tidligere vi fant denne skråningen på linje eller hastighet, er et robust mål supinasjon kinetics og er følsomt for subtile underskudd 8.

I den første tredjedelen av trening etter begynner å supinere bruker 6 g (figur 4B), viser vellykket rotta (figur 4B1) en enkelt fil med en topp nær 20 grader, mens mislykket rotta (figur 4B2 ) viser en dobbel sving eller to topper, med den første toppen nær 10 grader og andre toppen nær 5 grader. I den midtre tredjedelen av trening (figur 4C), viser vellykket rotta (figur 4C1) en økning i topp vinkelen fra 20 grader til 50 grader med mer definert, enkelt peak sving. Mislykket rotta (figur 4C2), i mellomtiden bare viser en marginale økning i topp vinkel til 20 grader men har forbedret i form; nå bare bruker slå. Den siste tredjedelen av trening (Figur 4 d), viser vellykket rotta (Figur 4 d1) en utpreget enkelt bølgeform med en topp rundt 65 °, versus mislykket rotta (Figur 4 d2) med en topp vinkel 20 grader men nå med en ekstra peak på 2 s av 15°. Dette er en god indikator på at med økende trening problemer, rotta klarte ikke å rette sine tre tak og igjen kunne supinere riktig. Selv om dette rotten var ikke utelukket fra studien og til slutt kunne utføre opptil 75 grader, ville spørsmål være om det var sant supinasjon versus supinasjon kompensasjon.

Til slutt, aktiviteten supinasjon oppdager nedsatt fysisk funksjon etter flere typer skader, inkludert en kuttet leksjonen i corticospinal område, den viktigste veien for frivillig bevegelse i folk og forlemen motorisk cortex lesjon utført med endothelin injeksjoner (Figur 5) 8,10,22. Rotter i gruppen pyramidotomy (lilla, n = 8) var utdannet å supinere minst 75° 6 g på en suksessrate 75% eller mer, mens rotter i gruppen kortikale lesjon (grønn, n = 10) var utdannet å supinere 60° 7.5 g til 75% eller mer. Rotter i begge gruppene viste en skarp nedgang i suksessrate etter skade (figur 5A). Suksessraten for rotter i gruppen pyramidotomy redusert fra 90% ± 2 til 14% ± 8%. Sucsessen rate for rotter med kortikale lesjon redusert fra 76% ± 1% til 10% ± 3%. Uke 6, begge gruppene var fortsatt svekket: gruppen pyramidotomy var på 34% ± 11% mens gruppen kortikale lesjon forble på 16% ± 7%. Som for supinasjon vinkel viser begge gruppene en nedgang fra før til etter skade (figur 5B). På grunn av ulike kriterium planlagte supinasjon vinkler hadde gruppen pyramidotomy en høyere pre-skade supinasjon vinkel (85° ± 2.9°) enn gruppen kortikale lesjon (67° ± 0.52°). Gruppen pyramidotomy redusert til 38° ± 10° mens gruppen kortikale lesjon redusert til 27° ± 2.9°.

Figure 1
Figur 1: Supinasjon stillingsbeskrivelse. (A) rotta er plassert i en plexiglass boks med en blenderåpning som den kommer og fatter en knapp som må være aktivert på supinasjon. Knotten har to stopp å hindre supinasjon vinkler større enn 100°. Knotten har også en talje med motvekt; Dette skaper dreiemoment som rotta må overvinne for å supinere. Knotten er koblet til en optisk koder som måler vinkelen med en nøyaktighet på 0,25 °. Denne optiske encoder er koblet til en microcontroller, som igjen er koblet til en datamaskin som styrer oppgaven. Datamaskinen signaler til microcontroller når å utløse lyd-feedback og dispensere pellets fra materen hvis en suksess kriterium er oppnådd. Mikrokontrolleren kontrollerer automatisk positioner hvis stilling mellom 0 og 1,25 cm er diktert av trening scenen satt ved datamaskinen. (B) rotta utfører aktiviteten i tre etterfølgende bevegelser: nå gjennom blenderåpning, fatte knotten med en makt forståelse ligger på klokka 1 og supinating. (C) knotten supinasjon oppgave kontrolleres av programvare. Eksperimentator innganger fagets navn og velger trening scenen, mens programmet angir de tilsvarende parameterne. En bølgeform av en enkelt vellykket supinasjon prøve vises i blått, mens en rekke vellykkede og mislykkede forsøk vises i grønt og rødt, henholdsvis. En rettssak merkes vellykket av kontroll hvis supinasjon vinkelen er større enn hit terskelen innenfor definerte tidsvinduet, mens en prøve er merket som mislykket hvis det ikke. Dette programmet styrer en boks. Fire programmer kan kjøres samtidig per datamaskin. Dette tallet har blitt endret fra Sindhurakar et al., 2017, Neurorehabilitation og nevrale reparasjon8. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2: Supinasjon bevegelser. Diagrammer og beskrivelser av felles riktige og feil supinasjon bevegelser oppstod under trening protokollen. Riktige bevegelsene tillate sant supinasjon, mens feil bevegelser inkluderer kompenserende mekanismer som kan hindre at sann supinasjon. Inkludert er foreslåtte løsninger for å rette feil bevegelser. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3 : Trening protokollen. (A) Standard tidslinje. Det er fem perioder trening varer ca 25 dager totalt: habituering (5 d), belønning Association (1-3 d), vekttrening (3-4 d), opplæring planlagte (8-12 d), og opprinnelige vurdering (2-4 d). Linjemønster på tidslinjen angir tiden som kreves av eksperimentator å bruke på aktiviteten hver økt. Som trening protokollen provenyet, reduserer tiden på oppgaven. (B) generelle utviklingen av en rottes evne til å supinere belønning Association opprinnelige vurderingen. Total, det er en positiv lineær progresjon av rotte mot planlagt, men observert, det er variasjoner i en rottes ytelse gjennom trening protokollen. Etter vekt trening, er det en periode med tilpasset opplæring, der supinasjon angle grense er endret tilsvarer rottas ytelse. Tilpasset opplæring etterfølges av et statisk terskelverdi paradigme til rotta har oppnådd grunnlinjen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4: Vellykkede og mislykkede oppgave oppkjøpet. (A) progresjon av supinasjon vinkel gjennom trening protokollen for åtte rotter, syv vellykket og en mislykket. En representant rotte når planlagte kriterium (vellykket, oransje) og en mislykket rotten (blå) brukes videre som case-studier. I de første sju dagene av trening etter habituering, både vellykkede og mislykkede rotta viste lignende fremgang i supinasjon vinkel. Av dag 11 etter habituering, vellykket rotta var supinating 55 ° mens mislykket rotta supinated 25 °. Etter dag 15 etter habituering, vellykket rotta viste en sterk oppadgående progresjon, mens mislykket rotta falt i ytelse. I siste tredjedel av trening etter habituering, hadde mislykket rotta plateaued på 30 ° mens vellykket rotta var supinating 80 °. (B) gjennomsnittlig bølgeform (svart linje) med et 95% konfidensintervall (oransje for vellykket, blå for mislykket) for den første tredjedelen av trening etter 6 g motvekt legges. (B1) Vellykket rotte - enkelt peak rundt 20°. (B2) Mislykket rotte - dobbel topp med globale maksimalt 10°. (C) gjennomsnittlig bølgeform (svart linje) med et 95% konfidensintervall (oransje for vellykket, blå for mislykket) for den andre tredjedelen av trening etter 6 g motvekt legges. (C1) Vellykket rotte - enkelt peak på 45°. (C2) Mislykket rotte - forbedret skjema med én topp nær 20°. (D) gjennomsnittlig bølgeform (svart linje) med et 95% konfidensintervall (oransje for vellykket, blå for mislykket) for den siste tredjedelen av trening etter 6 g motvekt legges. (D1) Vellykket rotte - uttales enkelt peak på 65°. (D2) Mislykket rotte - dobbel topp med globale maksimalt på 20°. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5:sterk > oppgave følsomhet for ulike skader modeller. Rotter i gruppen pyramidotomy (lilla, n = 8) var utdannet å supinere 75° 6 g på en suksessrate 75% eller mer, mens rotter i gruppen kortikale lesjon (grønn, n = 10) var utdannet å supinere 60° 6 g til 75% eller mer. Dataene som vises er gjennomsnittlig ± standardfeil. (A) suksess rate for pyramidotomy lesjon versus kortikale lesjon. Begge skade modeller viste en skarp nedgang i suksessrate fra før til etter skade (uke 1). Suksessraten for pyramidotomy redusert fra 0,90 ± 0,02 til 0.14 ± 0,08, mens suksessrate for kortikale lesjon minskes 0,76 ± 0,01. (B) supinasjon vinkel for pyramidotomy versus kortikale lesjon. Begge gruppene viste en nedgang fra før til etter skade: gruppen pyramidotomy redusert til 38.2 ° ± 10,1 ° mens gruppen kortikale lesjon redusert til 27.1 ° ± 2.9 °. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Discussion

Knotten supinasjon oppgaven evaluerer forlemen supinasjon i rotter ved hjelp av kvantitative og semi-automatisert metoder. For å oppnå disse endepunktene, har mange av parameterne designet for aktiviteten, inkludert knotten justering, manipulandum design og trening kriterier, er iterated over flere år. For knotten justering, vi eksperimenterte med tre forskjellige justeringer av knotten med hensyn til blenderåpning: venstre side av knotten justert etter venstre side av åpningen, knotten sentrert i aperture, og høyre side av knotten justeres med til høyre på en perture. Vi slo på høyre side av knotten justert med høyre side av blenderåpning, som denne produsert rotter som ble trent på kortest tid og som supinated med minimal kompenserende mekanismer, spesielt forstyrrelser fra venstre labb.

Som for manipulandum design endret vi flere design funksjoner for å maksimere slå med forlemen og minimere bruken av kroppen. I tillegg skalert vi av vanskelighetsgrad å alvorlighetsgraden av anslått underskudd. Etter pyramidotomy, supinasjon er bevegelse som er sterkest berørt, men verdifall er fortsatt relativt subtil. Derfor trent vi rotter en høyere opprinnelige kriteriet (75°) slik at store underskudd ble observert etter skader. Kortikale lesjoner, som er mer svekke, var 60 graders terskelen 7.5 g tilstrekkelig til å demonstrere en betydelig underskudd etter skade. Tilleggsparametere som var optimalisert gjennom en prøving og feiling tilnærming inkluderer blenderåpningen, knott avstand fra aperture og tidsvinduet for å oppnå en vellykket prøveperiode.

Det er noen kritiske punkter gjennom trening protokollen som krever forsiktig tilsyn. Når opplæring til baseline, har metoden dynamisk terskelverdi blitt brukt med hell å trene rotter til 75° 10. Imidlertid kan rotter platået på en topp vinkel mindre enn 75°; resultatene forblir uendret etter 4-5 økter. En statisk terskel kan brukes for å forbedre ytelsen. En statisk terskel refererer til terskelen resterende på en angitt grad, som er uavhengig av rotte ytelse, i motsetning til en dynamisk terskel som endringer basert på nylige resultatene. Hvis rotta flyer under adaptive trening, bør eksperimentator endres til en statisk terskel. Statisk trening stadier spenner fra 20 til 70 grader i 10-graders intervaller. (Scenen K28 - K33). Velge statisk scenen basert på rat's gjennomsnittlige høyeste vinkel i forrige 2 økter. For eksempel hvis rotta er gjennomsnitt 45°, Velg statisk scenen for 50 grader (K31). Alle statiske stadier satt "Init. Pløie."på 5 °. Under trening, hvis rotta mister motivasjonen, manuelt mate rottene hvis det supinates nær, men ikke over sperregrensen.

I tillegg under grunnlinjen vurdering regress ca 5% av rotter 5-10° i deres supinasjon vinkel og 5-10% suksessrate mellom økter. Hvis dette skjer, og rotta gjenoppretter ikke 75° gjennomsnittlige høyeste vinkelen etter 3-4 økter, redusere statisk scenen til 10 grader av rottes nåværende gjennomsnittlig vinkel før retur til trinn 3.5. Det er viktig å ikke gjeninnføre rotte til adaptive stadier når det er plassert på statisk opplæring scener.

Det er noen begrensninger til aktiviteten. Når feil forståelse posisjon er opprettet, kan det være vanskelig å endre fatte atferd (figur 2). Dermed er tidlig deteksjon og korrigering viktig. Hvis du vil rette en rottes grep, kan blenderåpning endres ved å begrense størrelsen på åpningen i horisontal og/eller vertikal retning; vanligvis tape vi et glass lysbilde til kanten av blenderåpning som må justeres. For de fleste rotter forbedrer dette grep skjemaet fordi det tvinger dem til å forstå manipulandum i en bestemt måte. Dette, i sin tur forbedrer deres evne til riktig supinere.

I tillegg til denne utfordringen, kan rotter utvikle kompenserende mekanismer for å supinere. Disse inkluderer bruk av hodet til hjelpe forlemen supinasjon; senking av albuen og skulder felles Drei knotten; bruke venstre labb til å slå på bryteren eller trykk nå labben ned. Alle disse atferd kan brukes til å fullføre oppgaven. Som nevnt ovenfor, kan atferd knyttet til rekkevidde korrigeres ved å manipulere blenderåpning. Kompenserende mekanismer utenfor rekkevidde, men krever aktiv deltakelse av eksperimentator ikke belønne kompenserende atferd. Etter skade, har vi observert rotter tar flere forsøk å plassere labben er riktig plassert før supinating. Selv om vi ikke har analysert hvilke komponenter av oppgaven kan bidra til tapet av supinasjon, disse kan inkludere tap av nøyaktig grep og nedsatt kraft modulasjon, blant mange muligheter.

Halvautomatisk supinasjon bruker, i gjennomsnitt 20 ± 5 dager for å trene rotter å grunnlinje og 25% av dyrene ikke kan trenes på aktiviteten. Bidra til treningstiden er det faktum at vi ikke har valgt naturlig høyre-preferanse rotter, men i stedet tvinge alle dyr bruke potene rett som er vanlig i de fleste omfattende analyser. Vi har ikke prøvd å bruke venstre-preferanse rotter, men det ville være et interessant studie utforskende å først identifisere pote Preferanse og trene dominerende labben. For å imøtekomme dette, vil vi måtte vende retningen til dørene slik at blender tilbakeføres; Dette kan enkelt gjøres.

Sammenlignet med tradisjonelle oppgaver som IBB eller enkelt pellet nå, måler aktiviteten supinasjon kvantitativt og objektivt forlemen nå. Det viser følsomhet for alvorlige skader (kortikale lesjon) og subtile skade (pyramidotomy), og trening prosedyren kan endres avhengig av alvorlighetsgraden av skaden modellen. Fordi det er semi-automatisk, lar oppgaven eksperimentator å trene flere rotter samtidig, avhengig av trening etappe. Dette forbedrer eksperimentator produktivitet og rotten gjennomstrømming. Oppgaven er pålitelig og reproduserbar mellom rotter. Ved å opprette en feilsøkingsguiden (figur 2) for forskere referere til under trening protokollen, har vi standardiserte flere feil atferd samt løsninger for å fikse dem. Til slutt, oppgaven tilbyr en intuitiv måte å analysere store mengder data og gir eksperimentator muligheten til å gå dypere inn i the kinetics av supinasjon.

I fremtiden, skal vi bruke aktiviteten halvautomatisk supinasjon som plattform for å evaluere type, dose og tidspunktet for rehabilitering. Våre lab er interessert i effekten av stimulering på funksjonell forbedring etter skader. Dessuten, vi er interessert i hvordan terapier som stimulerer nevrale reparere eller forbedre nevrale ledning og kommunikasjon kan påvirke rehabilitering. Vi har også interesse å endre oppgaven å være kompatibel med elektrofysiologi slik at vi kan studere motor læring; rotter med hodetcaps utføre rutinemessig oppgaven, og legger til en kommutatoren for innspillingen eller stimulering ville være enkelt å gjøre. Oppgaven, som beskrevet, er for rotter, men det er også labs eksperimentere med mus for aktiviteten. Denne oppgaven kan generelt brukes for evaluering forlemen funksjon i Red i en rekke skader modeller og sykdom stater og igjen vurdere rehabiliterende strategier. Fremover, vil vi fortsette å forbedre aktiviteten, med forbedringer å redusere feil atferd og forbedre oppgave oppkjøpet hastighet og treningstid.

Disclosures

Dr. Rennaker og Dr. Sloan er eiere av Vulintus Inc., som produserer utstyret i denne publikasjonen. Ingen interessekonflikter erklært for andre forfattere.

Acknowledgements

Denne forskningen er finansiert av 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.

    Video Stats