L'attività di supinazione manopola: Un metodo semi-automatico per la valutazione della funzione degli arti anteriori in ratti

Published 9/28/2017
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Summary

Questo manoscritto descrive un'attività semi-automatizzata che quantifica la supinazione in ratti. Ratti raggiungono, afferrare e supinazione un manipulandum sferica. Il ratto è stato premiato con un pellet se l'angolo di turno supera un criterio impostato dall'utente. Questa operazione aumenta il throughput, sensibilità alle lesioni e oggettività rispetto ai compiti tradizionali.

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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).

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Abstract

Attività che consente di misurare con precisione destrezza nei modelli animali sono fondamentali per capire la funzione della mano. Attuale attività comportamentali ratto misurare destrezza in gran parte utilizzano analisi video di manipolazione raggiungendo o cibo. Mentre queste attività sono facili da implementare e sono robuste modelli di malattia, sono soggettivi e laborioso per lo sperimentatore. Automatizzazione delle attività tradizionali o la creazione di nuove attività automatizzate può rendere l'attività più efficiente, oggettiva e quantitativa. Dal momento che i ratti sono meno abile di primati, centrale nervoso, lesioni del sistema (SNC) produce più deficit sottili in destrezza, tuttavia, supinazione è altamente interessati nei roditori e cruciale a portata di mano funzione nei primati. Pertanto, abbiamo progettato un'attività semi-automatica che misura supinazione forelimb in ratti. Ratti sono addestrati per raggiungere e afferrare un manipulandum a forma di manopola e girare la manipulandum in supinazione per ricevere una ricompensa. Ratti possono acquisire l'abilità all'interno di 20 ± 5 giorni. Mentre la prima parte della formazione è altamente sorvegliata, gran parte della formazione è fatto senza la diretta supervisione. Il compito in modo affidabile e riproducibile cattura deficit sottili dopo la ferita e viene illustrato il recupero funzionale che ne rifletta le curve recupero clinico. Analisi dei dati viene eseguita da un software specializzato attraverso un'interfaccia di utente grafica che è stato progettato per essere intuitivo. Abbiamo anche dare soluzioni a problemi comuni riscontrati durante l'allenamento e Vedi che piccole correzioni al comportamento presto nella formazione producono affidabile acquisizione di supinazione. Così, il compito di supinazione manopola fornisce efficiente e valutazione quantitativa di un movimento critico per destrezza in ratti.

Introduction

Una perdita di destrezza dopo lesioni del sistema nervoso o malattia diminuisce significativamente l'indipendenza e qualità della vita per individui affetti 1,2,3,4. Così, la destrezza è una misura di risultato importante per comprendere la scienza della riparazione neurale e riabilitazione come bene le basi di controllo neurale del movimento e apprendimento motorio. Tradizionalmente, attività manuali come singolo pellet raggiungendo, manipolazione di pasta e Irvine, Beatties e scala Forelimb Bresnahan (IBB) sono state utilizzate per valutare la destrezza negli animali, in particolare roditori 5, 6,7. Queste attività hanno diventato popolare a causa del loro tempo di acquisizione di attività minima. Tuttavia, essi sono di natura, laborioso per lo sperimentatore e, a volte, insensibile alla compromissione funzionale dopo la lesione con deficit sottili 5,7,8,9qualitative. Queste limitazioni di attività tradizionali hanno stimolato lo sviluppo di ulteriori misure quantitative della funzione motoria negli animali, in particolare, raggiungendo degli arti anteriori.

Ci sono diversi vantaggi per l'automazione delle attività, vale a dire obiettività, aumentare la velocità effettiva e il tempo di analisi in diminuzione. Nuovi compiti automatizzati forniscono una misura più sensibile di valutazione destrezza dopo l'infortunio di compiti convenzionali 8,10. Inoltre, essi consentono formazione adattiva e prova che sarti l'addestramento e prova di difficoltà per le prestazioni di un animale. Infine, attività automatiche generano grandi quantità di dati, che forniscono due vantaggi. In primo luogo, un aumento dei dati all'interno di una prova e il numero di prove aumenta la potenza statistica di uno studio. In secondo luogo, dà i neuroscienziati un set di dati più grande da cui studiare l'apprendimento motorio, la formazione e la compensazione più robustamente attraverso l'analisi della cinetica e cinematica informazioni 11.

Parecchi gruppi hanno tentato di automatizzare compiti tradizionali. Telecamere ad alta velocità possono essere utilizzati per raccogliere dati cinematici da compiti come il pellet singolo raggiungendo attività 12. Alaverdashvili e Wishaw hanno usato macchine fotografiche ad alta velocità per catturare i movimenti di raggiungimento e analizzare i movimenti di cifre utilizzando software di misurazione frame-by-frame motion picco Motus 13. Tuttavia, questo software non consente di identificare cifre utilizzando computer vision, ma richiede invece lo sperimentatore digitalizzare i punti movimento cursore. Inoltre, alcune attività sono stati utilizzati in combinazione con alimentatori e gabbie per automatizzare il processo di formazione 14,15,16.

Altri gruppi hanno utilizzato sensori di forza, come pure le telecamere ad alta velocità per valutare modifiche spaziali e forza nell'arto anteriore qualificati raggiungere utilizzando la manipolazione di pasta, mentre altri hanno progettato le attività per acquisire più complessi movimenti 17. Una tale attività è un'attività reach e tirare che utilizza un dispositivo robotico di tre gradi di libertà per catturare il movimento planare e rotazionale di ratto forelimb movimenti 18. Questo ha vantaggi nell'essere in grado di misurare la cinetica dei movimenti ma con un aumento nella complessità e costo.

Qui, noi dimostrare un'attività semi-automatizzato degli arti anteriori che misura supinazione in ratti 8. Supinazione degli arti anteriori è la rotazione della zampa dal palmo verso il basso per palm. Supinazione è un eccellente indicatore della funzione tratto corticospinale e un movimento clinicamente rilevante negli esseri umani che è richiesto per attività 8,19,20di vita quotidiana. Inoltre, supinazione è altamente sensibile alla ferita ed inattivazione, soprattutto se paragonato al singolo pellet arrivano fino a 8. L'attività di supinazione, sviluppato in collaborazione tra l'Istituto di ricerca medica di Burke e l'Università del Texas a Dallas, il movimento rotazionale misure nel piano orizzontale 8,10. Ratti sono posti in una scatola comportamentale (Figura 1A) e sono addestrati a fare tre movimenti (Figura 1B): raggiungere attraverso un'apertura rettangolare; afferrare un manipulandum sferica; supinazione all'angolo designato.

L'attività di comportamento è controllato dal software PC (Figura 1). Il software di controllo Invia istruzioni ad un microcontrollore che è collegato alla auto-posizionatore, encoder ottico, altoparlante e alimentatore. Il microcontrollore e dei suoi collegamenti periferici sono appresso la casella del microcontrollore. Informazioni scorre dall'encoder ottico, il microcontrollore, quindi il computer e poi di nuovo al microcontrollore. Se il software di controllo ha segnalato al microcontrollore che la prova è stata un successo, il microcontrollore innesca l'alimentatore per erogare una pallina. All'inizio di ogni sessione, il software di controllo Inoltra le informazioni di fase al microcontrollore, che dirige il auto-posizionatore per posizionare la manopola a distanza definita dello stage dall'apertura. Il auto-posizionatore può anche essere azionato manualmente utilizzando i tasti freccia situati sulla auto-posizionatore. L'encoder ottico registra dati alle modifiche di 100 Hz e misure di angolo. Tutti i dati sono memorizzati in formato binario.

Lo sperimentatore utilizza stadi di formazione sequenziale all'interno del software per addestrare il topo da assuefazione a supinating ad un tasso predeterminato di angolo e di successo. Durante l'assuefazione, manipulandum la manopola è posizionata all'interno della finestra di apertura senza alcun contrappeso. Dopo una settimana di addestramento altamente sorvegliato, ratto associa la manopola con una ricompensa e comincia girando la manopola in modo indipendente. Una volta che il topo è in grado di ruotare in modo indipendente, la manopola è retratto a 1,25 cm di 0.25 incrementi cm fino a quando il ratto può girare in modo indipendente a 1,25 cm. contrappeso è quindi aggiunto in incrementi di 1 g 3G al treno di 6 g. automatizzato formazione fasi all'animale di supinazione la manopola a 6 g fino a 75 gradi. Questa fase di formazione è in gran parte senza supervisione; una volta che ratti adottano il compito con la forma corretta (discussa sotto), continuano a supinazione correttamente. La formazione è completa quando ratti supinazione 75 gradi ad un tasso di successo (percentuale di successo) di 75% 8. Qui, descriviamo un protocollo di allenamento tipico e presentare soluzioni ai problemi più comuni che abbiamo incontrato. Dimostriamo la progressione dei ratti di successo e insuccesso rappresentativi attraverso il protocollo di allenamento e mostrare che l'attività può essere modificato per mostrare il danno funzionale con deficit sottili o più gravi.

Protocol

questo protocollo descrive impostazione il compito e che istituisce vivono e alimentazione condizioni, così come addestramento di animali, gli esperimenti su animali dopo la ferita e l'analisi dei dati di comportamento. Le quattro fasi di addestramento di animali sono descritti anche: assuefazione, associazione di ricompensa, formazione di contrappeso e formazione al criterio girando l'angolo. Tutti gli esperimenti sugli animali sono stati approvati dalla IACUC di Weill Cornell medicina e Università del Texas a Dallas.

1. configurazione dell'attività

  1. Design una scatola comportamentale fatta di plastica trasparente che misura 150 mm di larghezza da 200 mm di lunghezza di 250 mm di altezza.
    Nota: Qui, l'apertura rettangolare è 14,2 mm di larghezza per 25,4 mm di altezza. Manipulandum la manopola di diametro 9,5 mm è realizzato con metacrilato e ha due fermate che limitano la supinazione a meno di 100°. Ciascuno di questi parametri sono stati testati e ottimizzati per i deficit descritti nella sezione risultati. La casella del comportamento e manipulandum sono mostrati in Figura 1A.
  2. Collegare la casella di microcontrollore al computer. Fino a microcontrollore quattro caselle possono essere collegate a ciascun computer.
  3. Per iniziare l'attività, utilizzare il software di controllo ( Figura 1).
    1. Selezionare la manopola del dispositivo per il controllo. Immettere il nome del soggetto nella " soggetto " campo. Scegliere la fase per la formazione sotto la " fase " menu a discesa.
      Nota: Le fasi determina tre parametri per ogni prova: il " ha colpito finestra, " " Hit soglia, " e " soglia iniziale. " un colpo è definito come raggiungere l'angolo di criterio all'interno di un periodo di tempo definito. " Finestra hit " si riferisce al tempo assegnato per un animale avviare una prova e raggiungere l'angolo di criterio. " Colpire soglia " è l'angolo di criterio per un buon periodo di prova. " Soglia iniziale " è l'angolo di criterio per avviare una sperimentazione e colpire la finestra; Questo indica l'inizio del turno. Ulteriori informazioni sulle fasi possono essere visto sotto nella sezione " formazione animali. "
    2. clic " avviare " per iniziare la sessione di allenamento. Fare clic su " Feed " per inserire manualmente l'animale e " Stop " per interrompere la sessione di allenamento.
      Nota: Alimentazione manuale dovrebbe essere usato per mantenere l'interesse nell'attività e viene descritto in dettaglio nella sezione 3. Dopo l'interruzione della sessione, i dati della sessione verranno salvati nell'unità c:.

2. Condizioni di vita e di alimentazione

  1. uso adulto femmina topi Sprague Dawley (175-200 g). Ratti a casa insieme in gabbie standard con 12h invertita buio/12 h luce ciclo. Eseguire tutte le formazione e test durante il ciclo scuro con le luci dimmerate.
    Nota: Ratti femminili sono usati poiché sono più facili da addestrare 21. Qui Sprague-Dawley sono stati utilizzati perché è un ceppo comune utilizzato nella formazione di motore, ed è il ceppo predominante per transgenica. Tuttavia, data la natura regolabile dell'attività (contrappeso, Disabilita criterio dell'angolo, distanza a manopola e sé) questi potrebbe facilmente essere regolati per diversi ceppi e maschi più grandi (per esempio) o più piccoli (ad es. Wistar) ratti.
  2. Per dare i primi 5 giorni dello studio, i ratti un trogolo completo oltre a pellet aromatizzato al cioccolato, nutrizionalmente completo per cinque giorni. Dopo il quinto giorno, cibo-limitare ratti all'85% della loro curva di peso normale.
  3. a restrizione alimentare iniziata, nutrire i ratti 7,5 g di cioccolato pellet (regolare verso l'alto o verso il basso per mantenere l'85% del peso adeguato all'età) in tutta l'interezza della loro formazione. Se ratti non hanno ricevuto 7,5 g di cioccolato pellet nelle loro sessioni di allenamento, supplemento withstandard chow dopo la sessione finale.
    Nota: Week-end di alimentazione è ad libitum con cibo standard fino alla domenica sera, quindi cibo-privare durante la notte. Quando si eseguono interventi chirurgici o altri interventi invasivi, consentire cibo ad libitum almeno tre giorni prima e poi per tre giorni dopo la procedura (a seconda di tempi di recupero) prima di mettere i ratti sulla restrizione di cibo ancora.

3. Procedura di formazione

Nota: una panoramica della procedura di formazione è mostrata in Figura 3A. In tutto il protocollo, allenarsi due volte al giorno, i ratti una volta al mattino e una volta nel pomeriggio. Attendere almeno 3 ore dopo la sessione del mattino prima di iniziare la sessione pomeridiana.

  1. Assuefazione
    Nota: l'obiettivo di assuefazione è di familiarizzare il topo con la casella di controllo e gestione.
    1. Ritrarre completamente il dispositivo manopola premendo il tasto freccia giù sul posizionatore automatico.
    2. Posto il ratto nella casella comportamentale per 15 min.
    3. Dopo 15 min nella casella, gestire ogni ratto nelle mani per almeno cinque minuti familiarizzare il ratto allo sperimentatore.
    4. Ripetere questa operazione per cinque giorni.
  2. Ricompensa associazione
    Nota: l'obiettivo è formare il ratto per associare la rotazione della manopola con una ricompensa in cibo. Aspettatevi di spendere la lunghezza di sessione completa di 30 min l'attività durante la fase di associazione di ricompensa di formazione.
    1. Aprire il software e il topo di nome di input. Impostare la fase " K1: manopola Shaping - senza puleggia. "
      Nota: per tale motivo la distanza manipulandum dall'apertura a 0.0 cm, il " Init. Thresh. " al 3°, " HIT Thresh. " a 5 gradi, e " HIT finestra " a 2 s. In questo modo il ratto di essere nutriti, purché il ratto gira la manopola ultimi 3 gradi. La " HIT finestra " rimarrà a 2 s durante l'addestramento.
    2. Mettere il ratto nella casella comportamentale e premere " avviare " per iniziare la sessione di.
    3. Acquisire il topo a trogolo ricompensa erogazione pellet di 2-3 alla volta e toccando il lato della casella in cui si trova il trogolo di ricompensa. Erogare il pellet tramite il pulsante di alimentazione manuale.
    4. Una volta che il topo conosce la posizione della ricompensa, manualmente dispensare 1 pellet quando il ratto è davanti l'apertura.
    5. Una volta il topo si muove per l'apertura in previsione di una ricompensa di pellet, condizione il topo a interagire con il manipulandum.
      1. Prompt il topo a impegnarsi inserendo una pallina di cibo 45mg vicino il manipulandum, o applicando polvere pellet direttamente alla manipulandum, permettendo così di raggiungere e afferrare. Se il ratto si allontana il diaframma, toccare la casella vicino alla manipulandum per reindirizzare la sua attenzione.
        Nota: Se il ratto ha toccato la manopola con la sua zampa raggiungendo, il programma nutrirà il ratto. Tutte le interazioni che non includono l'uso delle zampe (cioè mordere, fiuta il manipulandum) non sono corrette e non dovrebbero essere ricompensate.
    6. Una volta che il topo inizia toccando la manopola con la zampa desiderata e ottenere premiati 10 volte consecutive a 0.0 cm, utilizzare il tasto freccia giù sulla auto-posizionatore ( Figura 1A) per ritrarre la manipulandum di 0,25 cm. Repeat Questo in 0,25 cm incrementa fino a quando il manipulandum è 1,25 cm di distanza l'apertura.
    7. Press " Stop " dopo 30 min per terminare la sessione.
    8. Continuare associazione ricompensa fino a quando il ratto supinates il manipulandum con la zampa desiderata a distanza l'apertura ( Figura 1B) 1,25 cm.
    9. Una volta che il ratto ha completato 2 sessioni consecutive supinating il manipulandum e recuperando la ricompensa di pellet, iniziare l'allenamento di contrappeso.
  3. Contrappeso di formazione per addestrare i ratti di supinazione un contrappeso di 6 g.
    1. Luogo un 3G contrappeso sul manipulandum collegando il connettore all'estremità del contrappeso al punto di attacco a L sulla manipulandum. La stringa di contrappeso di alimentazione tramite la puleggia fino a quando il contrappeso si blocca liberamente.
    2. Software open e il topo di nome di input. Impostare la fase " K2: manopola Shaping - puleggia. "
      Nota: per tale motivo la distanza manipulandum dall'apertura a 1,25 cm, il " Init. Thresh. " al 3° e la " HIT Thresh. " a 5 gradi. La distanza di manipulandum rimarrà a 1,25 cm da questo punto in avanti.
    3. Mettere il ratto nella casella comportamentale e premere " avviare " per iniziare la sessione di.
    4. Press " Stop " dopo 100 + sperimentazioni di successo. Una volta che il ratto ha completato 2 sessioni consecutive di 100 + sperimentazioni di successo, è possibile aumentare il peso di 1 g dopo la fine di una sessione. Aumentare il peso da 3 a 6 g, sopra le sessioni successive.
    5. Passare al punto 3.4 dopo 2 sessioni consecutive di supinazione a 6 g e sperimentazioni di successo 100 +.
      Nota: Ci vuole una media di 6 sedute (3 giorni) per lavorare fino da 3 g a 6 g. partire da formazione di contrappeso, è imperativo che il movimento di supinazione corretto viene premiato e movimento errato supinazione prende forma fuori. Per una guida visiva e spiegazione sulla forma di supinazione corrette e non corrette, fare riferimento alla Figura 2.
  4. Formazione ai valori basali
    Nota: ricordarsi di continuare a forma supinazione corretto movimento. Ancora una volta, fare riferimento alla Figura 2 per una guida visiva il movimento di supinazione correggere/errata e come migliorare la supinazione non corretto. Addestrare i ratti di supinazione per i criteri di base; Ecco, questo è 75 gradi con un contrappeso di 6 g ad un tasso di successo del 75% o superiore.
    1. Posto un contrappeso di 6 g sulla manipulandum.
    2. Software open e il topo di nome di input. Impostare la fase " KSB4: manopola formazione mediana 75 max. "
      Nota: questo imposta il " Init. Trebbiare. " 5 °, " colpo soglia minimo " a 15°, e " colpo soglia massima " a 75°. Questo è chiamato un " adaptive " stage di formazione, che significa la soglia aumenterà come ratto ' s le prestazioni migliorano. Per la " KSB4 " fase, la soglia sia impostata su sessione precedente ' soglia finale s. Se nessuna sessione precedente è stata eseguita in questa fase, la soglia è impostata al minimo della soglia di 15 gradi. Dopo le prime 10 prove della sessione, la soglia è calcolata come la mediana del picco angoli in 10 prove precedenti. Così, la soglia è diversa per ogni prova e dipende il ratto ' s di prestazioni nelle prove precedenti.
    3. Interrompere la sessione dopo 30 min.
    4. Continua formazione utilizzando il palcoscenico adattivo fino a quando l'angolo di massima media è di 75 gradi o superiore. Quindi, procedere al punto 3.5. Questo problema si verifica in genere dopo circa 10 giorni o 20 sessioni.
  5. Valutazione di baseline per registrare quattro consecutivi linee di base
    1. posto un contrappeso di 6 g sulla manipulandum.
    2. Software open e il topo di nome di input. Impostare la fase " K27: 75 gradi. " consente di impostare il " Init. Trebbiare. " al 5 ° e " colpo soglia a 75°.
    3. Press " Stop " dopo 30 min o 100 sperimentazioni, quello che viene prima, per terminare la sessione.
    4. Continuare fino a quando ci sono quattro linee di base consecutivi con un tasso di successo del 75% o superiore.

4. Valutazione del post-danno

  1. software Open e inserire il nome di ratto. Impostare la fase nello stesso stage statico come linea di base pre-infortunio di prova. Questo manterrà gli stessi parametri utilizzati per baseline.
  2. Press " Start " ed eseguire la sessione fino a 30 min.
    Nota: La partecipazione potrebbe essere bassa dopo la ferita. Questo può essere risolto utilizzando il manuale di alimentazione pulsante o mettere una pallina di ricompensa vicino il manipulandum in modo da invogliare il topo a impegnarsi con il manipulandum.
  3. Ripetere il test una volta a settimana a intervalli settimanali fino a quando non viene raggiunta la lunghezza desiderata di valutazione post-infortunio.
    Nota: Qui, valutiamo le prestazioni post-infortunio ogni settimana per sei settimane.

5. Analizzare i dati

Nota: i dati vengono salvati in un percorso predefinito nell'unità c: di un PC. Dati sono acquisiti a 100 Hz durante la finestra di colpo e memorizzati in formato binario. Qui, i dati sono stati analizzati utilizzando un programma personalizzato, chiamato destrezza. Si prega di e-mail per l'accesso a questo software gratuito Dr. Jason Carmel.

  1. Destrezza aperta e fare clic su " Standard. "
  2. individuare la directory in cui i dati di ratto sono e selezionare la cartella desiderata.
  3. Dopo aver selezionato la directory, selezionare i ratti per analisi.
  4. Clic " tenere " o " scartare " per mantenere o eliminare i file che sono incomplete o non contengono dati.
    Nota: Ci sono volte, quando le sessioni vengono avviate utilizzando i parametri errati e stage di formazione e mentre sono immediatamente fermati, ancora viene creato un file. Questo file deve essere scartato durante l'analisi. Ci sono anche casi, soprattutto acutamente dopo la ferita, quando un animale non esegue prove a causa delle loro lesioni o molto piccole prove. Per queste sessioni, un file deve rimanere perché è una rappresentazione delle loro prestazioni. Quando un file con nessun sperimentazioni di successo viene mantenuto, NaN viene posizionato in un luogo adeguato per le variabili calcolate.
  5. Scegliere se annotare l'esperimento subito o più tardi; se " annotare ora " è selezionata, si aprirà una nuova finestra. Digitare nel " nome di sperimentare, " " nomi di gruppo, " " i dati dell'evento, " e " Numero totale di settimane " nell'esperimento.
  6. Assegnare oggetti a un gruppo.
  7. Di input il numero di sessioni di dati in ciascun punto di settimana o tempo. Separare le sessioni di input da uno spazio e assicurarsi di non inserire uno spazio dopo l'ultimo numero cioè (1 1 1 1).
  8. Input le etichette del punto di tempo. Separare le etichette ingresso da uno spazio e assicurarsi di non inserire uno spazio dopo l'ultimo etichetta cioè (Pre Wk1 Wk2 Wk3).
  9. Selezionare quando si è verificato l'evento; apparirà un'opzione per salvare la sessione di analisi. Fare clic su " Sì " per salvare la sessione di analisi.
  10. Apparirà una panoramica dei dati con annotazioni e annotate. Questo dà la possibilità di tracciare dati.
  11. Per i dati annotati, fare clic sul " grafico oggetto " per tracciare un singolo soggetto o " grafico soggetti " per tracciare tutti i soggetti sullo stesso grafico.
  12. Per l'analisi con annotazioni, fare clic sul " trama " per tracciare l'esperimento.
  13. Per sia annotata e senza, fare clic sulla freccia per visualizzare la lista delle variabili per la tracciatura. Fare clic sulla variabile per visualizzare la trama.
  14. Fare clic su Esporta per esportare il grafico e/o i dati associati al grafico.

Representative Results

Presto nella formazione, lo sperimentatore passa più tempo sul compito di plasmare il comportamento del ratto. Come i ratti associano supinazione del ratto con ricompensa, mani il tempo diminuisce (Figura 3A). Durante l'assuefazione, associazione di ricompensa e formazione di contrappeso, la lunghezza di sessione completa (30 min) viene speso per l'attività. Tuttavia, dopo un ratto è supinating con un peso di 6 g, il tempo sul compito gradualmente diminuisce a circa 15 min come aumentare dell'angolo supinazione del ratto. Infine, quando il ratto raggiunge la linea di base, il tempo sul compito è minimo; lo sperimentatore deve solo inserire il ratto nella casella comportamento e avviare il programma. È il numero massimo di ratti che uno sperimentatore può lavorare contemporaneamente con due ratti durante l'associazione di ricompensa, quattro ratti durante il contrappeso di formazione e formazione ai valori basali, e come molti ratti come ci sono scatole durante la valutazione della linea di base e test post-infortunio. In media, il 75% dei ratti (n = 56) acquisire l'operazione.

Dopo il ratto ha associato la supinazione con una ricompensa, c'è una progressione positiva in angolo di supinazione del ratto (Figura 3B). In Figura 3B, ratto ha progredito da 3G a contrappeso 6g dal giorno 3 al giorno 7. Dopo contrappeso formazione, c'era un breve periodo di formazione adattiva dal giorno 7 al giorno 9, durante la quale supinazione è aumentato da 26 a 30 gradi. Perché non c'era molto di cambiamento, una soglia statica è stata impiegata dal giorno 9 a 18. Durante questo periodo, il ratto è aumentato costantemente da 30 gradi a 75 gradi in 8 giorni. Non c'è variabilità giorno per giorno nel corso di formazione, in particolare, giorni 12 e 14. Ma in generale, c'è una tendenza al rialzo in angolo di supinazione. Entro la fine di post-assuefazione 17 giorno, ratto aveva registrato la sua prima linea di base, e quattro sessioni più tardi, è finito valutazione basale. Da assuefazione alla registrazione di una quarta linea di base, il protocollo di allenamento prende una media di 20 ± 5 giorni.

Mentre visualizzando un'ideale progressione attraverso il protocollo di allenamento è importante, una progressione infruttuosa la visualizzazione è altrettanto importante (Figura 4). In Figura 4A, la linea arancione mostra un topo che completa con successo il protocollo, la linea blu Mostra un ratto infruttuoso, e grigi righe mostrano un altro sei ratti di successo. Ratti successo raggiunsero basale in 15 ± 0,6 giorni (n = 7). Il ratto di successo rappresentanza utilizza una stretta 1, mentre il ratto infruttuoso utilizza una stretta 3. Entrambi ratti associano la manopola con una ricompensa in 2 giorni. Inoltre, entrambi ratti mostrano una progressione di angolo (Figura 4A) supinazione simili nei primi quattro giorni dopo aver aggiunto il contrappeso. Tuttavia, dopo questo punto, il ratto di successo comincia a staccarsi dal ratto infruttuoso. Questo è perché la stretta del ratto infruttuoso era incapace di essere corretti prima di questo punto (Vedi Figura 2).

Per il successo del ratto, c'è un aumento ripido in angolo di supinazione che comincia al plateau tra 50 e 60 gradi, ma poi riprende una più costante salita verso 75 gradi. Tuttavia, per il ratto infruttuoso, c'è un aumento più graduale in angolo di supinazione. Come ratto altipiani intorno ai 20 gradi, il ratto viene spinto alla supinazione più, ma alla fine, perde interesse per l'attività, anche con alimentazione manuale, e l'angolo di supinazione diminuisce rapidamente intorno 15 giorno post-assuefazione. Mentre c'è una leggera ripresa dopo giorno 17 Post-assuefazione, il ratto si sforza di supinazione più di 25 gradi. Se un ratto non ha raggiunto basale di giorno 20, consideriamo questo ratto infruttuoso e rimuovere il ratto dallo studio.

Oltre a angolo di supinazione, uno può eseguire un controllo visivo delle forme d'onda di supinazione (Figura 4B-D) per il ratto di successo e insuccesso. Quando si esegue un controllo visivo, guardiamo per diverse caratteristiche di forma d'onda: pendenza della linea, latenza e numero di picchi nella finestra di tempo per la prova. La pendenza della retta è calcolata come la derivata della curva fra l'inizio della curva e il picco della curva. La latenza è calcolata come il tempo tra l'inizio della prova e la curva di varcare la soglia di colpo. Infine, picchi sono calcolati utilizzando il derivato per trovare massimi locali nella finestra di prova. In precedenza, abbiamo trovato che pendenza della linea, o velocità, è una misura robusta della cinetica di supinazione ed è sensibile ai deficit sottili 8.

Nel primo terzo della formazione dopo inizio alla supinazione utilizzando 6 g (Figura 4B), ratto successo (Figura 4B1) Mostra una forma d'onda singola con un picco vicino a 20 gradi, mentre il topo infruttuoso (Figura 4B2 ) Mostra un doppio giro, o due picchi, con il primo picco vicino a 10 gradi e il secondo picco vicino a 5 gradi. Nel terzo centrale della formazione (Figura 4), il ratto di successo (4 di figura1) Mostra un aumento in angolo di picco da 20 gradi a 50 gradi con una curva peak più definita, singolo. Il ratto infruttuoso (Figura 42), nel frattempo, Mostra solo un marginale aumento angolo massimo a 20 gradi ma è migliorata nella sua forma; ora utilizza solo un singolo turno. Per il terzo finale di formazione (Figura 4), il ratto di successo (4 di figura1) Mostra una forma d'onda singola molto pronunciata con un picco intorno ai 65 °, contro il ratto infruttuoso (Figura 42) con un angolo di picco di 20 gradi ma ora con un ulteriore picco a 2 s di 15°. Questo è un altro buon indicatore che con crescente difficoltà di formazione, il ratto è riuscito a correggere la sua stretta 3 e a sua volta, incapace di supinazione correttamente. Anche se questo ratto non era escluso dallo studio e alla fine potrebbe eseguire fino a 75 gradi, domande rimarrebbero se fosse vero supinazione contro supinazione con compensazione.

Infine, l'attività di supinazione rileva danno funzionale dopo molteplici tipi di lesione, compreso una lesione tagliata del tratto corticospinale, la via principale per movimento volontario nelle persone e lesione di corteccia motoria degli arti anteriori eseguita con iniezioni di endotelina (Figura 5) 8,10,22. Ratti nel gruppo pyramidotomy (viola, n = 8) sono stati addestrati a supinazione almeno 75° a 6 g e a un tasso di successo del 75% o superiore, mentre ratti nel gruppo di lesione corticale (verde, n = 10) sono stati addestrati a supinazione 60° a 7,5 g 75% o superiore. Ratti in entrambi i gruppi hanno mostrato una forte diminuzione nel tasso di successo dopo la lesione (Figura 5A). Tasso di successo per i ratti nel gruppo di pyramidotomy è diminuito da 90% ± 2% al 14% ± 8%. Il suctasso di successo per i ratti con lesione corticale è diminuito da 76% ± 1% a 10% ± 3%. Entro la settimana 6, entrambi i gruppi erano ancora alterati: il gruppo di pyramidotomy era al 34% ± 11% mentre il gruppo di lesione corticale è rimasto a 16 ± 7%. Per quanto riguarda l'angolo di supinazione, entrambi i gruppi mostrano una diminuzione da pre-alla post-lesione (figura 5B). A causa degli angoli di supinazione basale diverso criterio, il gruppo di pyramidotomy ha avuto un maggiore angolo di pre-infortunio supinazione (85° ± 2,9 °) rispetto al gruppo di lesione corticale (67° ± ° 0,52). Il gruppo pyramidotomy è diminuito a 38° ± 10°, mentre il gruppo di lesione corticale è diminuito a 27° ± 2,9 °.

Figure 1
Figura 1: Descrizione del compito di supinazione. (A), il ratto è posto in una scatola di Plexiglas con un'apertura attraverso la quale raggiunge e afferra una manopola che deve essere trasformata in supinazione. La manopola ha due fermate per evitare angoli di supinazione superiori a 100°. La manopola ha anche una puleggia con contrappeso; Questo crea una coppia ratto deve superare per supinazione. La manopola è connesso a un encoder ottico che misura angolo con una precisione di 0,25 °. Questo encoder ottico è collegato ad un microcontrollore, che a sua volta è collegato a un computer che controlla l'attività. Il computer segnala al microcontrollore quando in trigger audio-feedback ed erogare un pellet dall'alimentatore se un criterio di successo è raggiunto. Il microcontrollore controlla anche il posizionatore automatico cui posizione tra 0 e 1,25 cm è dettata dalla fase formazione impostata dal computer. (B), il ratto esegue l'attività in tre movimenti successivi: raggiungere attraverso l'apertura, afferrare la manopola con una stretta di potenza si trova a 1 e supinating. Compito di supinazione (C), la manopola è controllata dal software di controllo. Lo sperimentatore ingressi il nome dell'oggetto e sceglie la fase di formazione, mentre il programma imposta i parametri corrispondenti. Una forma d'onda di un singolo successo supinazione prova è indicata in blu, mentre la sequenza delle prove riuscite e non riuscite sono mostrati in verde e rosso, rispettivamente. Una prova è contrassegnata successo dal software di controllo, se l'angolo di supinazione è supera alla soglia di colpo all'interno della finestra di tempo definito, considerando che un processo è contrassegnato infruttuoso se non è così. Questo programma controlla una scatola. Quattro programmi possono essere eseguiti contemporaneamente per ogni computer. Questa figura è stata modificata da Sindhurakar et al., 2017, neuroriabilitazione e riparazione neurale8. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: Movimenti di supinazione. Schemi e le descrizioni dei movimenti di supinazione corrette ed errate comuni incontrati durante il protocollo di allenamento. Movimenti corretti consentono vero supinazione, mentre movimenti non corretti includono meccanismi di compensazione che potrebbero impedire il vero supinazione. Soluzioni suggerite per correggere movimenti impropri sono inclusi. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3 : Protocollo di allenamento. (A) Standard timeline. Ci sono cinque periodi di formazione di durata di circa 25 giorni in totale: assuefazione (5D), associazione di ricompensa (d 1-3), allenamento con i pesi (3-4 d), formazione di Baseline (8-12 d) e la valutazione di Baseline (2-4 d). Il modello di riga sulla linea temporale indica il tempo richiesto dello sperimentatore di spendere per l'attività di ogni sessione. Come procede il protocollo di allenamento, si riduce il tempo sul compito. (B) progressione generale della capacità di un topo di supinazione da associazione ricompensa alla valutazione basale. Nel complesso, c'è una progressione lineare positiva del ratto verso la linea di base, ma come osservato, c'è variabilità nelle prestazioni di un topo in tutto il protocollo di allenamento. Dopo l'allenamento con i pesi, c'è un periodo di formazione adattiva, dove la soglia di angolo di supinazione è cambiata per abbinare le prestazioni del ratto. Questa formazione adattiva è seguita da un paradigma di soglia statica fino a quando il ratto ha raggiunto la linea di base. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4: Acquisizione di attività di successo e insuccesso. (A) progressione di supinazione angolo nel corso di formazione protocollo per otto ratti, sette di successo e uno di esito negativo. Un ratto rappresentativo che raggiunge il criterio della linea di base (successo, arancio) e un ratto infruttuoso (blu) vengono ulteriormente utilizzati come casi di studio. Nei primi sette giorni della formazione dopo l'assuefazione, sia il successo e insuccesso del ratto hanno mostrato analoghi progressi in angolo di supinazione. Dal giorno 11 post-assuefazione, il ratto di successo era supinating 55 ° mentre il ratto infruttuoso supinato 25 °. Dopo 15 giorni post-assuefazione, il ratto di successo ha mostrato una forte progressione verso l'alto, mentre il ratto infruttuoso declinato in termini di prestazioni. Nel terzo finale di post-assuefazione formazione, ratto infruttuoso aveva plateaued a 30 °, mentre il ratto successo era supinating 80 °. (B) media forma d'onda (linea nera) con un intervallo di confidenza 95% (arancione per il successo, blu per esito negativo) per il primo terzo della formazione dopo l'aggiunta di 6 g di contrappeso. (B1) Successo rat - singolo picco intorno ai 20°. (B2) Infruttuoso rat - doppio picco con massimo globale di 10°. Onda media (C) (linea nera) con un intervallo di confidenza 95% (arancione per il successo, blu per esito negativo) per il secondo terzo di formazione dopo l'aggiunta di 6 g di contrappeso. (C1) Successo rat - singolo picco a 45°. (C2) Infruttuoso rat - forma migliorata con singolo picco vicino a 20°. (D) media forma d'onda (linea nera) con un intervallo di confidenza 95% (arancione per il successo, blu per esito negativo) per il terzo finale di formazione dopo l'aggiunta di 6 g di contrappeso. (D1) Successo rat - pronunciato singolo picco a 65°. (D2) Infruttuoso rat - doppio picco con globale massimo a 20°. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 5
Figura 5:forte > attività sensibilità ai diversi modelli di lesione. Ratti nel gruppo pyramidotomy (viola, n = 8) sono stati addestrati a supinazione 75° a 6 g e a un tasso di successo del 75% o superiore, mentre ratti nel gruppo di lesione corticale (verde, n = 10) sono stati addestrati a supinazione 60° a 6 g al 75% o superiore. I dati indicati sono media ± errore standard. (A) Tasso di successo per lesione pyramidotomy versus lesione corticale. Entrambi modelli di lesione ha mostrato una forte diminuzione nel tasso di successo da pre-alla post-lesione (settimana 1). Tasso di successo per pyramidotomy è diminuito da 0,90 ± 0,02 a 0,14 ± 0,08, mentre il tasso di successo per lesione corticale è diminuito da 0.76 ± 0.01. (B) angolo di supinazione per pyramidotomy versus lesione corticale. Entrambi i gruppi hanno mostrato una diminuzione da pre-alla post-lesione: il gruppo pyramidotomy è diminuito a 38,2 ° ± 10,1 ° mentre il gruppo di lesione corticale è diminuito a 27,1 ° ± 2,9 °. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Discussion

L'attività di supinazione manopola valuta supinazione forelimb in ratti facendo uso di metodi quantitativi e semi-automatici. Per raggiungere questi endpoint, molti dei parametri progettati per il compito, tra cui l'allineamento manopola, manipulandum design e criteri di formazione, Stati iterati in parecchi anni. Per l'allineamento di manopola, abbiamo sperimentato con tre allineamenti diversi della manopola per quanto riguarda l'apertura: lato della manopola allineato con il lato sinistro dell'apertura di sinistro, la manopola centrato in apertura, e il lato destro della manopola allineato con il lato destro dell'una perture. Ci siamo sistemati sul lato destro della manopola viene allineato con il lato destro dell'apertura, come questo prodotto ratti che sono stati addestrati nel più breve lasso di tempo e che supinato con minimi meccanismi compensativi, in particolare, interferenza dalla zampa sinistra.

Per quanto riguarda manipulandum design, abbiamo alterato diverse caratteristiche di progettazione per massimizzare la svolta con la zampa anteriore e minimizzare uso del corpo. Inoltre, abbiamo scalato la difficoltà del compito alla severità del deficit previsto. Dopo pyramidotomy, supinazione è il movimento che più fortemente è influenzato, ma il danno è ancora relativamente sottile. Così, ci siamo allenati i ratti ad un criterio di base superiore (75°) per garantire che il grande deficit sono stati osservati dopo la ferita. Per lesioni corticali, che sono più alterando, soglia di 60 gradi a 7,5 g era sufficiente a dimostrare un significativo deficit dopo la ferita. Dimensione di apertura, la manopola distanza dal diaframma e la finestra di tempo per realizzare un processo di successo includono parametri aggiuntivi che sono stati ottimizzati attraverso un approccio di prova-e-errore.

Ci sono alcuni punti critici in tutto il protocollo di formazione che richiedono un'attenta supervisione. Quando ci si allena alla linea di base, il metodo di Sogliatura adattiva è stato utilizzato con successo per addestrare ratti a 75° 10. Tuttavia, i ratti può altopiano a un picco angolo inferiore a 75°; le prestazioni rimangono lo stesso dopo 4-5 sedute. Per migliorare le prestazioni, può essere impiegata una soglia statica. Una soglia statica si riferisce alla soglia rimanendo a un grado impostato, che è indipendente di prestazioni di ratto, in contrasto con una soglia adattiva che modifiche basate su recenti prestazioni. Se il ratto altipiani durante l'allenamento adattabile, lo sperimentatore dovrebbe cambiare a una soglia statica. Gamma di fasi di addestramento statico da 20 a 70 gradi in incrementi di 10°. (Fase K28 - K33). Scegli il livello statico basato su angolo di picco media del ratto in 2 sessioni precedenti. Ad esempio, se il topo è in media di 45°, selezionare la fase statica per 50 gradi (K31). Tutte le fasi statiche Impostare il "Init. Thresh."al 5 °. Durante l'allenamento, se il topo perde la motivazione, inserire manualmente il ratto se esso supinates vicino ma non sopra la soglia.

Inoltre, durante la valutazione della linea di base, circa il 5% dei ratti regredire 5-10° nel loro angolo di supinazione e 5-10% nel tasso di successo tra le sessioni. Se questo accade, e il ratto non consente di ripristinare l'angolo di picco medio di 75° dopo 3-4 sedute, diminuire la fase statica all'interno di 10 gradi di angolo medio corrente del ratto prima di tornare al punto 3.5. È importante non reintrodurre un ratto alle fasi adattive una volta piazzata sulle fasi di addestramento statico.

Ci sono alcune limitazioni all'attività. Una volta stabilita la posizione di stretta non corretto, può essere difficile cambiare comportamento afferra (Figura 2). Quindi, correzione e la diagnosi precoce è importante. Per correggere la stretta di un topo, l'apertura può essere modificata da restringere la dimensione dell'apertura in direzione orizzontale o verticale; in genere registriamo un vetrino al bordo dell'apertura che ha bisogno di regolazione. Per la maggior parte dei ratti, questo migliora la loro forma stretta perché impone loro di cogliere il manipulandum in modo specifico. Questo, a sua volta, migliora la loro capacità di supinazione correttamente.

Oltre a questa sfida, ratti possono sviluppare meccanismi compensativi alla supinazione. Questi comprendono l'uso della testa per aiutare l'arto anteriore nella supinazione; abbassare il gomito e della spalla comune a ruotare la manopola; utilizzando la zampa sinistra per ruotare la manopola o spingere la zampa raggiungendo verso il basso. Tutti questi comportamenti può essere utilizzati per completare con successo l'attività. Come accennato in precedenza, i comportamenti relativi alla stretta possono essere corretto modificando l'apertura. Meccanismi compensativi di fuori della stretta, tuttavia, richiedono la partecipazione attiva dallo sperimentatore per non premiare comportamento compensativo. Dopo la ferita, abbiamo osservato ratti prendendo parecchie prove per posizionare la zampa nella posizione corretta prima di supinating. Anche se non abbiamo analizzato quali componenti dell'attività potrebbero contribuire alla perdita di supinazione, questi potrebbero includere la perdita di aderenza accurata e alterata modulazione di forza, tra molte possibilità.

Il compito di supinazione semi-automatizzato richiede, in media, 20 ± 5 giorni addestrare ratti alla linea di base e 25% degli animali sono in grado di essere addestrati sul compito. Contribuire al tempo di addestramento è il fatto che non hai selezionato naturalmente diritto-preferenza ratti ma invece forzare tutti gli animali per le zampe di destra come è comune nella maggior parte dei saggi raggiungendo. Non abbiamo provato facendo uso dei ratti di sinistra-preferenza, ma sarebbe un interessante studio esplorativo per identificare prima preferenza zampa e poi treno la zampa dominante. Per accogliere questo, ci sarebbe bisogno di capovolgere l'orientamento delle porte in modo che l'apertura è invertita; Questo può essere fatto facilmente.

Rispetto ai tradizionali compiti come l'IBB o singolo pellet raggiungendo, il compito di supinazione quantitativamente e obiettivamente misura raggiungendo degli arti anteriori. Mostra sensibilità per lesioni gravi (lesione corticale) e lesioni sottili (pyramidotomy), e la procedura di formazione può essere modificata a seconda della gravità del modello ferita. Perché è semi-automatico, l'attività consente lo sperimentatore addestrare ratti multipli contemporaneamente, a seconda della fase di formazione. Questo migliora notevolmente la produttività e la velocità effettiva del ratto lo sperimentatore. Il compito è affidabile e riproducibile fra i ratti. Con la creazione di una guida sulla risoluzione dei problemi (Figura 2) per gli sperimentatori fare riferimento durante il protocollo di allenamento, abbiamo standardizzato diversi comportamenti non corretti, nonché soluzioni per risolverli. Infine, l'attività offre uno strumento intuitivo per analizzare grandi quantità di dati e dà lo sperimentatore la possibilità di approfondire la cinetica di supinazione.

In futuro, si utilizzerà il compito di supinazione semi-automatica come una piattaforma per valutare tipo, dose e tempi di riabilitazione. Il nostro laboratorio è interessato negli effetti di stimolazione il miglioramento funzionale dopo la lesione. Inoltre, siamo interessati a come terapie che stimolano neurale ripristino o migliorare la conduzione neurale e comunicazione può influenzare la riabilitazione. Abbiamo anche interesse a modificare l'attività per essere compatibile con elettrofisiologia affinché possiamo studiare apprendimento motorio; ratti con testatappi eseguire regolarmente l'attività e l'aggiunta di un commutatore per registrazione o stimolazione sarebbe semplice da fare. Il compito, come descritto, è per i ratti, ma ci sono anche laboratori di sperimentazione con l'utilizzo di topi per l'attività. In generale, questa attività può essere utilizzata per valutare la funzione degli arti anteriori in roditori in un'ampia varietà di modelli di lesione e Stati di malattia e a sua volta, per la valutazione di strategie riabilitative. Andando avanti, continueremo a migliorare l'attività, con perfezionamenti per ridurre comportamenti non corretti e migliorare la velocità di acquisizione di attività e tempi di formazione.

Disclosures

Dr. Rennaker e Dr. Sloan sono i proprietari di Vulintus Inc., che produce l'apparecchiatura in questa pubblicazione. Conflitti di interesse non dichiarati per gli altri autori.

Acknowledgements

Questa ricerca è stata finanziata dalla 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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