La tâche de Supination bouton : Une méthode semi-automatique d’évaluation des fonctions du membre antérieur chez le rat

Behavior
 

Summary

Ce manuscrit décrit une tâche semi-automatisé qui quantifie la supination chez les rats. Des rats atteint, saisir et supination une résonnance sphérique. Le rat est récompensé avec une boulette si l’angle de rotation est supérieure à un critère défini par l’utilisateur. Cette tâche augmente le débit, sensibilité à la blessure et de l’objectivité par rapport aux tâches traditionnelles.

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

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Abstract

Tâches qui mesurent avec précision dextérité dans des modèles animaux sont essentiels pour comprendre le fonctionnement du main. Tâches comportementales rat qui mesurent la dextérité largement utilisent analyse vidéo de manipulation pour atteindre ou de la nourriture. Ces tâches sont faciles à mettre en œuvre et sont robustes dans l’ensemble de modèles de maladies, mais elles sont subjectives et laborieux pour l’expérimentateur. Automatisation des tâches traditionnelles ou la création de nouvelles tâches automatisées peut faire les tâches plus efficace, objective et quantitative. Étant donné que les rats sont moins agile que les primates, centrales nerveux de lésion du système (CNS) produit plus subtiles déficits en dextérité, cependant, supination est fortement affectée chez les rongeurs et crucial à portée de main fonction chez les primates. Par conséquent, nous avons conçu une tâche semi automatique qui mesure la supination des membres antérieurs chez les rats. Des rats sont formés pour atteindre et saisir une résonnance en forme de bouton et tourner la résonnance en supination pour recevoir une récompense. Des rats peuvent acquérir les compétences au sein de 20 ± 5 jours. Alors que la première partie de la formation est très surveillée, une grande partie de la formation se faite sans supervision directe. La tâche de manière fiable et reproductible capture déficits subtils après une blessure et montre la récupération fonctionnelle qui reflète fidèlement les courbes de la guérison clinique. Analyse des données est réalisée par un logiciel spécialisé via une interface utilisateur graphique qui est conçue pour être intuitive. Nous donnons également des solutions aux problèmes communs rencontrés au cours de la formation et montrent que des corrections mineures aux comportement au début de la formation produisent acquisition fiable de la supination. Ainsi, la tâche de supination bouton fournit une évaluation efficace et quantitative d’un mouvement critique de dextérité chez les rats.

Introduction

Une perte de dextérité après que lésion du système nerveux ou maladie significativement diminue l’indépendance et la qualité de vie des personnes touchées 1,2,3,4. Ainsi, la dextérité est une mesure de résultat important pour comprendre la science de réparation neuronale et de réhabilitation comme bien les bases du contrôle neural du mouvement et apprentissage moteur. Traditionnellement, les tâches manuelles comme seul granule atteignant, manipulation de pâtes et Irvine, Beatties et échelle de Forelimb Bresnahan (IBB) ont été utilisés pour évaluer la dextérité chez les animaux, notamment les rongeurs 5, 6,7. Ces tâches ont devenu popularisés en raison de leur temps d’acquisition opérationnelle minimale. Cependant, ils sont qualitatifs dans la nature, laborieux pour l’expérimentateur et parfois, insensibles à la déficience fonctionnelle après blessure avec déficits subtils 5,7,8,9. Ces limitations de tâches traditionnelles ont stimulé le développement de plusieurs mesures quantitatives de la fonction motrice chez les animaux, en particulier, des membres antérieurs pour atteindre.

Il y a plusieurs avantages à l’automatisation des tâches, à savoir objectivité, un débit plus élevé et le temps de l’analyse une diminution. Nouvelles tâches automatisés fournissent une mesure plus sensible de l’évaluation de dextérité après une blessure que les tâches classiques 8,10. En outre, ils permettent de formation adaptative et tests qui adapte la formation et les tests de difficulté à la performance de l’animal. Enfin, des tâches automatisées génèrent de grandes quantités de données, qui offrent deux avantages. Tout d’abord, une augmentation en données les deux dans un procès et du nombre d’essais augmente la puissance statistique d’une étude. D’autre part, il donne neuroscientifiques un plus grand ensemble de données permettant d’étudier l’apprentissage moteur, la formation et rémunération plus robuste grâce à l’analyse des données cinétiques et cinématique 11.

Plusieurs groupes ont tenté d’automatiser les tâches traditionnelles. Caméras à haute vitesse peuvent être utilisés pour recueillir des données cinématiques de tâches telles que le culot unique atteignant tâche 12. Alaverdashvili et Wishaw ont utilisé des caméras à grande vitesse de capture de mouvements pour atteindre et d’analyser les mouvements de chiffres à l’aide de logiciel de mesure de mouvement image par image pic Motus 13. Toutefois, ce logiciel n’identifie pas les chiffres à l’aide de la vision par ordinateur, mais exige plutôt l’expérimentateur de numériser les points de mouvement de curseur. En outre, certaines tâches ont été utilisés en conjonction avec les mangeoires et cages pour automatiser les processus de la formation 14,15,16.

Autres groupes ont utilisé des capteurs de force, mais aussi des caméras à haute vitesse pour évaluer les ajustements spatiales et force au forelimb qualifié pour atteindre à l’aide de manipulation de pâtes, tandis que d’autres ont conçu des tâches de capture de mouvements plus complexes 17. Une telle tâche est une tâche de reach et de traction qui utilise un dispositif robotisé de trois-degré de liberté pour capturer le mouvement planaire et rotation de rat de mouvements des membres antérieurs 18. Cela a des avantages à pouvoir mesurer la cinétique des mouvements mais avec une augmentation dans la complexité et le coût.

Ici, nous démontrons une tâche semi-automatisé des membres antérieurs qui mesure la supination rats 8. Supination du membre antérieur est la rotation de la patte de paume à paume vers le haut. Supination est un excellent marqueur de la fonction du faisceau pyramidal et un mouvement cliniquement chez l’être humain qui est requis pour les activités 8,19,20de vie quotidienne. En outre, supination est très sensible aux blessures et l’inactivation, surtout comparé à culot unique atteignant 8. La tâche de la supination, développé en collaboration entre l’Institut de recherche médicale de Burke et l’Université du Texas à Dallas, mesures mouvement de rotation dans le plan horizontal 8,10. Des rats sont placés dans une boîte de comportementale (Figure 1 a) et sont formés à faire trois mouvements (Figure 1 b) : arriver à travers un guichet rectangulaire ; saisir une résonnance sphérique ; supination à un angle désigné.

La tâche de comportement est contrôlée par logiciel sur PC (Figure 1). Le logiciel de commande envoie des instructions à un microcontrôleur qui est connecté à l’auto-positionneur, encodeur optique, conférencier et chargeur. Le microcontrôleur et ses connexions de périphériques sont appelées la boîte du microcontrôleur. Informations coule du codeur optique, au microcontrôleur, alors l’ordinateur et puis de nouveau au microcontrôleur. Si le logiciel de commande a signalé au microcontrôleur que le procès était un succès, le microcontrôleur déclenche la mangeoire pour distribuer une boulette. Au début de chaque session, le logiciel de contrôle transmet les informations de scène au microcontrôleur, qui dirige l’auto-positionneur afin de positionner le bouton à distance définie de l’étape de l’ouverture. L’auto-positionneur peut également être commandé manuellement en utilisant les flèches situées sur l’auto-positionneur. L’encodeur optique enregistre les données à 100Hz et mesures des changements en angle. Toutes les données sont stockées au format binaire.

L’expérimentateur utilise des étapes de formation séquentielle au sein du logiciel pour former le rat de l’accoutumance à la supination à un taux prédéterminé de l’angle et le succès. Au cours de l’accoutumance, la résonnance de bouton est placé à l’intérieur de la fenêtre d’ouverture sans aucun contrepoids. Après une semaine de formation hautement supervisée, le rat, est le bouton associé à une récompense et commence en la tournant de façon indépendante. Une fois que le rat est capable de transformer de façon indépendante, le bouton est rentré à 1,25 cm de 0,25 incréments cm jusqu'à ce que le rat peut tourner indépendamment à 1,25 cm. contrepoids est alors ajouté par incréments de 1 g de la 3 g à 6 g. Automated formation étapes train l’animal à la supination le bouton à 6 g de 75 degrés. Cette phase de formation est en grande partie sans surveillance ; une fois que les rats adoptent la tâche en bonne et due forme (voir ci-dessous), ils continuent de supination correctement. Formation est terminée lorsque les rats supination 75 degrés à un taux de réussite (taux de succès) de 75 % 8. Nous décrivons ici, un protocole d’entraînement typique et présenter des solutions à des problèmes communs que nous avons rencontrées. Nous démontrer la progression des rats représentatifs de réussis ou non via le protocole de formation et montrent que la tâche peut être modifiée pour afficher une impotence fonctionnelle avec des déficits subtils ou plus sévères.

Protocol

ce protocole décrit la mise en place de la tâche et l’établissement vivant et alimentation des conditions, mais aussi des animaux de la formation, les tests animaux après une blessure et analyse des données de comportement. Les quatre étapes de la formation animale sont décrites ainsi : accoutumance, récompense association, formation de contrepoids et formation au critère tourner à angle. Toutes les expériences animales ont été approuvées par l’IACUC de Weill Cornell Medicine et l’Université du Texas à Dallas.

1. réglage vers le haut la tâche

  1. Design une comportementale boîte faite de plastique transparent que de mesures 150 mm de largeur 200 mm longueur 250 mm de hauteur.
    NOTE : Ici, l’ouverture rectangulaire est 14,2 mm de largeur par hauteur de 25,4 mm. La résonnance de bouton de diamètre 9,5 mm est fait avec méthacrylate et a deux arrêts qui restreignent la supination à moins de 100°. Chacun de ces paramètres ont été testés et optimisés pour les déficits décrits dans la section résultats. La boîte comportementale et la résonnance sont indiquées dans la Figure 1 a.
  2. Se connecter à l’ordinateur, la boîte de microcontrôleur. Jusqu'à quatre microcontrôleur boîtes peuvent être connectés à chaque ordinateur.
  3. Pour commencer la tâche, utilisez le logiciel de contrôle ( Figure 1).
    1. , Sélectionnez le bouton du dispositif de contrôle. Entrez le nom du sujet dans le " sujet " champ. Choisir la voie à la formation sous le " stade " dropdown menu.
      Remarque : Les étapes dicte trois paramètres pour chaque essai : le " Hit fenêtre, " " Hit seuil, " et " seuil Initial. " un succès est défini comme pour atteindre l’angle de critère dans un délai défini. " Fenêtre hit " désigne le temps alloué pour un animal de commencer un procès et d’atteindre l’angle de critère. " Seuil hit " est l’angle de critère pour un essai concluant. " Seuil initial " est l’angle de critère de débuter un essai et de frapper la fenêtre ; Cela indique le début du tour. Plus d’informations sur les étapes peut être vu ci-dessous dans la section " formation animaux. "
    2. cliquez " lancer " pour commencer la séance d’entraînement. Cliquez sur " d’alimentation " pour alimenter manuellement l’animal et " arrêter " à interrompre la séance d’entraînement.
      NOTE : Alimentation manuelle doit être utilisée pour maintenir l’intérêt dans la tâche et est décrit en détail dans la section 3. Après l’arrêt de la session, les données de session sont sauvegardées sur le disque C:.

2. Conditions de vie et d’alimentation

  1. utilisation adultes rats Sprague Dawley femelles (175-200 g). Des rats de maison ensemble dans des cages standards inversé 12 h noir/12 h light cycle. Effectuer toute la formation et de tests au cours du cycle foncé avec les lumières tamisées.
    Remarque : Rates sont utilisés car ils sont plus faciles à former 21. Ici, Sprague-Dawley ont été utilisés parce que c’est une souche commune utilisée dans la formation automobile, et c’est la souche prédominante pour la transgénèse. Toutefois, étant donné la nature réglable de la tâche (contrepoids, critère angle de virage, la distance et les boutons et lui-même) ces pourraient facilement être ajustés pour différentes souches et plus grande (par exemple les mâles) ou plus petits (p. ex. Wistar) rats.
  2. Pour les 5 premiers jours de l’étude, donnent les rats une Auge pleine en plus nutritionnellement complets, chocolat aromatisés pastilles pendant cinq jours. Après le cinquième jour, nourriture-restreindre les rats à 85 % de leur courbe de poids normal.
  3. Après que restriction alimentaire a commencé, nourrir les rats 7,5 g de pastilles de chocolat (ajuster vers le haut ou vers le bas pour maintenir les 85 % du poids selon l’âge) tout au long de l’intégralité de leur formation. Si les rats n’ont pas reçu 7,5 g de pastilles de chocolat à leurs sessions de formation, compléter withstandard chow après la session finale.
    NOTE : Week-end alimentation ad libitum avec chow standard jusqu’au dimanche soir, puis nourriture-priver pendant la nuit. Lors d’interventions chirurgicales ou autres interventions invasives, alimentation ad libitum de permettre au moins trois jours avant, puis pendant trois jours après l’intervention (selon les heures de récupération) avant de mettre les rats sur la restriction alimentaire nouveau.

3. Procédure de formation

Remarque : une vue d’ensemble de la procédure de formation est indiqué dans la Figure 3 a. Dans tout le protocole, former les rats deux fois par jour, une fois le matin et une fois dans l’après-midi. Attendre au moins 3 h après la séance du matin avant de commencer la séance de l’après-midi.

  1. Accoutumance
    Remarque : l’objectif d’accoutumance est de familiariser le rat avec la boîte de test et traitement.
    1. Se rétracter le dispositif bouton entièrement en appuyant sur la touche flèche bas sur le positionneur automatique.
    2. Place le rat dans la boîte de comportement pendant 15 min.
    3. Après 15 min dans la zone, gérez tous les rats dans les mains pendant au moins cinq minutes familiariser le rat pour l’expérimentateur.
    4. Répéter cela pendant cinq jours.
  2. Récompense Association
    Remarque : l’objectif est de former le rat à associer une récompense alimentaire de rotation de la molette. S’attendre à passer la durée de la session complète de 30 min sur la tâche pendant la phase d’association récompense d’instruction.
    1. Ouvrez le logiciel et entrez le nom de rat. Préparer le terrain " K1 : bouton de mise en forme - aucune poulie. "
      Remarque : Ceci définit la distance de résonnance de l’ouverture à 0.0 cm, le " Init. THRESH. " 3 °, " HIT Thresh. " à 5 degrés, et " fenêtre HIT " à 2 s. Cela permet le rat d’être nourri aussi longtemps que le rat tourne le bouton dernières 3 degrés. Le " fenêtre HIT " restera à 2 s tout au long de la formation.
    2. Mettre le rat dans la zone comportementale et de la presse " lancer " pour démarrer la session.
    3. Familiariser le rat à la fosse de récompense de distribuer des pastilles de 2-3 à la fois et en tapant du côté de la zone où se trouve le creux de la récompense. Répartir les boulettes en utilisant le bouton de chargeur manuel.
    4. Une fois que le rat connaît l’emplacement de la récompense, manuellement distribuer 1 lingotin lorsque le rat est en face de l’ouverture.
    5. Une fois le rat se déplace vers l’ouverture dans l’attente d’une récompense de pellet, condition du rat pour interagir avec la résonnance.
      1. Invite le rat de s’engager en plaçant une boulette de nourriture de 45 mg près la résonnance, ou en appliquant des poussières pellets directement à la résonnance, ce qui lui permet d’atteindre et de saisir. Si le rat s’éloigne de l’ouverture, tapez sur la boîte près de la résonnance de réorienter son attention.
        Remarque : Si le rat a touché le bouton avec sa patte pour atteindre, le programme va nourrir le rat. Toutes les interactions qui n’incluent pas l’utilisation des pattes (mordre, flairant la résonnance) sont incorrectes et ne devraient pas être récompensées.
    6. Une fois que le rat commence à toucher le bouton avec la patte désirée et obtenir récompensé 10 fois de suite à 0. 0 cm, utilisez la touche flèche bas sur l’auto-positionneur ( Figure 1 a) pour rétracter la résonnance de 0,25 cm. Repeat ce cm 0,25 in incrémente jusqu'à ce que la résonnance est de 1,25 cm de l’ouverture.
    7. Presse " Stop " après 30 min à la fin de la session.
    8. Continuer l’association récompense jusqu'à ce que le rat supinates la résonnance avec la patte désirée à distance l’ouverture ( Figure 1 b) de 1,25 cm.
    9. Une fois que le rat a terminé 2 sessions consécutives supination de la résonnance et la récupération de la récompense de pellet, commencer l’entraînement contrepoids.
  3. Contrepoids formation pour former les rats à la supination un contrepoids de 6 g.
    1. Place un 3 g contrepoids sur la résonnance en attachant le connecteur à l’extrémité du contrepoids au point d’ancrage en forme de L sur la résonnance. Faites passer la chaîne contrepoids dans la poulie jusqu'à ce que le contrepoids est suspendu librement.
    2. Ouvrez le logiciel et entrez le nom de rat. Préparer le terrain " K2 : bouton de mise en forme - poulie. "
      Remarque : Ceci définit la distance de résonnance de l’ouverture à 1,25 cm, le " Init. THRESH. " 3 ° et la " HIT Thresh. " à 5 degrés. La distance de résonnance restera à 1,25 cm à partir de ce moment.
    3. Mettre le rat dans la zone comportementale et de la presse " lancer " pour démarrer la session.
    4. Presse " Stop " après 100 + essais couronnés de succès. Une fois que le rat a terminé 2 sessions consécutives de 100 + essais couronnés de succès, augmenter le poids de 1 g à l’issue d’une session. Augmenter le poids de la 3 g à 6 g, au cours de ses sessions ultérieures.
    5. Passez à l’étape 3.4 après 2 sessions consécutives de la supination à 6 g et 100 + essais réussis.
      Remarque : Il faut en moyenne de 6 séances (3 jours) à travailler vers le haut de la 3 g à 6 g. commençant dans la formation de contrepoids, il est impératif que le mouvement de supination correcte est récompensé et obtient en forme de mouvement de supination incorrect sur. Pour un guide visuel et une explication sur la forme de supination correctes et incorrectes, veuillez vous reporter à la Figure 2.
  4. Formation à base
    Remarque : n’oubliez pas de continuer à mouvement de supination correcte de forme. Encore une fois, reportez-vous à la Figure 2 pour un guide visuel sur le mouvement de supination correct/incorrect et comment améliorer la supination incorrecte. Former les rats à la supination à des critères de référence ; ici, c’est 75 degrés avec un contrepoids de 6 g à un taux de réussite de 75 % ou plus.
    1. Placer un contrepoids 6 g sur la résonnance.
    2. Ouvrez le logiciel et entrez le nom de rat. Préparer le terrain " KSB4 : bouton formation médiane 75 Max. "
      Remarque : Ceci définit les " Init. Battre le. " à 5°, " HIT seuil Minimum " à 15°, et " HIT seuil Maximum " à 75°. Cela s’appelle un " adaptative " étape de formation, ce qui signifie que le seuil passera comme le rat ' s performances s’améliorent. Pour la " KSB4 " scène, le seuil est fixé d’abord à la session précédente ' dernier seuil s. Si aucune session précédente a été effectuée à ce stade, le seuil est réglé sur le minimum du seuil de 15 degrés. Après les 10 premiers essais de la session, le seuil est calculé comme la médiane du pic angles dans les précédentes 10 essais. Ainsi, le seuil est différent pour chaque essai et dépend de la rat ' s la performance dans les essais précédents.
    3. Arrêter la session après 30 min.
    4. Continue, formation à l’aide de l’étape adaptative, jusqu'à ce que l’angle de pointe moyenne est de 75 degrés ou plu. Ensuite, passez à l’étape 3.5. Ceci se produit généralement après une dizaine de jours ou 20 séances.
  5. Évaluation de base pour enregistrer quatre lignes de base consécutives
    1. placer un contrepoids 6 g sur la résonnance.
    2. Ouvrez le logiciel et entrez le nom de rat. Préparer le terrain " K27 : 75 degrés. " cela définit la " Init. Battre le. " à 5 ° et " HIT seuil à 75°.
    3. Presse " Stop " après 30 min ou 100 essais, selon la première éventualité, pour mettre fin à la session.
    4. Continuer jusqu'à ce qu’il y a quatre lignes consécutives avec un taux de réussite de 75 % ou plus.

4. Évaluation du préjudice après

  1. Ouvrez le logiciel et entrez le nom de rat. Préparer le terrain à la même scène statique qu’essais de base avant l’accident. Cela conservera les mêmes paramètres servant de référence.
  2. Presse " Start " et exécuter la session jusqu'à 30 min.
    NOTE : La Participation pourrait être faible après une blessure. Cela peut être résolu en utilisant le manuel se nourrissent de bouton ou placer une pastille de récompense près de la résonnance pour inciter le rat de s’engager avec la résonnance.
  3. Répéter le test une fois par semaine à intervalles d’une semaine, jusqu'à obtention de la longueur désirée de l’évaluation du préjudice après.
    NOTE : Ici, nous évaluons post-traumatique rendement chaque semaine pendant six semaines.

5. Analyser les données

Remarque : les données sont sauvegardées dans un répertoire par défaut sur le lecteur C: d’un PC. Données sont capturées à 100 Hz pendant la fenêtre de succès et stockées au format binaire. Ici, les données ont été analysées à l’aide d’un programme personnalisé, appelé dextérité. Veuillez envoyer un courriel Dr Jason Carmel pour l’accès à ce logiciel gratuit.

  1. Dextérité ouverte et cliquez sur " norme. "
  2. recherchez le répertoire où les données de rat est et sélectionner le répertoire.
  3. Après avoir sélectionné le répertoire, sélectionnez les rats pour analyse.
  4. Click " garder " ou " jeter " à garder ou jeter les fichiers qui sont incomplets ou ne contenant aucune donnée.
    NOTE : Il y a des moments lors de sessions sont lancées en utilisant les paramètres incorrect et formation scène et alors qu’ils sont immédiatement arrêtés, un fichier est toujours créé. Ce fichier doit être ignorés pendant l’analyse. Il existe également des instances, particulièrement aiguë après une blessure, lorsqu’un animal n’effectue aucun essai à cause de leurs blessures ou très peu d’essais. Pour ces sessions, un fichier doit rester parce que c’est une représentation de leur performance. Quand un fichier avec aucun essais réussis est conservé, un NaN est placé à l’endroit approprié pour les variables calculées.
  5. Choisir d’annoter l’expérience maintenant ou plus tard ; si " annoter maintenant " est sélectionné, une nouvelle fenêtre s’ouvrira. Tapez dans le " nom d’expérimenter, " " les noms de groupe, " " les données d’événement, " et " Nombre Total de semaines " dans l’expérience.
  6. Affecter des sujets à un groupe.
  7. Inscrire le nombre de sessions de données dans chaque point de la semaine ou l’heure. Séparer les sessions d’entrée par un espace et veillez à ne pas mettre un espace après le dernier numéro c'est-à-dire (1 1 1 1).
  8. D’entrée les étiquettes de point de temps. Séparer les étiquettes d’entrée par un espace et veillez à ne pas mettre un espace après la dernière étiquette c'est-à-dire (pré Wk1 Wk2 Wk3).
  9. Select lorsque l’événement s’est produit, une option pour enregistrer la session d’analyse apparaît. Cliquez sur " Oui " pour enregistrer la session analyse.
  10. Une vue d’ensemble des données annotées et non annotées apparaîtra. Cela donne la possibilité de tracer des données.
  11. Pour les données non annotées, cliquez " objet graphique " pour tracer un sujet individuel ou " graphique sujets " pour tracer tous les sujets sur le même graphe.
  12. Pour l’analyse annoté, cliquez sur " terrain " pour tracer l’expérience.
  13. Pour les annoté et non annotées, cliquez sur la flèche déroulante pour obtenir la liste des variables à tracer. Cliquez sur la variable pour voir l’intrigue.
  14. Cliquez sur Exporter pour exporter le graphique et/ou les données associées à la graph.

Representative Results

Au début de la formation, l’expérimentateur passe plus de temps sur la tâche de façonner le comportement du rat. Comme les rats nous associer supination de rat avec prime, les mains sur le temps diminue (Figure 3 a). Au cours de l’accoutumance, association de récompense et la formation de contrepoids, la durée de la session complète (30 min) est consacrée à la tâche. Cependant, après qu’un rat est supination avec un poids de 6 g, le temps sur des tâches progressivement diminue à environ 15 min plus de rat supination angle. Enfin, lorsque le rat atteint de base, le temps sur la tâche est au minimum ; l’expérimentateur n’a besoin que de placer le rat dans la zone comportementale et démarrer le programme. Le nombre maximal de rats qu'un expérimentateur peut travailler avec simultanément est deux rats au cours de l’association de la récompense, quatre rats au cours de contrepoids de formation et de formation au niveau de référence, et autant rats car il y a des boîtes pendant l’évaluation de référence et essais après l’accident. En moyenne, 75 % des rats (n = 56) acquérir la tâche.

Après que le rat a associé une récompense supination, il y a une progression positive en angle de supination de la rat (Figure 3 b). Dans la Figure 3 b, le rat a progressé de 3 g à contrepoids 6 g du jour 3 au jour 7. Après le contrepoids de formation, il y avait une courte période de formation adaptative du jour 7 au jour 9, au cours de laquelle supination est passé de 26 à 30 degrés. Parce qu’il n’a pas beaucoup de changement, un seuil statique a travaillé de jour de 9 à 18. Durant cette période, le rat régulièrement passée de 30 degrés à 75 degrés en 8 jours. Il y a une variabilité quotidienne tout au long des journées de formation, en particulier, 12 et 14. Mais généralement, il y a une tendance à la hausse dans l’angle de la supination. La fin d’accoutumance après 17 jours, le rat a enregistré sa première ligne de base, et quatre sessions plus tard, il fini évaluation de base. De l’accoutumance à l’enregistrement d’une quatrième ligne de base, le protocole de formation prend en moyenne de 20 ± 5 jours.

Bien qu’il soit important d’affichage une progression idéale grâce au protocole de formation, Regarde un une progression sans succès est tout aussi important (Figure 4). Dans la Figure 4 a, la ligne orange montre un rat qui réussit le protocole, la ligne bleue montre un rat infructueux, et lignes grises montrent un autre six rats réussie. Des rats avec succès atteint base chez 15 ± 0,6 jours (n = 7). Le rat réussi représentant utilise une connaissance de 01:00, tandis que le rat infructueux utilise une connaissance de 03:00. Les deux rats associent le bouton à une récompense en 2 jours. En outre, les deux rats montrent une progression d’angle (Figure 4 a) supination similaire dans les quatre premiers jours après que le contrepoids est ajouté. Toutefois, après ce point, le rat réussi commence à rompre avec le rat infructueux. C’est parce que l’emprise de rat sans succès n’a pas pu être corrigées avant ce point (voir la Figure 2).

Chez le rat avec succès, il y a une hausse brutale des angle de supination qui commence à plateau entre 50 et 60 degrés, mais reprend ensuite une montée plus stable vers 75 degrés. Cependant, chez le rat infructueux, il y a une augmentation plus graduelle dans l’angle de la supination. Comme le rat des plateaux autour de 20 degrés, le rat est poussé vers la supination plus, mais finalement, il perd de l’intérêt dans la tâche, même avec une alimentation manuelle, et l’angle de la supination diminue rapidement autour de 15 jours après accoutumance. Bien qu’il y a une légère reprise après 17 jours après accoutumance, le rat se démène pour la supination plus de 25 degrés. Si un rat n’a pas atteint base jour 20, nous considérons ce rat infructueuse et retirez le rat de l’étude.

En plus de l’angle de la supination, on peut effectuer une inspection visuelle de l’onde de supination (Figure 4 b-D) pour le rat réussi et ratée. Lorsque vous effectuez une inspection visuelle, nous recherchons plusieurs caractéristiques de forme d’onde : pente de la ligne, temps de latence et nombre de pics dans la fenêtre de temps pour le procès. La pente de la courbe est égale à la dérivée de la courbe entre le début de la courbe et le pic de la courbe. La latence est calculée comme le temps entre le début du procès et la courbe de franchir le seuil de succès. Enfin, les pics sont calculées en utilisant la dérivée pour rechercher des maxima locaux dans la fenêtre du procès. Auparavant, nous trouvé cette pente de la ligne, ou la vitesse, est une mesure fiable de la cinétique de la supination et est sensibles au déficit subtile 8.

Dans le premier tiers de la formation après avoir commencé à supination à l’aide de 6 g (Figure 4 b), le rat réussi (Figure 4 b1) montre une forme d’onde unique avec un pic de près de 20 degrés, tandis que le rat infructueux (Figure 4 b2 ) montre un tour double, ou deux pics, avec le premier pic de près de 10 degrés et le second pic près de 5 degrés. Dans le tiers médian de la formation (Figure 4), le rat réussi (Figure 41) montre une augmentation de l’angle de pointe de 20 degrés à 50 degrés avec une courbe plus définis, seul. Le rat infructueux (Figure 4,2), dans le même temps, seule montre un marginal augmentent en angle de pointe à 20 degrés mais s’est améliorée dans sa forme ; maintenant, il utilise uniquement un seul tour. Par le dernier tiers de la formation (Figure 4), le rat réussi (4 de la Figure1) montre une forme d’onde unique très prononcé avec un pic autour de 65 °, contre le rat infructueux (Figure 4,2) avec un angle de pointe de 20 degrés mais maintenant avec un pic supplémentaire à 2 s de 15°. Il s’agit d’un autre bon indicateur qu’avec difficulté croissante de formation, le rat n’a pas pu corriger son emprise de 03:00 et par ricochet, incapable de supination correctement. Même si ce rat n’a pas été exclus de l’étude et pourrait par la suite effectuer jusqu'à 75 degrés, questions resterait à savoir si c’était vraie supination contre supination avec compensation.

Enfin, la tâche de supination détecte une impotence fonctionnelle après plusieurs types de blessures, dont une lésion Coupe du tractus corticospinal, la voie principale pour un mouvement volontaire chez les personnes et lésion de cortex moteur des membres antérieurs effectués avec des injections de l’endothéline ()Figure 5) 8,10,22. Rats du groupe pyramidotomy ("purple", n = 8) ont été formés à la supination au moins 75° à 6 g à un taux de réussite de 75 % ou plus, tandis que des rats du groupe lésion corticale (vert, n = 10) ont été formés à la supination de 60° à 7,5 g à 75 % ou plus. Les rats dans les deux groupes ont montré une forte baisse dans le taux de réussite après la lésion (Figure 5 a). Taux de réussite pour les rats du groupe pyramidotomy a diminué de 90 % ± 2 % à 14 % ± 8 %. Le suctaux de Cess pour les rats avec lésion corticale est passé de 76 % ± 1 % à 10 % ± 3 %. Semaine 6, les deux groupes étaient toujours médiocres : le groupe pyramidotomy atteignait 34 % ± 11 % tandis que le groupe de lésion corticale est demeuré à 16 ± 7 %. En ce qui concerne l’angle de la supination, les deux groupes font apparaître une diminution de pré à après la lésion (Figure 5 b). Les angles de supination critère différent niveau de référence, le groupe de pyramidotomy dû un angle de supination avant l’accident (85° ± 2,9 °) plus élevé que le groupe de lésion corticale (67° ± 0,52 °). Le groupe pyramidotomy est passée à 38° ± 10° tandis que le groupe de lésion corticale a diminué à 27° ± 2,9 °.

Figure 1
Figure 1 : Description de tâche supination. (A), le rat est placé dans une boîte de Plexiglas avec une ouverture à travers laquelle il atteint et saisit un bouton qui doit être tourné en supination. Le bouton comporte deux arrêts pour éviter les angles de la supination plus de 100°. Le bouton possède également une poulie avec contrepoids ; Cela crée le couple que le rat doit surmonter pour supination. Le bouton est relié à un encodeur optique qui mesure l’angle avec une précision de 0,25 °. Cet encodeur optique est relié à un microcontrôleur, qui à son tour est relié à un ordinateur qui contrôle la tâche. L’ordinateur signale au microcontrôleur quand à gâchette audio-commentaires et répartir une boulette de la mangeoire si un critère de succès est atteint. Le microcontrôleur contrôle également le positionneur automatique dont la position entre 0 et 1.25 cm est dictée par la phase de formation définie par l’ordinateur. (B), le rat effectue la tâche en trois mouvements successifs : atteint à travers l’ouverture, saisir la poignée avec une prise de courant située à 01:00 et supination. (C), le bouton de tâche de supination est contrôlé par un logiciel de contrôle. L’expérimentateur entrées le nom du sujet et choisit le stade de la formation, tandis que le programme définit les paramètres correspondants. Une forme d’onde d’une unique supination réussie du procès est affiché en bleu, tandis que la séquence des essais réussies et échouées sont indiquées en vert et rouge, respectivement. Un essai est marqué avec succès par le logiciel de contrôle si l’angle de la supination est supérieure au seuil atteinte dans le délai défini, alors qu’un procès est marqué échec si ce n’est pas. Ce programme contrôle une seule boîte. Quatre programmes peuvent être exécutés simultanément par ordinateur. Ce chiffre a été modifié par Sindhurakar et al., 2017, réadaptation neurologique et réparation neurale8. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Figure 2 : Mouvements de supination. Schémas et descriptions des mouvements de supination correctes et incorrectes courantes rencontrées dans le protocole de formation. Les mouvements corrects permettent supination vraie, alors que les mouvements incorrects comprennent des mécanismes de compensation qui peuvent empêcher la supination vraie. Les solutions proposées pour corriger les mauvais mouvements sont inclus. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Figure 3 : Protocole de formation. Calendrier Standard (A). Il y a cinq périodes de formation dure environ 25 jours au total : accoutumance (5D), Association de récompense (1-3 d), des exercices de musculation (3-4 d), formation de base (8-12 d) et évaluation de base (2-4 d). Le modèle de ligne sur la chronologie désigne le temps nécessaire de l’expérimentateur de passer sur la tâche de chaque session. Comme le protocole de formation produit, le temps sur une tâche diminue. (B) progression générale de la capacité d’un rat à la supination de l’association de la récompense pour l’évaluation de base. Dans l’ensemble, il y a une progression linéaire positive du rat vers la base, mais tel qu’observé, il y a la variabilité dans la performance d’un rat dans tout le protocole de formation. Après la musculation, il y a une période de formation adaptative, où le seuil d’angle supination est changé pour égaler les performances de la rat. Cette formation adaptative est suivie d’un paradigme de seuillage statique jusqu'à ce que le rat a atteint la ligne de base. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 4
Figure 4 : Acquisition de tâche réussies et ratées. (A) la Progression de la supination angle dans toute formation Protocole pour huit rats, sept succès et un échec. Un rat représentatif qui atteint le critère de base (succès, orange) et un rat infructueux (bleu) sont encore utilisés comme études de cas. Dans les sept premiers jours de la formation après accoutumance, tant le rat réussi et ratée ont montré des progrès similaires dans l’angle de la supination. Par jour 11 après accoutumance, le rat réussi était supination 55 ° alors que le rat infructueux supination 25 °. Après 15 jours après accoutumance, le rat réussi a montré une forte progression, tandis que le rat infructueux baisse en performance. Dans le dernier tiers d’accoutumance après formation, le rat infructueux avait plafonné à 30 °, tandis que le rat réussi était supination 80 °. (B) forme d’onde moyenne (ligne noire) avec un intervalle de confiance 95 % (orange pour le succès, bleu pour infructueuse) pour le premier tiers de la formation après ajout de 6 g de contrepoids. (B1) Succès rat - seul pic autour de 20°. (B2) Infructueuse rat - double pic avec global maximum de 10°. (C) forme d’onde moyenne (ligne noire) avec un intervalle de confiance 95 % (orange pour le succès, bleu pour infructueuse) pour le deuxième tiers de la formation après ajout de 6 g de contrepoids. (C1) Succès rat - seul pic à 45°. (C2) Infructueuse rat - forme améliorée avec le seul pic près de 20°. (D) forme d’onde moyenne (ligne noire) avec un intervalle de confiance 95 % (orange pour le succès, bleu pour infructueuse) pour le dernier tiers de la formation après ajout de 6 g de contrepoids. (D1) Rat réussie - prononcé seul pic à 65°. (D2) Infructueuse rat - double pic avec global maximum à 20°. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 5
Figure 5 :forte > Task sensibilité à différents modèles de lésion. Rats du groupe pyramidotomy ("purple", n = 8) ont été formés à la supination 75° à 6 g à un taux de réussite de 75 % ou plus, tandis que des rats du groupe lésion corticale (vert, n = 10) ont été formés à la supination de 60° à 6 g à 75 % ou plus. Données présentées sont moyenne ± écart-type. (A) taux de réussite pyramidotomy lésion par rapport à la lésion corticale. Les deux modèles de lésion a montré une forte baisse des taux de succès de pré à post-traumatique (1 semaine). Taux de réussite pour pyramidotomy a diminué de 0,90 ± 0,02 à 0,14 ± 0,08, tandis que le taux de réussite pour lésion corticale est passé de 0,76 ± 0,01. (B) angle de supination pour les pyramidotomy contre les lésions corticales. Les deux groupes ont montré une diminution de pré à après l’accident : le groupe pyramidotomy a diminué à 38,2 ° ± 10,1 ° tandis que le groupe de lésion corticale a diminué à 27,1 ° ± 2,9 °. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Discussion

La tâche de supination bouton évalue supination membre antérieur chez le rat à l’aide de méthodes quantitatives et semi-automatisé. Pour atteindre ces points de terminaison, plusieurs paramètres conçus pour la tâche, notamment l’alignement du bouton, la conception de la résonnance et des critères de formation, ont été faits sur plusieurs années. Pour l’alignement du bouton, nous avons expérimenté avec trois différents alignements du bouton en ce qui concerne l’ouverture : à gauche du bouton aligné sur le côté gauche de l’ouverture, le bouton centré dans l’ouverture, et le côté droit du bouton aligné sur le côté droit de l’un perture. Nous nous sommes installés sur le côté droit de la manette étant aligné sur le côté droit de l’ouverture, comme ce produit des rats qui ont été formés dans le plus court laps de temps et qui supination avec des mécanismes de compensation minimales, en particulier, interférence de la patte gauche.

Résonnance Design, nous avons modifié plusieurs fonctionnalités de conception pour maximiser tournage avec la patte avant et Minimisez l’utilisation du corps. En outre, nous avons réduit la difficulté de la tâche à la sévérité du déficit prévu. Après pyramidotomy, supination est le mouvement qui est plus fortement affecté, mais l’atteinte est toujours relativement subtile. Ainsi, nous avons formé les rats à un critère de base plus élevé (75°) pour s’assurer que les déficits importants ont été observés après une blessure. Pour les lésions corticales, qui sont une atteinte plus, seuil de 60 degrés à 7,5 g suffisait à démontrer un déficit significatif après une blessure. Des paramètres supplémentaires qui ont été optimisées grâce à une approche essais-erreurs comprennent l’ouverture de maille, distance de bouton de l’ouverture et la fenêtre de temps pour réaliser un essai concluant.

Il y a certains points critiques tout au long du protocole formation nécessitant une surveillance attentive. Lorsque la formation de base, la méthode de seuillage adaptatif a été utilisée avec succès pour former les rats à 75° 10. Cependant, rat peut plateau à un pic d’angle inférieur à 75° ; le rendement reste le même après 4-5 séances. Pour améliorer les performances, un seuil statique peut être employé. Un seuil statique désigne le seuil reste à un degré, qui est indépendant de la performance de rat, par opposition à un seuil adaptatif qui modifications basées sur les performances récentes. Si le rat des plateaux au cours de la formation adaptative, l’expérimentateur doit passer à un seuil statique. Plage de stades de formation statique de 20 à 70 °, par incréments de 10°. (Stade K28 - K33). Choisir la phase statique basée sur l’angle maximum moyen de rat en 2 sessions précédentes. Par exemple, si le rat est en moyenne de 45°, sélectionnez l’étape statique pour les 50 degrés (K31). Toutes les scènes statiques mis le « Init. Battre. » à 5 °. Au cours de la formation, si le rat perd la motivation, passez manuellement le rat si il supinates proche de, mais pas au-dessus du seuil.

En outre, au cours de l’évaluation de base, environ 5 % des rats régresser 5-10° dans leur angle de supination et 5 à 10 % dans les taux de réussite entre les sessions. Si cela se produit et que le rat ne récupère pas l’angle de pointe moyenne de 75° après 3-4 séances, diminuer la phase statique à 10 degrés d’angle moyen actuel de rat avant de retourner à l’étape 3.5. Il est important de ne pas réintroduire un rat aux stades adaptatifs lorsqu’il a été placé sur les scènes d’entraînement statique.

Il existe certaines limitations à la tâche. Une fois que la position prise incorrecte a été établie, modifier le comportement de préhension (Figure 2) peut être difficile. Ainsi, la correction et le dépistage précoce est important. Pour corriger la portée d’un rat, l’ouverture peut être modifiée par un rétrécissement de la taille de l’ouverture dans la direction horizontale et/ou verticale ; en général, nous tape une lame de verre jusqu’au bord de l’ouverture qui a besoin d’ajustement. Pour la plupart des rats, cela permet d’améliorer leur forme emprise car elle l’oblige à saisir la résonnance d’une manière spécifique. Cela, à son tour, permet d’améliorer leur capacité à correctement supination.

En plus de ce défi, rats peuvent développer des mécanismes compensatoires à la supination. Il s’agit de l’utilisation de la tête à l’aide de la patte antérieure en supination ; abaisser le coude et l’épaule mixte de tourner le bouton ; à l’aide de la patte gauche pour aider à tourner le bouton ou poussez la patte pour atteindre vers le bas. Tous ces comportements peuvent être utilisé pour mener la tâche à bien. Comme mentionné ci-dessus, relative à l’emprise des comportements peuvent être corrigées en manipulant l’ouverture. Des mécanismes de compensation à l’extérieur de l’emprise, toutefois, exigent une participation active par l’expérimentateur pour ne pas récompenser le comportement compensatoire. Après une blessure, nous avons observé des rats prenant plusieurs essais de mettre la patte dans la bonne position avant la supination. Bien que nous n’avons pas analysé les composants de la tâche pourraient contribuer à la perte de la supination, ceux-ci pourraient inclure la perte d’adhérence précise et troubles de modulation de force, parmi de nombreuses possibilités.

La tâche de supination semi-automatisé prend, en moyenne, 20 ± 5 jours pour former les rats à la base, et 25 % des animaux ne peuvent être formés sur la tâche. Contribuer au temps de formation est le fait que nous n’avez pas sélectionné de rats naturellement droit préférentiel, mais au contraire forcer tous les animaux d’utiliser leurs pattes droite que celle qui est commun dans la plupart des essais pour atteindre. Nous n’avons pas essayé à l’aide de préférence de gauche des rats, mais ce serait une intéressante étude exploratoire à pattes de préférence d’abord identifier et former ensuite la patte dominante. Pour tenir compte de ce fait, nous aurions besoin de retourner l’orientation des portes afin que l’ouverture est inversée ; Cela peut être fait facilement.

Par rapport aux tâches traditionnelles comme l’IBB ou arriver à culot unique, la tâche de supination quantitativement et objectivement mesure atteignant des membres antérieurs. Il montre la sensibilité à des blessures graves (lésion corticale) et blessures subtiles (pyramidotomy), et la procédure de formation peut être modifiée selon la gravité du modèle des blessures. Parce qu’il est semi-automatique, la tâche permet à l’expérimentateur de former plusieurs rats simultanément, selon le stade de formation. Ceci améliore grandement la productivité de l’expérimentateur et le débit de rat. La tâche est fiable et reproductible, entre les rats. En créant un guide de dépannage (Figure 2) pour les expérimentateurs désigner durant le protocole de formation, nous avons standardisé plusieurs comportements incorrects, ainsi que des solutions pour les résoudre. Enfin, la tâche offre un moyen intuitif pour analyser de grandes quantités de données et l’expérimentateur du donne la possibilité d’approfondir la cinétique de la supination.

À l’avenir, nous allons utiliser la tâche de supination semi-automatique comme plate-forme pour évaluer le type, la dose et moment de la remise en état. Notre laboratoire s’intéresse aux effets de la stimulation sur l’amélioration fonctionnelle après une blessure. En outre, nous nous intéressons à comment les thérapies qui stimulent les neurones réparer ou améliorer la conduction neurale et communication peut affecter la remise en état. Nous avons également intérêt à modifier la tâche pour être compatible avec l’électrophysiologie afin que nous pouvons étudier l’apprentissage moteur ; rats avec têtecasquettes systématiquement effectuent la tâche, et ajout d’un commutateur pour l’enregistrement ou la stimulation serait simple à faire. La tâche, comme décrit, est pour les rats, mais il y a aussi des laboratoires d’expérimenter en utilisant la souris pour la tâche. En général, cette tâche peut être utilisée pour évaluer la fonction des membres antérieurs chez les rongeurs dans une grande variété de modèles de lésion et états pathologiques et à son tour, pour l’évaluation des stratégies de réadaptation. Aller de l’avant, nous allons continuer à améliorer la tâche, avec des raffinements pour contribuer à réduire les comportements incorrects et améliorer le taux d’acquisition de tâche et durée de la formation.

Disclosures

Dr Rennaker et Dr. Sloan sont les propriétaires de Vulintus Inc., qui fabrique de l’équipement dans cette publication. Aucun conflit d’intérêts ne déclarés pour les autres auteurs.

Acknowledgements

Cette recherche a été financée par les 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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