Erasmus Merdiveni Kullanılarak Farelerde İnce ve İlişkisel Motor Öğrenmenin İzlenmesi
Summary
Bu makale, Erasmus Merdiveni adı verilen bir cihaz kullanılarak, ince motor performansın non-invaziv ve otomatik bir değerlendirmesinin yanı sıra zorluklar üzerine uyarlanabilir ve çağrışımsal motor öğrenmeye izin veren bir protokol sunmaktadır. Görev zorluğu, majörden ince derecelere kadar değişen motor bozukluğunu tespit etmek için titre edilebilir.
Abstract
Davranış, eylemlerle şekillenir ve eylemler güç, koordinasyon ve öğrenme gibi motor becerileri gerektirir. Yaşamı sürdürmek için gerekli olan davranışların hiçbiri, bir pozisyondan diğerine geçiş yeteneği olmadan mümkün olmazdı. Ne yazık ki, motor beceriler çok çeşitli hastalıklarda tehlikeye girebilir. Bu nedenle, hücresel, moleküler ve devre seviyelerinde motor fonksiyonların mekanizmalarını araştırmak ve motor bozuklukların semptomlarını, nedenlerini ve ilerlemesini anlamak, etkili tedaviler geliştirmek için çok önemlidir. Fare modelleri bu amaçla sıklıkla kullanılır.
Bu makale, Erasmus Merdiveni adı verilen otomatik bir araç kullanılarak farelerde motor performansın ve öğrenmenin çeşitli yönlerinin izlenmesine izin veren bir protokolü açıklamaktadır. Tahlil iki aşamadan oluşur: farelerin düzensiz basamaklardan oluşan yatay bir merdivende (“ince motor öğrenme”) gezinmek için eğitildiği bir başlangıç aşaması ve hareket eden hayvanın yolunda bir engelin sunulduğu ikinci bir aşama. Tedirginlik beklenmedik olabilir (“zorlu motor öğrenme”) veya öncesinde işitsel bir ton (“çağrışımsal motor öğrenme”) olabilir. Görevin yürütülmesi kolaydır ve otomatik yazılım tarafından tam olarak desteklenir.
Bu rapor, hassas istatistiksel yöntemlerle analiz edildiğinde, testten elde edilen farklı okumaların, küçük bir fare kohortu kullanılarak fare motor becerilerinin iyi izlenmesine nasıl izin verdiğini göstermektedir. Yöntemin, çevresel modifikasyonların neden olduğu motor adaptasyonlarının yanı sıra, motor fonksiyonlarından ödün veren mutant farelerde erken evre ince motor eksikliklerini değerlendirmek için oldukça hassas olacağını öneriyoruz.
Introduction
Farelerde motor fenotipleri değerlendirmek için çeşitli testler geliştirilmiştir. Her test, motor davranışın belirli bir yönü hakkında bilgi verir1. Örneğin, açık alan testi genel hareket ve kaygı durumu hakkında bilgi verir; rotarod ve yürüyen kiriş koordinasyon ve denge testleri; Ayak izi analizi yürüyüşle ilgilidir; zorla veya gönüllü fiziksel egzersizde koşu bandı veya koşu tekerleği; Ve karmaşık tekerlek, motor beceri öğrenimi ile ilgilidir. Fare motor fenotiplerini analiz etmek için, araştırmacılar bu testleri sırayla yapmalıdır, bu da çok fazla zaman ve çaba ve genellikle birkaç hayvan kohortu gerektirir. Hücresel veya devre düzeyinde bilgi varsa, araştırmacı normalde ilgili bir yönü izleyen ve oradan takip eden bir testi tercih eder. Bununla birlikte, motor davranışın farklı yönlerini otomatik bir şekilde ayırt eden paradigmalar eksiktir.
Bu makale, farelerde çeşitli motor öğrenme özelliklerinin kapsamlı bir şekilde değerlendirilmesine izin veren bir sistem olan Erasmus Ladder 2,3’ü kullanmak için bir protokolü açıklamaktadır. Başlıca avantajları, yöntemin tekrarlanabilirliği ve duyarlılığının yanı sıra motor zorluğu titre etme ve motor performanstaki eksiklikleri bozulmuş ilişkisel motor öğrenmeden ayırma yeteneğidir. Ana bileşen, farenin merdiven üzerindeki konumunu algılayan dokunmaya duyarlı sensörlerle donatılmış, alternatif yüksek (H) ve alçak (L) basamaklara sahip yatay bir merdivenden oluşur. Merdiven 2 x 37 basamaktan (L, 6 mm; H, 12 mm) birbirinden 15 mm aralıklı ve 30 mm boşluklu sol-sağ dönüşümlü olarak konumlandırılmıştır (Şekil 1A). Basamaklar, çeşitli zorluk seviyeleri oluşturmak, yani bir engel oluşturmak (yüksek basamakları 18 mm yükseltmek) için ayrı ayrı hareket ettirilebilir. Otomatik bir kayıt sistemi ve basamak modelinin modifikasyonlarını duyusal uyaranlarla ilişkilendiren Erasmus merdiveni, çevresel zorluklara yanıt olarak ince motor öğrenme ve motor performansın adaptasyonunu test eder (bir engeli simüle etmek için daha yüksek bir basamağın görünümü, koşulsuz bir uyaran [US]) veya duyusal uyaranlarla ilişki (bir ton, koşullu bir uyaran [CS]). Test, her biri 4 gün boyunca motor performansındaki iyileşmeyi değerlendiren iki farklı aşamadan oluşur ve bu süre zarfında fareler günde 42 ardışık denemeden oluşan bir seansa tabi tutulur. İlk aşamada, fareler “ince” veya “yetenekli” motor öğrenmeyi değerlendirmek için merdivende gezinmek üzere eğitilir. İkinci aşama, hareket eden hayvanın yolunda daha yüksek bir basamak şeklinde bir engelin sunulduğu aralıklı denemelerden oluşur. Tedirginlik, “zorlu” motor öğrenmeyi (yalnızca ABD’de yapılan denemeler) değerlendirmek için beklenmedik olabilir veya “çağrışımsal” motor öğrenmeyi değerlendirmek için işitsel bir tonla duyurulabilir (Eşleştirilmiş denemeler).
Erasmus merdiveni nispeten yakın zamanda geliştirilmiştir 2,3. Protokolün kurulması ve optimize edilmesi odaklanmış çaba gerektirdiğinden ve diğer motor eksiklikleri ortaya çıkarma potansiyelini ayrıntılı olarak araştırmadan serebellara bağımlı ilişkisel öğrenmeyi değerlendirmek için özel olarak tasarlandığından yaygın olarak kullanılmamıştır. Bugüne kadar, farelerde serebellar disfonksiyona bağlı ince motor bozuklukları ortaya çıkarma kabiliyeti ile doğrulanmıştır 3,4,5,6,7,8. Örneğin, olivary nöronlarında boşluk bağlantılarının bozulduğu connexin36 (Cx36) nakavt fareleri, elektrotonik eşleşme eksikliği nedeniyle ateşleme açıkları gösterir, ancak motor fenotipinin tam olarak belirlenmesi zordu. Erasmus merdiveni kullanılarak yapılan testler, serebellar motor öğrenme görevinde inferior olivary nöronlarının rolünün, uyaranların kesin zamansal kodlamasını kodlamak ve beklenmedik olaylara öğrenmeye bağlı tepkileri kolaylaştırmak olduğunu göstermiştir 3,4. Frajil X Sendromu (FXS) için bir model olan Frajil X Messenger Ribonükleoprotein 1 (Fmr1) nakavt faresi, prosedürel bellek oluşumunda daha hafif kusurlarla birlikte iyi bilinen bir bilişsel bozukluk sergiler. Fmr1 nakavtları, Erasmus Merdiveni’ndeki seanslara göre adım sürelerinde, deneme başına yanlış adımlarda veya motor performans iyileşmesinde önemli bir fark göstermedi, ancak yürüme düzenlerini vahşi tip (WT) yavrularına kıyasla aniden ortaya çıkan engele göre ayarlayamadıve bu da belirli prosedürel ve çağrışımsal bellek eksikliklerini doğruladı 3,5. Ayrıca, bozulmuş Purkinje hücre çıkışı, potansiyasyon ve moleküler tabaka internöron veya granül hücre çıktıları dahil olmak üzere serebellar fonksiyonda kusurları olan hücreye özgü fare mutant hatları, verimli adım modellerinin değişmiş edinimi ile motor koordinasyonda ve merdiveni geçmek için atılan adım sayısında problemler sergiledi6. Yenidoğan beyin hasarı, serebellar öğrenme eksikliklerine ve Erasmus Merdiveni 7,8 ile de tespit edilebilen Purkinje hücre disfonksiyonuna neden olur.
Bu videoda, davranış odasının kurulumunu, davranışsal test protokolünü ve sonraki veri analizini ayrıntılarıyla anlatan kapsamlı bir adım adım kılavuz sunuyoruz. Bu rapor, erişilebilir ve kullanıcı dostu olacak şekilde hazırlanmıştır ve özellikle yeni gelenlere yardımcı olmak için tasarlanmıştır. Bu protokol, motor eğitiminin farklı aşamaları ve farelerin benimsediği beklenen motor kalıpları hakkında fikir verir. Son olarak, makale, protokolün diğer araştırma bağlamlarına uyarlanması ve uygulanması için değerli öneriler ve önerilerle tamamlanmış, güçlü bir doğrusal olmayan regresyon yaklaşımı kullanarak veri analizi için sistematik bir iş akışı önermektedir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Erasmus Merdiveni, motor fenotip değerlendirmesi için mevcut yaklaşımların ötesinde büyük avantajlar sunmaktadır. Testin yapılması kolaydır, otomatikleştirilir, tekrarlanabilir ve araştırmacıların tek bir fare kohortu kullanarak motor davranışın çeşitli yönlerini ayrı ayrı değerlendirmesine olanak tanır. Mevcut çalışmada, tekrarlanabilirlik, cihazın özelliklerinden, deneysel tasarımdan ve analiz yöntemlerinden yararlanan az sayıda WT faresi ile sağlam verilerin üretilmesine izin verdi…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Görsel-işitsel teknisyen ve video yapımcısı Rebeca De las Heras Ponce’nin yanı sıra baş veteriner hekim Gonzalo Moreno del Val’e fare deneyleri sırasında iyi uygulamaların denetlenmesi için teşekkür ederiz. Çalışma, GVA Mükemmellik Programı (2022/8) ve İspanyol Araştırma Ajansı’ndan (PID2022143237OB-I00) Isabel Pérez-Otaño’ya verilen hibelerle finanse edildi.
Materials
| C57BL/6J mice (Mus musculus) | Charles Rivers | ||
| Erasmus Ladder device | Noldus, Wageningen, Netherlands | ||
| Erasmus Ladder 2.0 software | Noldus, Wageningen, Netherlands | ||
| Excel software | Microsoft | ||
| Sigmaplot software | Systat Software, Inc. |
References
- Brooks, S. P., Dunnett, S. B. Tests to assess motor phenotype in mice: a user’s guide. Nat. Rev. Neurosci. 10 (7), 519-529 (2009).
- . Available from: https://www.noldus.com/erasmusladder (2023)
- Cupido, A., et al. . Detecting cerebellar phenotypes with the Erasmus ladder[dissertation]. , (2009).
- Van Der Giessen, R. S. Role of olivary electrical coupling in cerebellar motor learning. Neuron. 58 (4), 599-612 (2008).
- Vinueza Veloz, M. F. The effect of an mGluR5 inhibitor on procedural memory and avoidance discrimination impairments in Fmr1 KO mice. Genes Brain Behav. 11 (3), 325-331 (2012).
- Vinueza Veloz, M. F. Cerebellar control of gait and interlimb coordination. Brain Struct. Funct. 220 (6), 3513-3536 (2015).
- Sathyanesan, A., Kundu, S., Abbah, J., Gallo, V. Neonatal brain injury causes cerebellar learning deficits and Purkinje cell dysfunction. Nat. Commun. 9 (1), 3235 (2018).
- Sathyanesan, A., Gallo, V. Cerebellar contribution to locomotor behavior: A neurodevelopmental perspective. Neurobiol. Learn Mem. 165, 106861 (2019).
- McKenzie, I. A. Motor skill learning requires active central myelination. Science. 346 (6207), 318-322 (2014).
- Xiao, L. Rapid production of new oligodendrocytes is required in the earliest stages of motor-skill learning. Nat. Neurosci. 19 (9), 1210-1217 (2016).
