Summary

Compensatoria Limb Uso y Evaluación del Comportamiento de Aprendizaje de habilidad motora después de Lesiones de la corteza sensoriomotora en un modelo de ratón del ictus isquémico

Published: July 10, 2014
doi:

Summary

Mouse models have become increasingly popular in studies of behavioral neuroscience. As models advance, it is important to develop sensitive behavioral measures specific to the mouse. This protocol describes the Pasta Matrix Reaching Task, which is a skilled motor task for use in mouse models of stroke.

Abstract

Los modelos de ratón se han convertido cada vez más popular en el campo de la neurociencia conductual, y, específicamente, en los estudios sobre el accidente cerebrovascular experimental. Como modelos de antelación, es importante el desarrollo de medidas de comportamiento sensibles específicos para el ratón. El presente protocolo describe una tarea motora especializada para su uso en modelos de ratón de un derrame cerebral. The Matrix Pasta Alcanzar funciones de tareas como un ensayo de comportamiento versátil y sensible que permite experimentadores para recoger datos de los resultados precisos y manipular utilización extremidad para simular fenómenos clínicos en humanos, incluyendo estrategias compensatorias (es decir, aprendido no uso) y se centró la formación de rehabilitación. En combinación con las herramientas neuroanatómicos esta tarea también permite a los investigadores a explorar los mecanismos que apoyan la recuperación de comportamiento de la función (o falta de ella) después de derrame cerebral. La tarea es simple y asequible para configurar y conducta, ofreciendo una variedad de opciones de formación y las pruebas para numerosas preguntas de investigación relativas a functional resultado después de una lesión. Aunque la tarea se ha aplicado a modelos de ratón de accidente cerebrovascular, sino que también puede ser beneficioso en los estudios de resultado funcional en otros modelos de lesión de las extremidades superiores.

Introduction

Los modelos de ratón se han convertido en cada vez más popular para la investigación experimental accidente cerebrovascular debido en parte a su conveniencia y el precio, así como la disponibilidad de líneas transgénicas que son adecuados para imágenes in vivo entre otras aplicaciones. Con este aumento de la popularidad en los modelos experimentales, el interés en el desarrollo de las evaluaciones de comportamiento sensibles del resultado funcional después de una lesión también ha aumentado 1-7. El desarrollo de protocolos de entrenamiento de animales que imitan tanto la rehabilitación y estrategias de compensación utilizado por sobrevivientes de accidentes cerebrovasculares humanos mejora la capacidad de traducir con éxito los resultados de estudios experimentales en animales para su uso en la clínica 8. Entrenamiento en habilidades de motor en la Matriz de Pasta Alcanzar Task (RTPM) se ha establecido previamente como una evaluación de comportamiento sensible de resultados habilidad motora tras una lesión isquémica de la corteza sensoriomotora 3.

Uno de los intereses primarioss en el accidente cerebrovascular preocupaciones investigación rehabilitación y el desarrollo y la comprensión de las estrategias de comportamiento que promuevan la mejora de la recuperación de la función siguiente insulto. Actualmente, las estrategias de rehabilitación en los seres humanos como resultado incompleta 8 de recuperación. Además, los terapeutas de rehabilitación deben combatir las estrategias compensatorias que sobrevivientes de accidentes cerebrovasculares se desarrollan durante la recuperación que pudiera afectar a su capacidad de funcionamiento de su extremidad afectada (s) recuperar totalmente. Por ejemplo, a raíz de un derrame cerebral unilateral que afecta la función de las extremidades superiores, los seres humanos tienden a desarrollar una confianza en su extremidad inferior afectada por el 9, 10. Al tiempo que mejora la capacidad de una persona para funcionar en el corto plazo, esto aprendió la falta de uso de la extremidad afectada puede impedir su máximo potencial de recuperación, como se ha demostrado en modelos animales 11-13. Estos hallazgos en animales han ayudado a informar sobre el desarrollo y el uso de la terapia de movimiento inducido por restricción en el ser humano 14. Los modelos animales son benefil para la mejora de las estrategias de rehabilitación, al permitir a los investigadores a explorar los mecanismos neurobiológicos que subserve y promover la recuperación de la función. Además de ser una evaluación de la conducta efectiva de la función después del accidente cerebrovascular, el RTPM se ha establecido como una estrategia de rehabilitación efectiva de promover un mejor resultado funcional después del accidente cerebrovascular sensoriomotora 15. El RTPM también se puede utilizar para la no utilización efectiva mímica aprendido de la extremidad afectada y por lo tanto ofrecen una idea de la manipulación del comportamiento que pueden mejorar la recuperación funcional pese inicial exceso de confianza en la extremidad inferior afectada-13.

Construcción de la RTPM se ha descrito previamente 3. En pocas palabras, la cámara de llegar se compone de cuatro paredes de plexiglás (20 cm de alto, 15 cm de largo y 8,5 cm de ancho) con una parte superior abierta y la parte inferior. Hay una hendidura central (13 cm de altura y 5 mm de ancho) que se extiende desde la base inferior de la pared frontal de la cámara que sirvecomo la abertura de alcanzar (Figura 1A). La matriz de la pasta es un bloque de plástico de alta resistencia (8,5 cm de largo, 5 cm de ancho y 1,5 cm de altura) con agujeros de diámetro 1 mm perforados por completo a través de la profundidad del bloque. Hay un total de 260 agujeros, comenzando 2 mm desde la ventana de llegar con 2 mm entre cada agujero (fig. 1B). La matriz de la pasta está diseñado de tal manera que, piezas de pasta secas orientadas verticalmente se extienden a través de toda la profundidad de la fase de matriz con aproximadamente la mitad de la pieza de pasta expuesta. Una pieza extraíble de plástico encima de la cabeza o cartulina se debe cortar a tamaño y asegurado con cinta adhesiva a la parte inferior de la matriz. Esto evita que las piezas de pasta de caer fuera de la matriz durante el transporte y permite una fácil extracción de las piezas de pasta rotos.

El RTPM es un ensayo de comportamiento versátil y sensible que permite experimentadores para recoger datos de los resultados precisos y manipular el uso del miembro para imitar fenómenos clínicos. Como o de comportamientoESULTADO medida, la RTPM permite experimentadores para recoger datos de comportamiento que refleja con más precisión la eficacia de una estrategia de rehabilitación que hace la medida tradicional de tamaño del infarto 3, 16. Como la manipulación del comportamiento, la RTPM permite experimentadores para controlar el uso de las extremidades superiores en los ratones en los fin de imitar las experiencias clínicas de rehabilitación (es decir, formación extremidad afectada) o no uso aprendido (es decir, la formación extremidad inferior afectada). Cuando se combina con métodos neuroanatómicos, el RTPM proporciona a los investigadores una oportunidad para explorar los mecanismos que apoyen la recuperación del comportamiento de la función o de la plasticidad de mala adaptación tras el uso del miembro compensatoria después del accidente cerebrovascular. El RTPM podría aplicarse además a otros modelos murinos de lesión cerebral y el deterioro de las extremidades superiores, tales como lesión cerebral traumática. Otra ventaja de la RTPM es su asequibilidad. El equipo requerido para la tarea puede ser construido bastante razonable en casa, la recopilación de datos haceno requiere una gran cantidad de espacio o los recursos financieros, y la tarea es bastante simple para los estudiantes de pregrado para recoger datos de forma fiable. Además, el RTPM es sensible a incluso pequeños déficits de comportamiento 3, 13. Este protocolo proporciona una manera simple y eficaz para evaluar el aprendizaje de habilidades motoras, promover la recuperación conductual después de una lesión, y los fenómenos de no uso aprendido imitan en un modelo murino de accidente cerebrovascular establecido.

Protocol

Los siguientes métodos están de acuerdo con los protocolos aprobados por la Universidad de Texas en Austin y Illinois Wesleyan Animal Comités tenga cuidado y use. Se recomienda que los investigadores o bien usar guantes o tomar las precauciones adecuadas (lavarse las manos antes y después) cuando participan en la formación del comportamiento con cualquier animal de laboratorio. Se deben usar guantes al manipular animales en la preparación y durante la cirugía. 1. Habituación y la Alime…

Representative Results

Los resultados del análisis de RTPM deben incluir el número de piezas de pasta roto y el patrón de partes más exitosos. Los resultados de los ratones con lesiones corticales sensoriomotoras indican que el insulto isquémico afecta tanto el número de tramos de éxito, así como los patrones de alcance físico 3, 19, como se muestra en la Figura 3A. Cambios en el patrón de representación se pueden observar en la Figura 3B. La capacidad de la RTPM para imitar los efectos …

Discussion

El RTPM representa una forma sencilla, cuantitativa para evaluar el rendimiento de alcanzar expertos en ratones. Aunque mucho tiempo, es posible que los estudiantes previamente sin experiencia para ser entrenados para recoger datos fiables y reproducibles, con sólo unas pocas sesiones de entrenamiento. La tarea es lo suficientemente sensible como para medir incluso pequeños cambios en el rendimiento de las habilidades motoras del ratón siguientes insulto isquémico 3, 13, 15, y una serie de estudios de cit…

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

The authors would like to thank Theresa Jones, Ph.D. for her guidance and assistance in adapting the reaching task to mice. Data presented in this manuscript were supported by grants from NIH-NINDS (NS64586 to TAJ and NS076275 to ALK) and a predoctoral NRSA to KAT (F31AG034032). The NIH was not involved in any aspect of study designs or analyses presented in this manuscript nor in the composition of this manuscript.

Materials

Name of Material/ Equipment Company Catalog Number Comments/Description
Reaching Chamber Reaching chambers are made in house with Plexiglas
Pasta Matrix Block The Pasta Matrix box is made in house using a heavy plastic block
Capellini Pasta DeCecco DeCecco brand capellini pasta can be purchased in a grocery store or through an online retailer such as Amazon

Referenzen

  1. Branchi, I., Ricceri, L. Transgenic and knock-out mouse pups: the growing need for behavioral analysis. Genes Brain and Behavior. 1 (3), 135-141 (2002).
  2. Bucan, M., Abel, T. The mouse: Genetics meets behaviour. Nature Reviews Genetics. 3 (2), 114-123 (2002).
  3. Tennant, K. A., Jones, T. A. Sensorimotor behavioral effects of endothelin-1 induced small cortical infarcts in C57BL/6 mice. J. Neurosci. Methods. 181 (1), 18-26 (2009).
  4. Tennant, K. A., et al. The organization of the forelimb representation of the C57BL/6 mouse motor cortex as defined by intracortical microstimulation and cytoarchitecture. Cerebral Cortex. 21 (4), 865-876 (2011).
  5. Zhang, L., et al. A test for detecting long-term sensorimotor dysfunction in the mouse after focal cerebral ischemia. J. Neurosci. Methods. 117 (2), 207-214 (2002).
  6. Li, X. L., Blizzard, K. K., Zeng, Z. Y., DeVries, A. C., Hurn, P. D., McCullough, L. D. Chronic behavioral testing after focal ischemia in the mouse: functional recovery and the effects of gender. Exp. Neurol. 187 (1), 94-104 (2004).
  7. Bouet, V., Freret, T., Toutain, J., Divoux, D., Boulouard, M., Schumann-Bard, P. Sensorimotor and cognitive deficits after transient middle cerebral artery occlusion in the mouse. Exp. Neurol. 203 (2), 555-567 (2007).
  8. Krakauer, J. W., Carmichael, S. T., Corbett, D., Wittenberg, G. F. Getting Neurorehabilitation Right: What Can Be Learned From Animal Models. Neurorehabil. Neural Repair. 26 (8), 923-931 (2012).
  9. Taub, E., Uswatte, G., Mark, V. W., Morris, D. M. M. The learned nonuse phenomenon: implications for rehabilitation. Europa Medicophysica. 42 (3), 241-256 (2006).
  10. Taub, E. Harnessing brain plasticity through behavioral techniques to produce new treatments in neurorehabilitation. Am. Psychol. 59 (8), 692-704 (2004).
  11. Allred, R. P., Maldonado, M. A., Hsu, J. E., Jones, T. A. Training the “less-affected” forelimb after unilateral cortical infarcts interferes with functional recovery of the impaired forelimb in rats. Restorative Neurol. Neurosci. 23 (5-6), 297-302 (2005).
  12. Allred, R. P., Jones, T. A. Maladaptive effects of learning with the less-affected forelimb after focal cortical infarcts in rats. Exp. Neurol. 210 (1), 172-181 (2008).
  13. Kerr, A. L., Wolke, M. L., Bell, J. A., Jones, T. A. Post-stroke protection from maladaptive effects of learning with the non-paretic forelimb by bimanual home cage experience in C57BL/6 mice. Behav. Brain Res. 252, 180-187 (2013).
  14. Taub, E., et al. Method for enhancing real-world use of a more affected arm in chronic stroke: transfer package of constraint-induced movement therapy. Stroke. 44 (5), 1383-1388 (2013).
  15. Tennant, K. A., et al. Age-dependent reorganization of peri-infarct “premotor” cortex with task-specific rehabilitative training in mice. Neurorehabilitation and Neural Repair. , (2014).
  16. Binkofski, F., Seitz, R. J., Hacklander, T., Pawelec, D., Mau, J., Freund, H. J. Recovery of motor functions following hemiparetic stroke: A clinical and magnetic resonance-morphometric study. Cerebrovascular Diseases. 11 (3), 273-281 (2001).
  17. Xu, T., et al. Rapid formation and selective stabilization of synapses for enduring motor memories. Nature. 462 (7275), 915-919 (2009).
  18. Bell, J. A., Wolke, M. L., Ortez, R. C., Jones, T. A., Kerr, A. L. The effects of training intensity on functinal outcome following unilateral ischemic insult of sensorimotor cortex in C57BL/6 mice. Society for Neuroscience Annual Convention. , (2012).
  19. Ballermann, M., Metz, G. A. S., McKenna, J. E., Klassen, F., Whishaw, I. Q. The pasta matrix reaching task: a simple test for measuring skilled reaching distance, direction, and dexterity in rats. J. Neurosci. Methods. 106 (1), 39-45 (2001).
  20. Cheffer, K. A., Kerr, A. L. Effects of “good” limb training on long-term rehabilitation of motor function following ischemic stroke in C57BL/6 mice. Society for Neuroscience Annual Convention. , (2013).
  21. Alaverdashvili, M., Whishaw, I. Q. A behavioral method for identifying recovery and compensation: hand use in a preclinical stroke model using the single pellet reaching task. Neurosci. Biobehav. Rev. 37 (5), 950-967 (2013).
  22. Rosenzweig, S., Carmichael, S. T. Age-dependent exacerbation of white matter stroke outcomes: a role for oxidative damage and inflammatory mediators. Stroke. 44 (9), 2579-2586 (2013).
  23. Allred, R. P., Cappellini, C. H., Jones, T. A. The “good” limb makes the “bad” limb worse: experience-dependent interhemispheric disruption of functional outcome after cortical infarcts in rats. Behav. Neurosci. 124 (1), 124-132 (2010).
  24. Tennant, K. A., et al. Skill learning induced plasticity of motor cortical representations is time and age-dependent. Neurobiol. Learn. Mem. 98 (3), 291-302 (2012).
  25. Mathers, C. D., Boerma, T., Fat, D. M. Global and regional causes of death. Br. Med. Bull. 92 (1), 7-32 (2009).
  26. Go, A. S., et al. Heart disease and stroke statistics–2013 update: a report from the American Heart Association. Circulation. 127 (1), (2013).
  27. Clarke, J., Mala, H., Windle, V., Chernenko, G., Corbett, D. The Effects of Repeated Rehabilitation “Tune-Ups” on Functional Recovery After Focal Ischemia in Rats. Neurorehabil. Neural Repair. 23 (9), 886-894 (2009).
  28. Adkins, D. L., Voorhies, A. C., Jones, T. A. Behavioral and neuroplastic effects of focal endothelin-1 induced sensorimotor cortex lesions. Neurowissenschaften. 128 (3), 473-486 (2004).
  29. Bryant, A., Bernier, B., Jones, T. A. Abnormalities in skilled reaching movements are improved by peripheral anesthetization of the less-affected forelimb after sensorimotor cortical infarcts in rats. Behav. Brain Res. 177 (2), 298-307 (2007).
  30. Whishaw, I. Q., Coles, B. Varieties of paw and digit movement during spontaneous food handling in rats: Postures, bimanual coordination, preferences, and the effect of forelimb cortex lesions. Behav. Brain Res. 77 (1-2), 135-148 (1996).
  31. Whishaw, I. Q., Dringenberg, H. C., Pellis, S. M. Spontaneous Forelimb Grasping in Free Feeding by Rats – Motor Cortex Aids Limb and Digit Positioning. Behav. Brain Res. 48 (2), 113-125 (1992).
  32. Horie, N., Maag, A., Hamilton, S. A., Shichinohe, H., Bliss, T. M., Steinberg, G. K. Mouse model of focal cerebral ischemia using endothelin-1. J. Neurosci. Methods. 173 (2), 286-290 (2008).
  33. Maldonado, M. A., Allred, R. P., Felthauser, E. L., Jones, T. A. Motor skill training, but not voluntary exercise, improves skilled reaching after unilateral ischemic lesions of the sensorimotor cortex in rats. Neurorehabil. Neural Repair. 22 (3), 250-261 (2008).
  34. Clarkson, A. N., Lopez-Valdes, H. E., Overman, J. J., Charles, A. C., Brennan, K. C., Carmichael, S. T. Multimodal examination of structural and functional remapping in the mouse photothrombotic stroke model. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 33 (5), 716-723 (2013).
  35. Liu, Z., Chopp, M., Ding, X., Cui, Y., Li, Y. Axonal remodeling of the corticospinal tract in the spinal cord contributes to voluntary motor recovery after stroke in adult mice. Stroke. 44 (7), 1951-1956 (2013).

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Kerr, A. L., Tennant, K. A. Compensatory Limb Use and Behavioral Assessment of Motor Skill Learning Following Sensorimotor Cortex Injury in a Mouse Model of Ischemic Stroke. J. Vis. Exp. (89), e51602, doi:10.3791/51602 (2014).

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