כתב יד זה מתאר פעילות אוטומטית למחצה מכמתת גבון בחולדות. חולדות להגיע לאחוז, supinate של manipulandum כדורית. העכברוש מתוגמלת עם גלולה אם זווית סיבוב חורג קריטריון מוגדר על-ידי המשתמש. משימה זו מגדיל את התפוקה, רגישות פציעה, אובייקטיביות לעומת פעילויות מסורתיות.
משימות למדוד במדויק את מיומנות במודלים של בעלי חיים הם קריטיים כדי להבין את תפקוד היד. עכברוש התנהגותית משימות נוכחיות המודדים מיומנות במידה רבה להשתמש ניתוח וידאו של מניפולציה להגיע או מזון. בזמן משימות אלה שקל ליישם מוצקים על פני דגמים המחלה, הם סובייקטיביים, מפרך עבור הנסיין. אוטומציה של משימות מסורתי או יצירת משימות אוטומטיות חדשות באפשרותך לבצע את המשימות יותר יעיל אובייקטיביים, כמותיים. מאז חולדות הן פחות מיומן יותר פרימטים, מרכזי עצבני מערכת (CNS) פגיעה מייצרת יותר עדין לגירעונות זריזות, עם זאת, גבון היא מאוד מושפע בחולדות וגם קריטיים יד פונקציה פרימטים. לכן, תיכננו פעילות אוטומטית למחצה המודד forelimb גבון בחולדות. חולדות מאומנים להגיע, תופסים את manipulandum בצורת כפתור ולהפוך את manipulandum ב גבון ולקבל תגמול. חולדות יכול לרכוש את המיומנות של 20 ± 5 ימים. במהלך החלק המוקדם של אימון מאוד מפוקח, הרבה ההכשרה נעשית ללא פיקוח ישיר. הפעילות באופן אמין, reproducibly לוכדת גירעונות עדין לאחר פציעה ומראה על שחזור פונקציונלי המשקף במדויק שחזור קליניים עקומות. ניתוח של הנתונים מתבצע על ידי תוכנות מיוחדות באמצעות ממשק משתמש גרפי זה תוכנן להיות אינטואיטיבי. אנחנו גם נותנים פתרונות לבעיות נפוצות במהלך אימון, ומראה כי תיקונים משניים להתנהגות בתחילת ההדרכה לייצר רכישת אמין של גבון. לפיכך, הפעילות גבון כפתור מספק הערכה כמותית ויעילה של תנועה קריטית עבור זריזות בחולדות.
הפסד של זריזות אחרי מערכת העצבים מפציעה או מחלה משמעותית פוחתת העצמאות ואת איכות החיים של אנשים מושפעים 1,2,3,4. לפיכך, מיומנות הוא אמצעי התוצאה חשוב להבנת המדע של עצבי תיקון ושיקום כיסודות טוב השליטה העצבית של התנועה ולמידה מוטורית. באופן מסורתי, משימות ידניות כמו גלולה אחת להגיע, פסטה מניפולציה, אירווין, Beatties ואת סולם Forelimb Bresnahan (IBB) שימשו כדי להעריך את מיומנות ב בעלי חיים, במיוחד מכרסמים 5, 6,7. משימות אלה יש להפוך לפופולרי עקב זמנם רכישת פעילות מינימלית. עם זאת, הן איכותיות בטבע, מפרך עבור הנסיין, בזמנים, רגישות תיפקודי לאחר פציעה עם גירעונות עדין 5,7,8,9. מגבלות אלה של פעילויות מסורתיות דרבנה את התפתחות עוד מדדים כמותיים של המוטורית ב בעלי חיים, במיוחד, forelimb להגיע.
ישנם מספר יתרונות על אוטומציה של משימות, כלומר אובייקטיביות, עלייה, וזמן ניתוח ירד. משימות אוטומטיות חדשות לספק מדד רגיש יותר להערכת מיומנות לאחר פציעה מאשר קונבנציונאלי משימות 8,10. בנוסף, הם מאפשרים אימונים אדפטיבית, בדיקות אשר חייטים האימונים ובדיקות קושי לביצועים של חיה. לבסוף, משימות אוטומטיות להפיק כמויות גדולות של נתונים, אשר מספקים שני יתרונות. ראשית, גידול בנתונים זוטא, במספר הניסויים מגדילה את כוחו סטטיסטי של מחקר. שנית, זה נותן מדעני מוח ערכת נתונים גדול שממנו ניתן ללמוד למידה מוטורית, הכשרה, פיצוי יותר robustly באמצעות ניתוח של מידע קינטי וברמות קינמטיות 11.
מספר קבוצות ניסו להפוך לאוטומטיות משימות מסורתיים. מצלמות מהירות גבוהה יכול לשמש כדי לאסוף נתונים קנטית מפעילויות כמו בגדר יחיד להגיע פעילות 12. Alaverdashvili ו- Wishaw השתמשו מצלמות מהירות גבוהה כדי ללכוד את תנועות להשיג ולנתח ספרות תנועות באמצעות תוכנת המדידה מסגרת תנועה שיא Motus 13. עם זאת, תוכנה זו אינה מזהה ספרות באמצעות ראייה ממוחשבת, אך במקום זאת דורש הנסיין לדיגיטציה נקודות נע על ידי הסמן. בנוסף, משימות מסוימות שימשו ביחד עם כדורים אקדחים סטרט וכן כלובים למיכון15,16 14,תהליך הכשרה.
קבוצות אחרות השתמשו בכוח חיישנים, כמו גם מצלמות מהירות גבוהה כדי להעריך התאמות המרחבי ואת כח forelimb מיומנים להגיע באמצעות מניפולציה פסטה, בעוד שאחרים עיצבו משימות כדי ללכוד תנועות מורכבות יותר 17. משימה אחת כזו היא משימה יד ולמשוך המשתמשת מכשיר רובוטי 3-מעלות-של-חופש כדי ללכוד תנועה מישורי, המסתובבת של עכברוש forelimb תנועות 18. יש לזה יתרונות של היכולת למדוד את קינטיקה של תנועות, אבל עם עלייה של המורכבות והעלות.
. הנה, נדגים פעילות forelimb חצי אוטומטי המודד גבון חולדות 8. Forelimb גבון הוא הרוטציה של הכפה של כף היד אל כף היד למעלה. גבון הוא סמן מעולה של פונקציה בדרכי corticospinal והן תנועה הרלוונטית קלינית בבני הנדרשת עבור כל יום חיה פעילויות 8,19,20. בנוסף, גבון היא רגישה מאוד פגיעה, איון, במיוחד בהשוואה לגלולה אחת להגיע 8. הפעילות גבון, שפותחה בשיתוף פעולה בין מכון המחקר הרפואי בורק לבין אוניברסיטת טקסס שבדאלאס, בתנועה סיבובית אמצעים אופקיות 8,10. חולדות ממוקמים בתוך קופסה התנהגותית (איור 1 א’), מאומנים לעשות שלושה פרקים (איור 1B): יד דרך צוהר מלבני; תופסים manipulandum כדורית; supinate לזווית המיועדים לכך.
הפעילות התנהגות נשלטת על ידי תוכנת מחשב (איור 1C). תוכנת השליטה שולחת הוראות מיקרו-בקר שמחובר אל אוטומטי-positioner, אנקודר אופטי, רמקול, מזין. את מיקרו וחיבורים היקפיים שלה מכונים תיבת מיקרו-בקר. מידע זורם מן אנקודר אופטי, מיקרו, ואז המחשב, וחוזר מיקרו-בקר. אם תוכנת השליטה יש לסמן מיקרו המשפט היה הצלחה, מיקרו מפעיל במזין לוותר גלולה. בתחילת כל מפגש, תוכנת השליטה ממסרים שהמידע הבמה מיקרו-בקר, אשר מנחה את auto-positioner כדי למקם את כפתור במרחק מוגדר של השלב הצמצם. Auto-positioner יכול גם להיות מופעל באופן ידני באמצעות מקשי החצים ממוקם על האוטומטי-positioner. אנקודר אופטי רשומות נתונים על שינויים 100 הרץ, אמצעים בזווית. כל הנתונים מאוחסנים בתבנית בינארית.
הנסיין משתמש אימונים רציפים שלבים בתוך התוכנה כדי לאמן את החולדה מ habituation supinating בקצב קבוע מראש זווית והצלחה. במהלך habituation, manipulandum הידית ממוקמת בתוך חלון צמצם ללא כל משקל. לאחר שבוע של אימונים מאוד תחת פיקוח, העכברוש משייכת את כפתור גמול ומתחילה להפוך את הידית באופן עצמאי. ברגע העכברוש הוא מסוגל לפנות באופן עצמאי, הידית מההצעה 1.25 ס מ 0.25 ס”מ במרווחים עד העכברוש יכולים להפוך באופן עצמאי ב 1.25 ס מ. משקל הוא ואז להוסיף במרווחים של 1 g החל דור 3 6 ג אוטומטית הכשרה שלבים רכבות החיה אל supinate הידית ב 6 g עד 75 מעלות. בשלב זה של אימון היא במידה רבה ללא השגחה; ברגע חולדות לאמץ את הפעילות עם הטופס המתאים (נדון להלן), הם ממשיכים supinate כראוי. ההכשרה הושלמה כאשר חולדות supinate 75 מעלות בשיעור הצלחה (אחוזי ההצלחה) של 75% 8. כאן, אנו מתארים פרוטוקול אימונים טיפוסי, נוכח פתרונות למספר בעיות נפוצות נתקלנו. אנו מדגימים את ההתקדמות של חולדות ושנכשלו נציג באמצעות פרוטוקול אימונים, ולהראות כי ניתן לשנות את המשימה להראות תיפקודי עם גירעונות עדינים או חמורות יותר.
הפעילות גבון כפתור מוערך forelimb גבון בחולדות בשיטות כמותיות, חצי אוטומטי. כדי להשיג נקודות אלה, רבים מן הפרמטרים תוכנן עבור הפעילות, כולל כפתור היישור, עיצוב manipulandum והקריטריונים הדרכה, יש כבר iterated על פני מספר שנים. עבור כפתור היישור, אנחנו ניסויים עם שלושה מערכים שונים של הידית לגבי הפתח: שמאל בצד של הידית מיושר עם הצד השמאלי של הצמצם, הידית במרכז הצמצם, הצד הימני של הידית מיושר עם הצד הימני של perture. . סגרנו על הצד הימני של הידית מתואמים עם הצד הנכון של הצמצם, כמו זה חולדות המיוצר היו שאימן את כמות הזמן הקצר ביותר, מי supinated עם מנגנוני פיצוי מינימלי, באופן ספציפי, הפרעה ביד שמאל
לגבי עיצוב manipulandum, אנחנו שינו מספר תכונות עיצוב כדי למקסם את מפנה עם forelimb ולמזער את השימוש בגוף. בנוסף, אנו מדורגים הקושי של הפעילות חומרת הגרעון החזוי. לאחר pyramidotomy, גבון היא התנועה בעוצמה הרבה ביותר המושפע, אבל ירידת ערך היא עדיין יחסית עדין. לכן, אנחנו אומנו חולדות קריטריון בסיסי גבוה יותר (75°) כדי להבטיח כי גירעונות גדולים נצפו לאחר פציעה. נגעים קורטיקלית, שהן יותר ופוגע, 60 מעלות הסף ב 7.5 גר’ היה די כדי להוכיח של גירעון משמעותי לאחר פציעה. פרמטרים נוספים היו ממוטבת דרך מגישה ניסוי וטעיה כוללות גודל הצמצם, כפתור במרחק הצמצם, חלון הזמן כדי להשיג משפט מוצלחת.
ישנם כמה נקודות קריטיות במהלך פרוטוקול אימונים הדורשים השגחה זהיר. כאשר הכשרה בסיסית, שיטת קביעת סף מסתגלת שימש בהצלחה לאמן חולדות 75° 10. עם זאת, עכברושים יכול מישור בשיא זווית פחות מ 75°; הביצועים נשארת זהה לאחר 4-5 מפגשים. כדי לשפר את הביצועים, סף סטטי יכול להיות מועסק. סף סטטי מתייחס הסף שנותרו על תואר קבע, אשר אינו תלוי ביצועים עכברוש, בניגוד הסף מסתגלת שינויים בהתבסס על הביצועים האחרונים. אם החולדה מישורים במהלך אימונים אדפטיבית, הנסיין אמור להשתנות סף סטטי. הכשרה סטטי שלבים נע בין 20 ל 70 מעלות במרווחים של 10°. (שלב K28 – קיי 33). בחר את הבמה סטטי מבוסס על זווית שיא ממוצע של החולדה במושבים 2 קודמות. לדוגמה, אם החולדה הוא ממוצע של 45°, בחר את הבמה סטטית עבור 50 מעלות (K31). בכל שלבי סטטי להגדיר את “אתחול. Thresh.”ב- 5 °. במהלך ההכשרה, אם החולדה מאבד מוטיבציה, באופן ידני להאכיל את החולדה אם זה supinates קרוב אבל לא מעל הסף.
בנוסף, במהלך הערכה בסיסית, כ- 5% של חולדות לסגת 5-10 מעלות שלהם בזווית גבון ו 5-10% בשיעור הצלחה בין ההפעלות. אם זה קורה, החולדה לא לשחזר את הזווית שיא ממוצע 75° לאחר 3-4 מפגשים, ירידה במת סטטי בתוך 10 מעלות זווית הממוצע הנוכחי של החולדה לפני שחזר לשלב 3.5. חשוב לא להציג חולדה מחדש בשלבים מסתגלת ברגע זה הושם על שלבי ההכשרה סטטי.
ישנן כמה מגבלות על הפעילות. ברגע תפיסה שגויה העמדה הוקם, שינוי התנהגות וותרו (איור 2) יכול להיות קשה. לפיכך, גילוי מוקדם ותיקון חשוב. כדי לתקן אחיזה של עכברוש, ניתן לשנות את הצמצם על-ידי צמצום גודל הצמצם בכיוון אופקי או אנכי; בדרך כלל אנחנו להקליט את שקופית מזכוכית לקצה של הצמצם צריך התאמה. עבור רוב חולדות, זה משפר את הטופס תפיסתו שלהם כי זה מכריח אותם להבין את manipulandum באופן ספציפי. זה, בתורו, משפר את היכולת שלהם supinate כראוי.
בנוסף לאתגר זה, חולדות יכולים לפתח מנגנוני פיצוי supinate. אלה כוללים את השימוש בראש כדי לסייע forelimb של גבון; הורדת את המרפק ואת הכתף משותפת כדי לבטל את כפתור; שימוש ביד שמאל כדי לסייע סובב את כפתור או לוחץ הכפה להשיג. כל אלה התנהגויות יכול לשמש כדי להשלים את המשימה בהצלחה. כפי שהוזכר לעיל, ניתן לתקן התנהגויות המתייחסות לתפוס את בכך ששינה את הצמצם. מנגנוני פיצוי מחוץ לתפוס את, עם זאת, מחייבים השתתפות פעילה על ידי הנסיין לא לתגמל התנהגות מפצה. לאחר פציעה, הבחנו חולדות לוקח כמה מחקרים כדי למקם את הכפה לתנוחה הנכונה לפני supinating. אמנם לא ניתחנו אילו רכיבים של הפעילות עשוי לתרום האובדן של גבון, אלה כוללים איבוד אחיזה מדויק, ליקויי אפנון כוח, בין אפשרויות רבות.
הפעילות גבון חצי אוטומטיות לוקח, בממוצע, 20 ± 5 ימים לאמן חולדות בסיסית, ו 25% של בעלי חיים אינם יכולים לעבור הכשרה על הפעילות. לתרום זמן הכשרה היא העובדה כי אנחנו לא בחרנו באופן טבעי נכון-העדפה חולדות אך במקום לאלץ את כל החיות כדי להשתמש את כפותיהם נכון כמו שכיחה אצל רוב מבחני להשיג. לא ניסינו באמצעות שמאל-העדפה חולדות, אבל זה יהיה אדם מעניין גישוש תחילה לזהות כפת העדפה, ואז רכבת הכפה דומיננטי. כדי להכיל את זה, אנחנו צריכים להפוך את הכיוון של הדלתות כך הצמצם הוא הפוך; ניתן בקלות לבצע זאת.
לעומת פעילויות מסורתיות כמו איב או גלולה אחת להגיע, הפעילות גבון באופן כמותי ואובייקטיבי אמצעים להגיע forelimb. זה מראה רגישות לחבלה חמורה (קורטיקליים הנגע) ופציעה עדין (pyramidotomy), ניתן לשנות את שגרת האימונים בהתאם לחומרת המודל פציעה. כי זה חצי אוטומטיים, הפעילות מאפשרת הנסיין לאמן חולדות מרובים בו זמנית, בהתאם לשלב אימונים. זה משפר באופן משמעותי את היעילות והתפוקה עכברוש של הנסיין. המשימה היא לשחזור בין חולדות ואמין. על-ידי יצירת מדריך לפתרון בעיות (איור 2) עבור ניסויים להפנות במהלך פרוטוקול אימונים, לנו יש סטנדרטית מספר התנהגויות לא נכונים, כמו גם פתרונות כדי לתקן אותם. לבסוף, המשימה מציע אמצעי אינטואיטיבי לנתח כמויות גדולות של נתונים ונותן הנסיין היכולת להתעמק יותר עמוק קינטיקה של גבון.
בעתיד, אנו תשתמש הפעילות גבון חצי אוטומטיות כפלטפורמה כדי להעריך את סוג מנה, העיתוי של שיקום. המעבדה שלנו מעוניינת ההשפעות של גירוי על שיפור תפקודי לאחר פציעה. בנוסף, אנו מעונינים כמה טיפולים אשר לעורר עצבית לתקן או לשפר הולכה עצבית, תקשורת יכולים להשפיע על שיקום. גם אין לנו עניין שינוי הפעילות כך שיהיה תואם אלקטרופיזיולוגיה, כך נוכל ללמוד למידה מוטורית; חולדות עם הראשכמוסות באופן שגרתי לבצע את המשימה, הוספת קומוטטור הקלטה או גירוי יהיה פשוט לעשות. הפעילות, כפי שתואר, הוא על חולדות, אך ישנם גם מעבדות ניסויים בעזרת עכברים עבור הפעילות. באופן כללי, משימה זו יכול לשמש להערכת תפקוד forelimb אצל מכרסמים במגוון רחב של מודלים פציעה מצבי מחלה, בתורו, להערכת אסטרטגיות שיקומית. לנוע קדימה, שאנו נמשיך לשפר את הפעילות עם ליטושים כדי לעזור להפחית התנהגויות שגוי וכן לשפר את קצב רכישת פעילות וזמן ההכשרה.
The authors have nothing to disclose.
מחקריו זכו למימון מחקר זה NIH-NINDS R03 NS091737.
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 |