Otomatik Eğitmen Kullanarak Farelerde Vasıflı Prehension'un Değerlendirilmesi
Summary
Eğitimin motor becerileri üzerindeki etkisini değerlendirme yöntemi yararlı bir araçtır. Ne yazık ki, çoğu davranışsal değerlendirme emek yoğun ve / veya pahalı olabilir. Burada farelerde prehension (kavrayabilmek) becerisini değerlendirmenin robotik bir yöntemini tanımlıyoruz.
Abstract
Naif fareleri yeni bir prehension (kavramaya ulaşmak) göreviyle tanıştıracak bir yöntemi tanımlıyoruz. Fareler, farenin kafesinden dışarı yada yiyecek peletlerini almasına izin veren bir ön yuvaya sahip kafeslerde tek başına yer alır. Minimal gıda kısıtlaması, fareleri yuvadan gıda alma gerçekleştirmeye teşvik etmek için kullanılır. Fareler yiyecek için yuvaya gelen ilişkilendirmek başlar gibi, pelet manuel uzantısı ve ön yuvasından pelet almak ve pençe pronasyon teşvik etmek için uzağa çekilir. Fareler yuvaya vardıklarında peletlere ulaşmaya başladıklarında, davranışsal titreşme, istenilen peleti başarıyla kavrayıp alma hızını ölçerek gerçekleştirilebilir. Daha sonra fare kavramak için gıda pelet sağlayan hem süreci otomatikleştirir bir otomatik eğitmen tanıtıldı, ve başarılı ve başarısız ulaşma ve kavrama girişimleri kayıt. Bu, en az çaba ile birden fazla fare için veri toplama sağlar, uygun olarak deneysel analizde kullanılmak üzere.
Introduction
Bir motor un ön ve sonrası nörolojik yaralanmayı deneysel olarak test etme ve motor eğitiminin zamanlamasını, miktarını ve türünü modüle etme yöntemleri çevirisel araştırmalar için önemlidir. Son on yılda, fareler, genetik manipülasyon görevli kolaylığı nedeniyle, hangi motor öğrenme mekanizmaları açıklamak için popüler bir model sistemi haline gelmiştir ön-ve sonrası yaralanma. Ancak, farelerde davranışsal tahliller gibi tahliller diğer memeliler (özellikle sıçanlar) için olduğu gibi optimize edilmemiştir. Ayrıca, bir fare nin davranışı ile iki türü farklı şekillerde eğitmenizi öneren bir fare ile fare arasında önemli farklar vardır1,2.
Yetenekli prehensile hareketleri ağızda yiyecek yerleştirmek için bir el / pençe kullanmak, bir nesne işlemek için, ya da bir araç kullanmak. Gerçekten de, günlük yaşamda çeşitli nesneleri kavramak için ulaşan üst uzuvların temel bir fonksiyonu dur ve ulaşmak-to-yemek hareket birçok memelilerin kullandığı bir prehension şeklidir. Prehensile beceri edinimi destekleyen genetik, fizyolojik ve anatomik değişikliklerin çoğu3. Preklinik bulguların klinik sonuçlara çevrilmesinde, verimli ve tekrarlanabilir ilgili bir test gerekir. Kemirgen ve insan alabilen çalışmalar prehension davranış insanlarda ve hayvanlarda benzer olduğunu göstermektedir4. Buna göre, bu benzerlikler prehension testi motor öğrenme yanı sıra bozuklukları ve insan hastalığı tedavilerini araştırmak için bir çeviri modeli olarak hizmet edebilir öneririz. Bu nedenle, farelerde prehension değerlendirilmesi hem sağlık hem de hastalıkdurumları4 inceleyen çeviriaraştırma güçlü bir araç sunabilir.
Ne yazık ki, farelerde prehension görev, küçük ölçekli laboratuvar ayarı için bile, zahmetli ve zaman alıcı olabilir. Bu sorunu hafifletmek için, burada prehension görevin otomatik bir sürümünü açıklıyoruz. Açıklanan görev fareler farenin ev kafesi frontal yuvası ile tek bir pençe uzatmak için, genişletilmiş pençe pronate, gıda pelet ödül kavramak ve tüketim için kafes iç pelet geri çekin gerektirir. Elde edilen veriler bir prehension başarı veya başarısızlık olarak sunulur. Bu otomasyon verileri başarıyla kaydeder ve araştırmacıların görevi devreye sokmaları gereken yükü ve zamanı azaltır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Otomatik eğitmenimiz forelimb reach-to-grasp (prehension) ile otomatik bir şekilde değerlendirir. Bu bitiş noktasına ulaşmak için, pelet yerleştirme, pelet boyutu ve eğitim kriterleri de dahil olmak üzere fare prehension görevi için tasarlanmış parametrelerin çoğu, birkaç yıl içinde yinelenmiş ve önceki protokollerden uyarlanmıştır2,5 ,6. Buradaki ilerleme, ev kafesi muhafazasına izin veren bir robot ku…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Otomatik eğitim cihazı Jason Dunthorn, Uri Tasch ve Dan Tasch tarafından Step Analysis, LLC’de, Robert Hubbard, Richard O’Brien ve Steven Zeiler tarafından sağlanan tasarım girdi desteği ve talimatlarıyla inşa edilmiştir.
Champalimaud Bilinmeyenler Merkezi’nden Teresa Duarte, farenin ulaşma eylemlerini tanımlama ve kategorize etme konusunda değerli bilgiler ve fikirler sağladı.
Materials
| ABS Filament | Custom 3D Printed | N/A | utilized for pellet holder, frame, arm and funnel |
| ABS Sheet | McMaster-Carr | 8586K581 | 3/8" thickness; used for platform compononents, positioning stand guides and base |
| Adruino Mini | Adruino | A000087 | nano version also compatiable as well as other similar microcontrollers |
| Bench-Top Adjustable-Height Positioning Stand | McMaster-Carr | 9967T43 | 35 lbs. load capacity |
| Clear Acrylic Round Tube | McMaster-Carr | 8532K14 | ID 3/8" |
| Low-Carbon Steel Wire | McMaster-Carr | 8855K14 | 0.148" diameter |
| Pellet Dispenser | Lafayette Instrument: Neuroscience | 80209-45 | with 45 mg interchangeable pellet size wheel and optional stand |
| Photointerrupter Breakout Board | SparkFun | BOB-09322 ROHS | designed for Sharp GP1A57HRJ00F |
| Reflective Object Sensor | Fairchild Semiconductor | QRD1113 | phototransistor output |
| Servo Motor | SparkFun | S8213 | generic metal gear (micro size) |
| Transmissive Photointerrupter | Sharp | GP1A57HRJ00F | gap: 10 mm, slit: 1.8 mm |
References
- Whishaw, I. Q. An endpoint, descriptive, and kinematic comparison of skilled reaching in mice (mus musculus) with rats (rattus norvegicus). Behavior Brain Research. 78, 101-111 (1996).
- Farr, T. D., Whishaw, I. Q. Quantitative and qualitative impairments in skilled reaching in the mouse (mus musculus) after a focal motor cortex stroke. Stroke. 33, 1869-1875 (2002).
- Zeiler, S. R., Krakauer, J. W. The interaction between training and plasticity in the poststroke brain. Current Opinion in Neurology. 26, 609-616 (2013).
- Klein, A., Sacrey, L. A., Whishaw, I. Q., Dunnett, S. B. The use of rodent skilled reaching as a translational model for investigating brain damage and disease. Neuroscience and Biobehavioral Reviews. 36, 1030-1042 (2012).
- Zeiler, S. R., et al. Medial premotor cortex shows a reduction in inhibitory markers and mediates recovery in a mouse model of focal stroke. Stroke. 44, 483-489 (2013).
- Becker, A. M., Meyers, E., Sloan, A., Rennaker, R., Kilgard, M., Goldberg, M. P. An automated task for the training and assessment of distal forelimb function in a mouse model of ischemic stroke. Journal of Neuroscience Methods. 258, 16-23 (2016).
- Bruinsma, B., et al. An automated home-cage-based 5-choice serial reaction time task for rapid assessment of attention and impulsivity in rats. Psychopharmacology. , 1-12 (2019).
- Francis, N. A., Kanold, P. O. Automated operant conditioning in the mouse home cage. Frontiers in Neural Circuits. 11 (10), (2017).
- Balcombe, J. P., Barnard, N. D., Sandusky, C. Laboratory routines cause animal stress. Contemporary Topics in Laboratory Animal Science. 43, 42-51 (2004).
- Fenrich, K. K., et al. Improved single pellet grasping using automated ad libitum full-time training robot. Behavior Brain Research. 281, 137-148 (2015).
- Ng, K. L., et al. Fluoxetine maintains a state of heightened responsiveness to motor training early after stroke in a mouse model. Stroke. 46 (10), 2951-2960 (2015).
- Whishaw, I. Q., Suchowersky, O., Davis, L., Sarna, J., Metz, G. A., Pellis, S. M. Impairment of pronation, supination, and body co-ordination in reach-to-grasp tasks in human parkinson’s disease (pd) reveals homology to deficits in animal models. Behavior Brain Research. 133, 165-176 (2002).
- Dobrossy, M. D., Dunnett, S. B. The influence of environment and experience on neural grafts. Nature Review Neuroscience. 2, 871-879 (2001).
- Alaverdashvili, M., Foroud, A., Lim, D. H., Whishaw, I. Q. "Learned baduse" limits recovery of skilled reaching for food after forelimb motor cortex stroke in rats: A new analysis of the effect of gestures on success. Behavior Brain Research. 188, 281-290 (2008).
