Este manuscrito descreve uma tarefa semi-automático que quantifica a supinação em ratos. Ratos alcançar, agarrar e supinate um manipulandum esférica. O rato é recompensado com uma bola, se o ângulo de curva exceder um critério definido pelo usuário. Esta tarefa aumenta a taxa de transferência, sensibilidade à lesão e em relação às tarefas tradicionais de objetividade.
As tarefas que medem com precisão a destreza em modelos animais são de fundamental importância compreender a função da mão. Tarefas comportamentais ratazana atuais que medem a destreza em grande parte usam análise de vídeo de manipulação atingindo ou comida. Enquanto essas tarefas são fáceis de implementar e são robustas através de modelos de doença, eles são subjetivos e trabalhoso para o experimentador. Automatizando tarefas tradicionais ou criando novas tarefas automatizadas pode fazer as tarefas mais eficiente, objetiva e quantitativa. Desde que os ratos são menos hábeis que os primatas, centrais nervoso de lesão do sistema (CNS) produz mais sutis déficits na destreza, no entanto, supinação é altamente afetado em roedores e crucial à mão função em primatas. Portanto, nós projetamos uma tarefa semi-automático que mede supinação do membro anterior em ratos. Ratos são treinados para alcançar e agarrar um manipulandum em forma de botão e transformar o manipulandum em supinação para receber uma recompensa. Ratos podem adquirir a habilidade dentro de 20 ± 5 dias. Enquanto a primeira parte do treinamento é altamente fiscalizada, muito do treinamento é feito sem supervisão direta. A tarefa confiantemente e reproducibly captura déficits sutis após lesão e mostra recuperação funcional que reflete com precisão as curvas de recuperação clínica. Análise de dados é executada pelo software especializado através de uma interface gráfica do usuário que é projetado para ser intuitivo. Também damos soluções para problemas comuns encontrados durante o treinamento e mostrar que pequenas correcções de comportamento no início de treinamento produzem aquisição confiável de supinação. Assim, a tarefa de supinação botão fornece uma avaliação eficiente e quantitativa de um movimento crítico para destreza em ratos.
Uma perda de destreza após lesão do sistema nervoso ou doença diminui significativamente independência e qualidade de vida para os indivíduos afetados 1,2,3,4. Assim, a destreza é uma medida de resultado importante para compreender a ciência neural reparação e reabilitação como bem as bases do controle neural do movimento e aprendizagem motora. Tradicionalmente, tarefas manuais como única pelota atingindo, manipulação de massas e Irvine, Beatties e Bresnahan (IBB) Forelimb escala tem sido usadas para avaliar a destreza em animais, especificamente roedores 5, 6,7. Essas tarefas que tornam-se popularizou devido ao seu tempo de aquisição de tarefa mínima. No entanto, eles são qualitativos na natureza, trabalhosa para o experimentador e, por vezes, insensíveis ao comprometimento funcional após lesão com déficits sutis 5,7,8,9. Essas limitações das tarefas tradicionais têm estimulado o desenvolvimento de mais medidas quantitativas da função motora em animais, especificamente, atingindo o membro anterior.
Existem várias vantagens para automatizar tarefas, objetividade, maior throughput e tempo de diminuição da análise. Novas tarefas automatizadas fornecem uma medida mais sensível de avaliação da destreza após lesão que tarefas convencionais 8,10. Além disso, eles permitem treinamento adaptativo e testes que adapta o treinamento e teste de dificuldade para o desempenho do animal. Por último, tarefas automatizadas geram grandes quantidades de dados, que fornecem duas vantagens. Em primeiro lugar, o aumento em ambos os dados dentro de um julgamento e do número de ensaios aumenta o poder estatístico do estudo. Em segundo lugar, dá um conjunto de dados maior do que para estudar a aprendizagem motora, treinamento e compensação mais robustamente através da análise da cinética e cinemática informações 11-neurocientistas.
Vários grupos tentaram automatizar tarefas tradicionais. Câmeras de alta velocidade podem ser usadas para coletar dados cinemáticos das tarefas como a única pelota atingindo tarefa 12. Alaverdashvili e Wishaw usaram câmeras de alta velocidade para capturar os movimentos de alcançar e analisar movimentos dígito usando software de medição de movimento do frame-por-frame Peak Motus 13. No entanto, este software não identifica dígitos utilizando visão computacional, mas em vez disso, exige o experimentador digitalizar pontos se movendo pelo cursor. Além disso, algumas tarefas têm sido usadas em conjunto com comedouros e gaiolas para automatizar o processo de formação 14,15,16.
Outros grupos usaram sensores de força, bem como câmeras de alta velocidade para avaliar ajustes espaciais e força no membro anterior hábil atingindo usando a manipulação de massas, enquanto outros têm projetado tarefas para capturar mais complexos movimentos 17. Uma tal tarefa é uma tarefa de alcance e puxe que usa um dispositivo robótico de três graus de liberdade para capturar o movimento rotacional e planar de rato forelimb movimentos 18. Isto tem vantagens em ser capaz de medir a cinética dos movimentos mas com um aumento na complexidade e custo.
Aqui, demonstramos uma tarefa de membro semi-automatizadas anterior que mede supinação em ratos 8. Supinação do membro anterior é a rotação da pata do palm para o palm. Supinação é um excelente marcador da função do trato corticoespinhal e um movimento clinicamente relevante nos seres humanos que é necessário para o diário viver atividades 8,19,20. Além disso, supinação é altamente sensível à lesão e inactivação, especialmente quando comparada a única pelota atingindo 8. A tarefa de supinação, desenvolvido em colaboração entre o Instituto de investigação médica de Burke e da Universidade do Texas em Dallas, movimento rotacional de medidas no plano horizontal 8,10. Ratos são colocados em uma caixa comportamental (figura 1A) e são treinados para fazer três movimentos (figura 1B): alcançar através de uma abertura retangular; Segure um esférico manipulandum; supinate para um ângulo designado.
A tarefa de comportamento é controlada pelo software do PC (Figura 1). O software de controle envia instruções para um microcontrolador que está conectado para o autoposicionador, codificador óptico, alto-falante e alimentador. O microcontrolador e suas conexões periféricas são referidos como a caixa do microcontrolador. Informação flui do codificador óptico, para o microcontrolador, então o computador e depois de volta para o microcontrolador. Se o software de controle tem sinalizado para o microcontrolador que o julgamento foi um sucesso, o microcontrolador aciona o alimentador para dispensar uma pelota. No início de cada sessão, o software de controle retransmite a informação de fase para o microcontrolador, que direciona o autoposicionador para posicionar o botão em distância definida do palco da abertura. O autoposicionador também pode ser operado manualmente usando as teclas de seta localizadas na autoposicionador. O codificador óptico registra dados em 100 Hz e medidas de alterações no ângulo. Todos os dados são armazenados em formato binário.
O experimentador usa estágios de formação sequencial dentro do software para treinar o rato de habituação a supinação a uma taxa predeterminada de ângulo e sucesso. Durante habituação, manipulandum o botão é colocado dentro da janela de abertura, sem qualquer contrapeso. Após uma semana de treinamento altamente supervisionada, o rato associa o botão com uma recompensa e começa a rodar o botão de forma independente. Uma vez que o rato é capaz de transformar de forma independente, o botão é retraído a 1,25 cm de 0,25 incrementos cm até o rato pode rodar independentemente de 1,25 cm. contrapeso é então adicionado em incrementos de 1 g de 3G a 6 g. Automated formação estágios trem o animal para supinate o botão a 6 g até 75 graus. Nesta fase de formação é em grande parte sem supervisão; uma vez que os ratos adotam a tarefa com o formulário apropriado (discutido abaixo), eles continuam a supinate corretamente. Treinamento é completo quando ratos supinate 75 graus a uma taxa de sucesso (taxa) de 75% 8. Aqui, descrevemos um protocolo de treinamento típico e apresentar soluções para problemas comuns que encontramos. Demonstramos a progressão do representante bem-sucedidas e malsucedidas ratos através do protocolo de treinamento e mostrar que a tarefa pode ser modificada para mostrar comprometimento funcional com déficits sutis ou mais graves.
A tarefa de supinação botão avalia supinação do membro anterior em ratos utilizando métodos quantitativos e semi-automático. Para atingir esses pontos de extremidade, muitos dos parâmetros projetados para a tarefa, incluindo o alinhamento do botão, manipulandum design e critérios de formação, têm sido iterados durante vários anos. Para o alinhamento do botão, experimentámos três alinhamentos diferentes do manípulo com relação a abertura: lado esquerdo do botão alinhado com o lado esquerdo da abertura, o botão centralizado na abertura, e o lado direito do botão alinhado com o lado direito da um perture. Escolhemos o lado direito do botão de ser alinhado com o lado direito da abertura, como este produzido ratos que foram treinados no menor tempo e quem supinada com mecanismos de compensação mínimos, especificamente, interferência da pata esquerda.
Quanto ao projeto de manipulandum, nós alteramos várias características de projeto para torneamento com o membro anterior de maximizar e minimizar o uso do corpo. Além disso, nós dimensionado a dificuldade da tarefa para a gravidade do défice previsto. Após pyramidotomy, supinação é o movimento que é mais fortemente afectado, mas o comprometimento é ainda relativamente sutil. Assim, treinamos os ratos a um critério de base superior (75°) para garantir que os grandes déficits foram observados após lesão. Para lesões corticais, que são mais prejudicando, limiar de 60 graus em 7,5 g foi suficiente para demonstrar um défice significativo após a lesão. Parâmetros adicionais que foram otimizados através de uma abordagem de tentativa e erro incluem o tamanho da abertura, distância de botão de abertura e a janela de tempo para conseguir um julgamento bem sucedido.
Existem alguns pontos críticos em todo o protocolo de treinamento que exigem supervisão cuidadosa. Quando a formação de base, o método de limiarização adaptativa tem sido usado com sucesso para treinar ratos a 75° 10. No entanto, ratos pode Planalto em um pico do ângulo inferior a 75°; o desempenho permanece o mesmo após 4-5 sessões. Para melhorar o desempenho, um limite estático pode ser empregado. Um limite estático refere-se ao limiar restantes em um grau conjunto, que é independente do desempenho do rato, em oposição a um limiar adaptativo que alterações com base no desempenho recente. Se o rato platôs durante treinamento adaptativo, o experimentador deve mudar para um limite estático. Treinamento estático dos estágios variam de 20 a 70 graus em incrementos de 10°. (Estágio K28 – K33). Escolha a fase estática baseada no ângulo de média pico de ratos nas 2 sessões anteriores. Por exemplo, se o rato tem uma média de 45°, selecione a fase estática para 50 graus (K31). Todas as fases estáticas definido o “Init. Thresh.”no 5 °. Durante o treinamento, se o rato perde motivação, manualmente alimenta o rato se lo supina perto de, mas não acima do limiar.
Além disso, durante a avaliação de linha de base, aproximadamente 5% dos ratos regredir 5-10° em seu ângulo de supinação e 5-10% na taxa de sucesso entre as sessões. Se isso acontecer, e o rato não recupera o ângulo do pico médio de 75° após 3-4 sessões, diminua a fase estática para dentro de 10 graus de ângulo de média atual do rato antes de retornar para a etapa de 3.5. É importante para não reintroduzir um rato para os estágios adaptativos uma vez que ele foi colocado em estágios de formação estática.
Existem algumas limitações para a tarefa. Uma vez que a posição de aperto incorreto tiver sido estabelecida, mudar o comportamento de preensão (Figura 2) pode ser difícil. Assim, a correção e a deteção adiantada é importante. Para corrigir o alcance de um rato, a abertura pode ser alterada por diminuir o tamanho da abertura na direção horizontal e/ou vertical; Normalmente, gravamos uma lâmina de vidro para a borda da abertura, que precisa de ajuste. Para a maioria dos ratos, isso melhora sua forma de compreensão porque obriga-los a compreender a manipulandum de uma maneira específica. Este, por sua vez, melhora sua capacidade de supinate corretamente.
Além desse desafio, ratos podem desenvolver mecanismos compensatórios para supinate. Estes incluem o uso da cabeça para ajudar o membro anterior em supinação; abaixando o cotovelo e ombro conjunta para rodar o botão; usando a pata esquerda para ajudar a girar o manípulo ou abaixar a pata atingindo. Todos esses comportamentos podem ser usados para concluir com êxito a tarefa. Como mencionado acima, comportamentos relacionados com o alcance podem ser corrigidos por manipular a abertura. Mecanismos compensatórios, fora do alcance, no entanto, requerem participação ativa pelo experimentador não recompensar o comportamento compensatório. Após lesão, observamos ratos tendo vários ensaios para colocar a pata na posição correta antes de supinação. Embora não analisamos quais componentes da tarefa podem contribuir para a perda de supinação, estas podem incluir perda de aderência exata e prejudicada a modulação de força, entre muitas possibilidades.
A tarefa de supinação semi-automatizadas leva, em média, 20 ± 5 dias para treinar ratos para a linha de base, e 25% dos animais são incapazes de ser treinados sobre a tarefa. Contribuindo para o tempo de treinamento é o fato de que nós não selecionou naturalmente direito-preferência ratos, mas em vez disso, forçar todos os animais para usar suas patas bem como é comum na maioria dos ensaios atingindo. Nós não tentamos usando ratos esquerda-preferência, mas seria um interessante estudo exploratório primeiro identificar preferência de pata e depois treinar a pata dominante. Para acomodar isso, seria preciso inverter a orientação das portas para que a abertura é invertida; Isto pode ser feito facilmente.
Comparado com tarefas tradicionais como o IBB ou alcançar o pellet única, a tarefa de supinação quantitativamente e objetivamente medidas forelimb atingindo. Mostra sensibilidade à lesão grave (lesão cortical) e lesão sutil (pyramidotomy), e o procedimento de treinamento pode ser modificado dependendo da gravidade do modelo de lesão. Porque é semi-automático, a tarefa permite que o experimentador treinar ratos múltiplos simultaneamente, dependendo do estágio de formação. Isto melhora produtividade do experimentador e o throughput de rato. A tarefa é confiável e reprodutível entre ratos. Criando um guia de solução de problemas (Figura 2) para experimentadores referir-se durante o protocolo de treinamento, podemos ter padronizado vários comportamentos incorrectos, bem como soluções para corrigi-los. Por último, a tarefa oferece um meio intuitivo para analisar grandes quantidades de dados e permite que o experimentador a aprofundar a cinética de supinação.
No futuro, usaremos a tarefa de supinação semi automatizado como uma plataforma para avaliar o tipo, dose e tempo de reabilitação. Nosso laboratório está interessado nos efeitos da estimulação na melhoria funcional após lesão. Além disso, estamos interessados em como terapias que estimulam neural reparar ou melhorar a condução neural e comunicação pode afetar a reabilitação. Também temos interesse em modificar a tarefa para ser compatível com a eletrofisiologia, para que podemos estudar aprendizagem motora; ratos com cabeçabonés, rotineiramente, realizar a tarefa, e adicionando um comutador para gravação ou estimulação seria simples de fazer. A tarefa, conforme descrito, é para os ratos, mas também existem laboratórios experimentando usando ratos para a tarefa. Em geral, esta tarefa pode ser usada para avaliar a função do membro anterior em roedores em uma grande variedade de modelos de lesões e doenças e por sua vez, para avaliar estratégias de reabilitação. Seguindo em frente, que vamos continuar a melhorar a tarefa, com refinamentos para ajudar a diminuir os comportamentos incorrectos e melhorar a taxa de aquisição de tarefa e tempo de treinamento.
The authors have nothing to disclose.
Esta pesquisa foi financiada pelo 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 |