Detta manuskript beskriver en halvautomatisk uppgift som kvantifierar supination hos råttor. Råttor nå, förstå och supinate en sfärisk manipulandum. Råttan belönas med en pellet om tur vinkeln överstiger ett kriterium som anges av användaren. Denna uppgift ökar genomströmningen, känslighet för skada och objektivitet jämfört med traditionella uppgifter.
Aktiviteter som noggrant mäter fingerfärdighet i djurmodeller är kritiska att förstå handfunktion. Nuvarande råtta beteendemässiga uppgifter som mäter fingerfärdighet i stor utsträckning använder videoanalys för att nå eller mat manipulation. Medan dessa uppgifter är lätt att genomföra och är robust över sjukdomsmodeller, är de subjektiva och mödosam för experimenter. Automatisera traditionella aktiviteter eller skapa nya automatiserade aktiviteter kan göra uppgifterna mer effektiva, objektiva och kvantitativa. Eftersom råttor är mindre påverkas händiga än primater, central nervous system (CNS) skada producerar mer subtila brister i fingerfärdighet, emellertid, supination är mycket hos gnagare och avgörande till hands funktion i primater. Därför har vi utformat en halvautomatisk uppgift som mäter forelimb supination hos råttor. Råttor är utbildade för att nå och förstå en knopp-formade manipulandum och förvandla manipulandum i supination att få en belöning. Råttor kan förvärva skickligheten inom 20 ± 5 dagar. Medan den tidiga delen av utbildningen övervakas mycket, sker mycket av utbildningen utan direkt tillsyn. Uppgiften på ett tillförlitligt sätt och reproducibly fångar subtilt underskott efter skada och visar funktionell återhämtning som korrekt avspeglar klinisk recovery kurvor. Analys av data utförs av specialiserad programvara via ett grafiskt användargränssnitt som är utformat för att vara intuitivt. Vi ger också lösningar på vanliga problem som uppstått under utbildning och visa att mindre korrigeringar till beteende tidigt i utbildningen producerar tillförlitliga förvärv av supination. Knopp supination uppgiften ger således effektiv och kvantitativ utvärdering av en kritisk rörelse för fingerfärdighet i råttor.
En förlust av fingerfärdighet efter nervsystemet skadan eller sjukdomen avsevärt minskar oberoende och livskvalitet för drabbade individer 1,2,3,4. Fingerfärdighet är alltså en viktig effektmåttet för att förstå vetenskapen om neurala reparation och rehabilitering som väl grunden av neurala kontroll rörlighet och motoriskt lärande. Manuella uppgifter som enskild pellet når, pasta manipulation, och Irvine, Beatties och Bresnahan (IBB) Forelimb skala har traditionellt använts för att utvärdera fingerfärdighet i djur, speciellt gnagare 5, 6,7. Dessa uppgifter har blivit populärt på grund av deras minimala uppgift förvärv tid. Men är de kvalitativa, mödosam för av försöksledaren och, ibland, okänslig för funktionsnedsättning efter skada med subtila underskott 5,7,8,9. Dessa begränsningar av traditionella uppgifter har sporrat utvecklingen av mer kvantitativa åtgärder av motorisk funktion hos djur, särskilt forelimb når.
I området i närheten finns det flera fördelar med att automatisera uppgifter, nämligen objektivitet, ökad genomströmning och minskad analys tid. Nya automatiska uppgifter ger ett känsligare mått på utvärdera fingerfärdighet efter skada än konventionella aktiviteter 8,10. Dessutom möjliggör de adaptiva utbildning och testning som skräddarsyr utbildning och testning svårighet att djurets prestanda. Slutligen, automatiska uppgifter genererar stora mängder data, vilket ger två fördelar. För det första, i data både i en rättegång och ökade antalet prövningar ökar den statistiska styrkan av en studie. För det andra, det ger neuroforskare en större datauppsättning som att studera motoriskt lärande, utbildning och ersättning mer kraftfullt genom analys av kinetiska och kinematisk information 11.
Flera grupper har försökt att automatisera traditionella uppgifter. Höghastighets kameror kan användas för att samla in kinematiska data från uppgifter som den enda pelleten når uppgift 12. Alaverdashvili och Wishaw har använt höghastighets kameror för att fånga nå rörelser och analysera siffror rörelser med hjälp av bildruta-för-bildruta motion mätning programvara Peak Motus 13. Denna programvara identifierar inte siffror med hjälp av datorseende, men i stället kräver försöksledaren att digitalisera rörliga punkter av markören. Dessutom har vissa uppgifter använts i samband med matare och burar för att automatisera utbildning processen 14,15,16.
Andra grupper har använt kraftgivare samt hög hastighetskameror att utvärdera rumsliga justeringar och tvinga i skickliga forelimb når med pasta manipulation, medan andra har utformat uppgifter att fånga mer komplexa rörelser 17. En sådan uppgift är en reach och pull som använder en tre-grad-av-frihet robotic enhet för att fånga planar och roterande rörelse råtta forelimb rörelser 18. Detta har fördelar i att kunna mäta kineticsen av rörelser men med en ökning i komplexitet och kostnad.
Här visar vi en halvautomatisk forelimb uppgift som mäter supination i råttor 8. Forelimb supination är rotation av paw från palm ner till palm upp. Supination är både en utmärkt markör för corticospinal tarmkanalen funktion och en kliniskt relevant rörelse hos människor som krävs för daglig levande aktiviteter 8,19,20. Supination är dessutom mycket känslig för skador och inaktivering, särskilt jämfört med enstaka pellets att nå 8. Supination uppgiften, utvecklat i samarbete mellan Burke Medical Research Institute och The University of Texas i Dallas, åtgärder rotationsrörelse i horisontalplanet 8,10. Råttor är placerade i en beteendevetenskaplig låda (figur 1A) och är utbildade att göra tre rörelser (figur 1B): nå genom en rektangulär öppning; greppa en sfärisk manipulandum; supinate till en angiven vinkel.
Aktiviteten beteende styrs av PC-programvara (figur 1 c). Kontrollerande mjukvaran skickar instruktioner till en mikrokontroller som är ansluten till auto-lägesställare, Optisk pulsgivare, högtalaren och mataren. Mikrokontroller och dess perifera anslutningar benämns som rutan mikrokontroller. Informationen flödar från Optisk pulsgivare, till mikrokontroller, sedan datorn, och sedan tillbaka till mikrokontroller. Om kontrollerande mjukvaran har signalerat att mikrokontroller att rättegången var en framgång, utlöser mikrokontroller mataren att dosera en pellet. I början av varje session reläer kontrollerande mjukvaran scenen informationen till mikrokontroller, som styr auto-lägesställaren att placera vredet på scenens definierade avstånd från bländare. Auto-lägesställaren kan också manövreras manuellt med hjälp av piltangenterna ligger på auto-lägesställaren. Den Optisk pulsgivare registrerar data på 100 Hz och åtgärder förändringar i vinkel. Alla data lagras i binärt format.
Experimenter använder sekventiell utbildning etapperna inom programvaran för att träna råttan från tillvänjning att supinating med en förutbestämd vinkel och framgång hastighet. Under tillvänjning placeras den knopp manipulandum inuti fönstret bländare utan någon motvikt. Efter en vecka av mycket handledd praktik, råtta associates vredet med en belöning och börjar att vrida ratten självständigt. När råttan är kunna vända självständigt, är ratten tillbakadragen till 1,25 cm i 0,25 cm steg till råtta kan svänga självständigt på 1,25 cm. motvikt är då lade till i steg om 1 gram från 3 g till 6 g. automatiserad utbildning arrangerar tåg djuret att supinate vredet på 6 g upp till 75 grader. Detta skede av utbildningen är till stor del oövervakad; När råttor anta uppgiften med korrekt form (diskuteras nedan), fortsätter de att supinate ordentligt. Utbildning är slutförd när råttor supinate 75 grader på en framgång (hit rate) på 75% 8. Här, beskriver vi en typisk utbildning protokollet och presenterar lösningar på vanliga problem som vi har stött på. Vi visar utvecklingen av representativa lyckade och misslyckade råttor genom utbildning protokollet, och visar att uppgiften kan ändras för att Visa funktionsnedsättning med subtila eller mer allvarliga underskott.
Knopp supination uppgift utvärderar forelimb supination i råttor med kvantitativa och semi automatiserade metoder. För att uppnå dessa slutpunkter, har många av de parametrar som utformats för uppgiften, inklusive knopp anpassning, manipulandum design och utbildning kriterier, varit upprepade över flera år. För knopp anpassning, vi experimenterade med tre olika livsåskådningar i ratten när det gäller bländare: vänster sida av ratten i linje med vänster sida av bländaren, vredet centrerad i aperture, och till höger om ratten i linje med höger sida av den en perture. Vi bosatte sig på höger sida av ratten är i linje med höger sida av bländaren, som detta producerade råttor som utbildades på kortast tid och som supinerad med minimal kompensationsmekanismer, specifikt, störningar från vänster tass.
När det gäller manipulandum design ändrat vi flera konstruktionsdetaljer för att maximera svarvning med forelimb och minimera användning av kroppen. Dessutom skalas vi svårigheten i uppgiften att svårighetsgraden av det förväntade underskottet. Efter pyramidotomy, supination är den rörelse som påverkas mest starkt, men funktionsnedsättningen är fortfarande relativt subtila. Således, vi tränade råttor till ett högre originalplan kriterium (75°) att säkerställa att stora underskott observerades efter skada. För kortikala lesioner, som ytterligare försämrar, var 60 grader tröskeln på 7,5 g tillräckliga för att påvisa ett betydande underskott efter skada. Ytterligare parametrar som var optimerad genom en trial-and-error strategi inkluderar bländare storlek, knopp avstånd bländare och tidsfönster att uppnå en framgångsrik rättegång.
Det finns några kritiska punkter i hela utbildning protokollet som kräver noggrann övervakning. När utbildning till baslinjen, har adaptiv tröskelvärde metoden använts framgångsrikt att träna råttor till 75° 10. Men kan råttor platå på en topp vinkel mindre än 75°; prestanda förblir densamma efter 4-5 sessioner. Förbättra prestanda genom kan en statisk tröskel användas. En statisk tröskel refererar till tröskeln ligga kvar på en uppsättning grad, som är oberoende av råtta prestanda, i motsats till en adaptiv tröskel som ändringar baserat på senaste prestanda. Om råttan platåer under adaptiv träning, bör experimenter ändras till en statisk tröskel. Statisk träning stadier varierar från 20 till 70 grader i steg om 10°. (Stage K28 – K33). Välj statisk scenen baserat på råttans genomsnittliga peak vinkel i de föregående 2 sessionerna. Om råttan är i genomsnitt 45°, Välj exempelvis statiska scenen för 50 grader (K31). Alla statiska stadier ställa den ”Init. Tröska ”. vid 5 °. Under träning, om råttan förlorar motivationen, manuellt mata råttan om det supinates nära men inte över tröskeln.
Dessutom under lägesbedömning regrediera cirka 5% av råttor 5-10° i deras supination vinkel och 5-10% i träffsäkerhet mellan sessioner. Om detta händer, och råttan inte återhämta 75° genomsnittliga peak vinkel efter 3-4 sessioner, minska statisk scenen till inom 10 grader av råttans nuvarande genomsnittliga vinkel innan han återvände till steg 3.5. Det är viktigt att inte återinföra en råtta till adaptiv skeden när det har placerats på statisk träning scener.
Det finns vissa begränsningar för uppgiften. När Felaktiga grasp ståndpunkt har fastställts, kan det vara svårt att ändra gripa beteende (figur 2). Tidig upptäckt och korrigering är därför viktigt. För att korrigera en råttas grepp, kan bländaren ändras genom att minska storleken på bländaren i horisontella och vertikala riktningen; vanligtvis tejpa vi en glasskiva till kanten av bländaren som behöver justeras. För de flesta råttor förbättrar detta deras grepp form eftersom den tvingar dem att ta tag i manipulandum på ett särskilt sätt. Detta, i sin tur förbättrar deras förmåga att korrekt supinate.
Utöver denna utmaning, kan råttor utveckla kompensationsmekanismer till supinate. Dessa inkluderar användning av huvudet till stöd forelimb i supination; sänka armbåge och axelleden till Vrid vredet; använda vänster tass för att hjälpa Vrid vredet eller tryck når tass ner. Alla dessa beteenden kan användas för att framgångsrikt slutföra uppgiften. Som nämnts ovan, kan beteenden som rör fattningsförmågan korrigeras genom att ändra bländaren. Kompensatoriska mekanismer utanför räckhåll, men kräver aktivt deltagande av försöksledaren att inte belöna kompenserande beteende. Efter skada, har vi observerat råttor tar flera försök att placera tass i rätt position innan supinating. Även om vi inte har analyserat vilka komponenter av uppgiften kan bidra till förlusten av supination, dessa kan omfatta förlust av korrekt grepp och nedsatt kraft modulering, bland många möjligheter.
Halvautomatisk supination uppgiften tar i genomsnitt, 20 ± 5 dagar för att träna råttor till baslinjen, och 25% av djur inte kan tränas på uppgiften. Bidra till träningstiden är det faktum att vi inte har valt naturligt höger-preferens råttor men istället tvinga alla djur att använda sin högra tass som är vanligt i de flesta når analyser. Vi har inte provat att använda vänster-preferens råttor, men det skulle vara en intressant undersökande studie att först identifiera tass Förkärlek och sedan utbilda dominerande tass. För att tillgodose detta, skulle vi behöva vända orienteringen för dörrarna så att bländaren återförs; Detta kan enkelt göras.
Jämfört med traditionella aktiviteter som IBB eller enstaka pellet når, mäter supination uppgiften kvantitativt och objektivt forelimb når. Det visar känslighet för allvarliga skador (kortikal lesion) och subtil skada (pyramidotomy), och förfarandet för utbildning kan ändras beroende på graden av skada modellen. Eftersom det är halvautomatisk, kan uppgiften att försöksledaren att träna flera råttor samtidigt, beroende på utbildning skede. Detta förbättrar avsevärt experimenter’s produktivitet och råtta genomströmning. Uppgiften är tillförlitliga och reproducerbara mellan råttor. Genom att skapa en felsökningsguide (figur 2) för praktiker hänvisar till under utbildning protokollet, har vi standardiserat flera felaktiga beteenden samt lösningar som åtgärdar dem. Slutligen, aktiviteten erbjuder ett intuitivt sätt att analysera stora mängder data och ger experimenter möjlighet att gräva djupare i kineticsen av supination.
I framtiden, kommer vi att använda halvautomatisk supination uppgiften som en plattform för att utvärdera typ, dos och tidpunkt för rehabilitering. Vårt labb är intresserad effekterna av stimulering på funktionell förbättring efter skada. Dessutom är vi intresserade av hur behandlingar som stimulerar neurala reparera eller förbättra neurala överledning och kommunikation kan påverka rehabilitering. Vi har också intresse av att ändra uppgiften för att vara kompatibel med elektrofysiologi så att vi kan studera motoriskt lärande; råttor med huvudCAPS utföra rutinmässigt uppgiften, och lägga en kommutator för inspelning eller stimulans skulle vara enkelt att göra. Uppgiften, som beskrivs, är för råttor, men det finns också labs experimenterar med att använda möss för uppgiften. Denna uppgift kan i allmänhet användas för att utvärdera forelimb funktion hos gnagare i en mängd olika skada modeller och sjukdomstillstånd och i sin tur för att utvärdera rehabiliterande strategier. Går framåt, kommer att vi fortsätta att förbättra uppgiften, med förbättringar för att minska Felaktiga beteenden och förbättra uppgift förvärv hastighet och träningstid.
The authors have nothing to disclose.
Denna forskning har finansierats av 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 |