代償四肢使用および虚血性脳卒中のマウスモデルにおける感覚皮質損傷後の運動技能の学習の行動評価
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
マウスモデルは、行動神経科学の分野で、具体的には、実験的な脳卒中の研究でますます人気となっている。モデル予めとしては、マウスに特異的な感受性の行動策を開発することが重要である。この議定書は、脳卒中のマウスモデルで使用するために熟練した運動課題について説明しています。パスタマトリックスは、正確な結果データを収集し、代償戦略（ すなわち 、不使用を学んだ）し、リハビリトレーニングを当て含むヒト臨床的現象を模倣するために四肢使用を操作する実験者が許可汎用性と高感度の行動分析などのタスク機能に達する。神経解剖学のツールと組み合わせることで、この作業には、脳卒中後の機能（またはその欠如）の行動回復をサポートするメカニズムを探求する研究者を許可します。タスクは、FUに関する数多くの研究課題のためのトレーニングとテストのさまざまなオプションを提供して、簡単かつ手頃な価格に設定することと行動の両方で損傷後nctional成果。タスクは、脳卒中のマウスモデルに適用されているが、それはまた、他の上肢損傷モデルにおける機能的転帰の研究において有益であり得る。
Introduction
マウスモデルは、部分的には、その利便性と手頃な価格だけでなく、他のアプリケーション間でのin vivoイメージングに適しているトランスジェニック系統の利用可能性の実験的脳卒中研究のために、ますます人気となっている。これは、実験モデルで人気を増加して、損傷後の機能的な結果の敏感な行動評価の開発に関心が1-7増加している。人間の脳卒中生存者によって使用される両方のリハビリと代償戦略を模倣する動物の訓練プロトコルの開発に成功し、診療所8で使用する実験動物研究からの調査結果を変換する機能を向上させます。タスク（PMRT）に達するパスタマトリックス上運動技能訓練は、これまで感覚運動皮質3の虚血発作、次の運動技能の結果の敏感な行動評価として確立されている。
主要な関心の一つ脳卒中研究の懸念リハビリと傷害後の機能回復の改善を促進する行動戦略の開発と理解のS。現在、ヒトでのリハビリテーションの戦略は不完全リカバリ8になる。また、リハビリテーションセラピストは完全に彼らの影響を受けた四肢（S）の機能を回復する能力を損なう可能性脳卒中生存者は回復中に開発代償戦略を戦う必要があります。例えば、上肢機能に影響を与える一方的脳卒中後の、人間がそれらの低い影響肢9,10への依存を発症する傾向がある。短期間で機能する人の能力を向上させるが、これは、患肢の非使用学ん動物モデル11-13に示されたように、最終的な回復の可能性を妨げることがあります。動物ではこれらの知見は、ヒトの14に制約誘発性運動療法の開発と使用を知らせるために貢献している。動物モデルはbeneficiaです研究者が補助する神経生物学的メカニズムを探索し、機能の回復を促進させることにより、リハビリテーション戦略を改善するためのlである。脳卒中後の機能の効果的な行動評価であることに加えて、PMRTは、感覚運動ストローク15以下の改善された機能的結果を促進するのに有効なリハビリテーション戦略として確立されている。 PMRTも効果的に模倣患肢の不使用を学んだので、過度の依存の少ない患肢13の初期にもかかわらず、機能回復を改善することが、行動の操作への洞察を提供するために使用することができます。
PMRTの構築は3以前に記載されている。簡単に説明すると、到達室が開放された上部と下部で（20センチ長さ15cm、8.5センチ幅）4プレキシガラスの壁で構成されている。働き室の前壁の下部ベースから延びる中心スリット（13センチと幅5mm）がある達する開口部（ 図1A）として得た。パスタマトリックスは完全にブロックの深さを通して掘削直径1mmの穴を大型プラスチックブロック（5センチ幅8.5センチメートル長、及び1.5センチ）。 260穴の合計が各ホール（ 図1B）との間に2ミリメートルに達したウィンドウから2ミリメートルを開始、があります。パスタマトリックスは、乾燥、垂直に配向パスタ片が露出パスタ片の約半分を有するマトリックス段の深さ全体を通って延びるように設計されている。オーバーヘッドプラスチックや厚紙の取り外し可能な部分は、大きさに切断し、マトリックスの下側にしっかりとテープで固定する必要があります。これは、輸送中のマトリックスから脱落パスタ片を防止し、壊れたパスタ片の容易な除去を可能にする。
PMRTは、正確な結果データを収集し、臨床的な現象を模倣するために四肢の使用を操作することを可能にする実験者汎用性と敏感な行動アッセイである。行動Oのようなutcome対策、PMRTは実験者がより正確に梗塞サイズ3、16の伝統的な尺度の場合よりもリハビリ戦略の有効性を反映した行動データを収集することができます。行動操作など、PMRTは実験者がマウスでの上肢の使用を制御することができますリハビリテーションの臨床経験を模倣するために（ すなわち 、患肢の訓練）または不使用を学んだ（ つまり、あまり影響を受けた四肢のトレーニング）。神経解剖学の方法と組み合わせることで、PMRTは、脳卒中後の代償四肢使用を次の関数や不適応行動の可塑性の回復をサポートするメカニズムを探索する機会を研究者に提供します。 PMRTはさらに、外傷性脳損傷などの脳損傷および上肢障害の他のマウスモデルに適用することができる。 PMRTの別の利点は、その手頃な価格である。タスクに必要な機器の家にかなり合理的に構築することができ、データ収集はないスペースや財源を大量に必要とし、タスクが確実にデータを収集するために、学部学生のための非常に簡単ではありません。さらに、PMRTが少しでも行動障害3、13に敏感です。このプロトコルは、損傷後の行動回復を促進し、運動技能の学習を評価するための簡単で効果的な方法を提供し、模倣は脳卒中の確立マウスモデルにおいて不使用現象を学びました。
Protocol
Representative Results
Discussion
PMRTマウス業者に達する性能を評価するための簡単な、定量的な方法を表しています。時間がかかるが、それは少数のトレーニングセッションと信頼性と再現性のあるデータを収集するように訓練される以前に経験のない大学生が可能である。タスクは、虚血性傷害3、13、15以下のマウス運動技能の性能のわずかな変化を測定するのに十分に敏感であり、それであるため多くの研?…
Disclosures
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 |
References
- 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).
- Bucan, M., Abel, T. The mouse: Genetics meets behaviour. Nature Reviews Genetics. 3 (2), 114-123 (2002).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Taub, E. Harnessing brain plasticity through behavioral techniques to produce new treatments in neurorehabilitation. Am. Psychol. 59 (8), 692-704 (2004).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Xu, T., et al. Rapid formation and selective stabilization of synapses for enduring motor memories. Nature. 462 (7275), 915-919 (2009).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Mathers, C. D., Boerma, T., Fat, D. M. Global and regional causes of death. Br. Med. Bull. 92 (1), 7-32 (2009).
- Go, A. S., et al. Heart disease and stroke statistics–2013 update: a report from the American Heart Association. Circulation. 127 (1), (2013).
- 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).
- Adkins, D. L., Voorhies, A. C., Jones, T. A. Behavioral and neuroplastic effects of focal endothelin-1 induced sensorimotor cortex lesions. 신경과학. 128 (3), 473-486 (2004).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
