تعويضية الاطراف استخدام والتقييم السلوكي للسيارات مهارة التعلم بعد حسي حركي إصابة اللحاء في نموذج الفأر من السكتة الدماغية
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
أصبحت نماذج الماوس شعبية متزايدة في مجال علم الأعصاب السلوكي، وعلى وجه التحديد في دراسات السكتة الدماغية التجريبية. كنماذج مسبقا، فمن المهم وضع تدابير محددة لالسلوكية الحساسة الماوس. يصف هذا البروتوكول مهمة الحركية المهرة لاستخدامها في نماذج الماوس من السكتة الدماغية. باستا مصفوفة الوصول إلى وظائف العمل كما مقايسة السلوكية تنوعا والحساسة التي يسمح المجربون لجمع بيانات دقيقة والتلاعب بنتائج استخدام أطرافهم لتقليد الظواهر السريرية البشرية بما في ذلك استراتيجيات تعويضية (أي تعلمت عدم استخدام) وركز التدريب التأهيلية. عند دمجها مع أدوات تشريحي عصبي، تسمح هذه المهمة أيضا للباحثين لاستكشاف الآليات التي تدعم الانتعاش السلوكية وظيفة (أو عدمه) بعد السكتة الدماغية. مهمة على حد سواء بسيطة ومعقولة لإنشاء والسلوك، وتقدم مجموعة متنوعة من التدريب واختبار خيارات لأسئلة بحثية عديدة تتعلق فونتائج nctional بعد الاصابة. رغم أنها طبقت المهمة لنماذج الماوس من السكتة الدماغية، قد تكون مفيدة أيضا في دراسات أخرى نتائج وظيفية في نماذج إصابات الطرف العلوي.
Introduction
أصبحت نماذج الماوس شعبية متزايدة للبحوث السكتة الدماغية التجريبية يرجع ذلك جزئيا إلى الراحة والقدرة على تحمل التكاليف، فضلا عن توافر خطوط المعدلة وراثيا التي هي مناسبة لفي الجسم الحي التصوير بين التطبيقات الأخرى. مع هذه الزيادة في شعبية في نماذج تجريبية، والفائدة في وضع تقييمات السلوكية الحساسة من نتائج وظيفية بعد الاصابة ازداد أيضا 1-7. وضع بروتوكولات تدريب الحيوانات التي تحاكي كل من التأهيل والاستراتيجيات التعويضية المستخدمة من قبل الناجين من السكتات الدماغية الإنسان يحسن القدرة على ترجمة بنجاح النتائج من الدراسات على حيوانات التجارب لاستخدامها في العيادة 8. وقد أنشئت سابقا التدريب على المهارات الحركية على مصفوفة باستا الوصول إلى المهام (PMRT) بمثابة تقييم السلوكية الحساسة من نتائج المهارات الحركية التالية إهانة الدماغية من القشرة الحسية 3.
واحدة من الفائدة الأساسيق في السكتة الدماغية المخاوف البحوث إعادة التأهيل والتنمية وفهم الاستراتيجيات السلوكية التي تشجع على تحسين استرداد الدالة التالية الإهانة. حاليا، واستراتيجيات إعادة التأهيل في البشر يؤدي إلى انتعاش ناقصة 8. بالإضافة إلى ذلك، يجب إعادة تأهيل المعالجين مكافحة استراتيجيات التعويضية التي الناجين من السكتات الدماغية خلال تطوير الانتعاش التي قد تقوض قدرتها على استعادة وظيفة من الطرف المصاب (ق) بشكل كامل. على سبيل المثال، في أعقاب السكتة الدماغية من جانب واحد الذي يؤثر على وظيفة الطرف العلوي، والبشر يميلون لتطوير الاعتماد على هذه أطرافهم أقل تأثرا-9، 10. وفي الوقت ذاته تحسين قدرة الشخص على العمل في المدى القصير، وهذا تعلمت عدم استخدام الطرف المصاب قد تعوق قدرته الانتعاش في نهاية المطاف، كما هو موضح في النماذج الحيوانية 11-13. وقد ساعدت هذه النتائج في حيوانات لإبلاغ تطوير واستخدام العلاج الحركة التي يسببها القيد في البشر 14. النماذج الحيوانية هي مفيدة بشكلل لتحسين استراتيجيات إعادة التأهيل من خلال السماح للباحثين لاستكشاف آليات العصبية الحيوية التي أيد وتعزيز الانتعاش وظيفة. بالإضافة إلى كونه تقييما السلوكية فعالة وظيفة آخر السكتة الدماغية، وقد تم تأسيس PMRT بوصفه استراتيجية فعالة لتعزيز التأهيلية تحسين نتائج السكتة الدماغية الحسية الوظيفية التالية 15. ويمكن أيضا أن تستخدم لتقليد PMRT فعال عدم استخدام علم الطرف المصاب، وبالتالي تقديم نظرة ثاقبة التلاعب السلوكية التي قد تحسن الانتعاش وظيفية على الرغم الأولي الإفراط في الاعتماد على أطرافهم أقل تأثرا-13.
وقد وصفت بناء PMRT سابقا 3. لفترة وجيزة، وتتكون الغرفة من الوصول إلى أربعة جدران زجاجي (20 سم، 15 سم، و 8.5 سم) مع كبار فتح وأسفل. هناك شق المركز (13 سم و 5 ملم واسعة) تمتد من قاعدة السفلي من الجدار الأمامي من الحجرة التي تخدمكما الفتحة ليصل إلى (الشكل 1A). مصفوفة المعكرونة هو كتلة من البلاستيك الثقيلة (8.5 سم، 5 سم، و 1.5 سم) مع ثقوب قطرها 1 مم حفر تماما من خلال عمق الكتلة. وهناك ما مجموعه 260 الثقوب، ابتداء 2 ملم من نافذة التوصل مع 2 مم بين كل ثقب (الشكل 1B). تم تصميم مصفوفة المعكرونة بحيث الجافة، وقطع المعكرونة موجه عموديا من خلال توسيع عمق كامل للمرحلة مصفوفة مع ما يقرب من نصف قطعة المعكرونة عرضة للخطر. يجب أن تقطع قطعة من البلاستيك القابلة للإزالة النفقات العامة أو البطاقات لحجم ومسجلة بشكل آمن على الجانب السفلي من المصفوفة. هذا يمنع قطع المعكرونة من سقوطه من المصفوفة أثناء النقل ويسمح لسهولة إزالة من قطع المعكرونة مكسورة.
وPMRT هو فحص السلوكية تنوعا والحساسة التي يسمح المجربون لجمع بيانات دقيقة والتلاعب بنتائج استخدام أطرافهم لتقليد الظواهر السريرية. باعتبارها س السلوكيةutcome التدبير، وPMRT يسمح المجربون لجمع البيانات السلوكية التي تعكس بدقة أكبر فعالية استراتيجية إعادة التأهيل مما يفعل المقاييس التقليدية للحجم احتشاء 3، 16. والتلاعب السلوكية، وPMRT يسمح المجربون للسيطرة على استخدام الطرف العلوي في الفئران في لكي تحاكي التجارب السريرية لإعادة التأهيل (أي التدريب الطرف المصاب) أو عدم استخدام علمت (أي تدريب أطرافهم أقل تضررا). عند دمجها مع أساليب تشريحي عصبي، ويوفر PMRT الباحثين فرصة لاستكشاف الآليات التي تدعم الانتعاش السلوكية وظيفة أو اللدونة مهايئ التالية التعويضية استخدام أطرافهم بعد السكتة الدماغية. وPMRT يمكن تطبيقها لمزيد من نماذج الفئران الأخرى من إصابات الدماغ وضعف الطرف العلوي، مثل إصابات الدماغ. ميزة أخرى من PMRT هو القدرة على تحمل التكاليف. المعدات اللازمة للقيام بهذه المهمة يمكن بناؤها بشكل معقول إلى حد ما في المنزل، وجمع البيانات لالا تتطلب كمية كبيرة من الفضاء أو الموارد المالية، والمهمة بسيطة بما فيه الكفاية لطلاب المرحلة الجامعية لجمع البيانات بشكل موثوق. علاوة على ذلك، PMRT حساسة للعجز السلوكية حتى الصغيرة 3، 13. يوفر هذا البروتوكول طريقة بسيطة وفعالة لتقييم السيارات تعلم المهارات، وتعزيز الانتعاش بعد الاصابة السلوكية، وتقليد الظواهر عدم استخدام المستفادة في نموذج الفئران التي أنشئت من السكتة الدماغية.
Protocol
Representative Results
Discussion
وPMRT يمثل، بطريقة بسيطة الكمي لتقييم الأداء ليصل إلى المهرة في الفئران. على الرغم من مضيعة للوقت، فمن الممكن للطلاب الجامعيين عديم الخبرة في السابق لتدريبهم على جمع بيانات موثوقة وقابلة للتكرار مع دورات تدريبية سوى عدد قليل. المهمة حساسة بما يكفي لقياس حتى تغييرات طف…
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. Neuroscience. 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).
