Summary

Ausgleichs Gliedmaßen Bedingungen und Verhaltens Bewertung der Motorik Learning Nach sensomotorischen Kortex Verletzung in einem Maus-Modell der ischämischen Schlaganfall

Published: July 10, 2014
doi:

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

Mausmodelle werden immer beliebter auf dem Gebiet der Verhaltensneurowissenschaften und insbesondere in Studien der experimentellen Schlaganfall. Als Modelle voraus, ist es wichtig, sensible spezifisch auf die Maus Verhaltensmaßnahmen zu entwickeln. Das vorliegende Protokoll beschreibt eine qualifizierte motorische Aufgabe für den Einsatz in Maus-Modellen der Schlaganfall. Die Pasta Matrix Erreichen Task-Funktionen als vielseitige und empfindliche Verhaltenstest, die Experimentatoren erlaubt, um genaue Ergebnisse zu manipulieren, Daten zu sammeln und Glied Einsatz der menschlichen klinischen Erscheinungen einschließlich Kompensationsstrategien (dh gelernt Nichtnutzung) und konzentrierte sich rehabilitative Trainings imitieren. Wenn mit neuroanatomischen Tools kombiniert, ermöglicht diese Aufgabe auch Forscher, die Mechanismen, die Verhaltenswiederherstellung der Funktion (oder deren Fehlen) unterstützt nach einem Schlaganfall zu erkunden. Die Aufgabe ist einfach und erschwinglich einzurichten und Verhalten, bietet eine Vielzahl von Trainings-und Testmöglichkeiten für zahlreiche Forschungsfragen betreffend functional Ergebnis nach Verletzungen. Obwohl die Aufgabe hat zu Mausmodellen des Schlaganfalls angewandt wurde, kann es auch von Vorteil in Studien der funktionellen Ergebnisse in anderen oberen Extremität Verletzungen Modelle.

Introduction

Mausmodelle haben sich für experimentelle Schlaganfallforschung zum Teil aufgrund ihrer Bequemlichkeit und Erschwinglichkeit, sowie die Verfügbarkeit von transgenen Linien, die sich für in-vivo-Bildgebung unter anderen Anwendungen werden immer beliebter. Damit erhöhte Popularität in experimentellen Modellen, die Interesse an der Entwicklung empfindlicher Verhaltens Einschätzungen funktionelle Ergebnis nach Verletzungen hat zugenommen 7.1. Die Entwicklung der Tiertrainingsprotokolle, die sowohl Rehabilitation und Kompensationsstrategien von menschlichen Schlaganfall Überlebenden verwendet imitieren verbessert die Fähigkeit, erfolgreich zu übersetzen Ergebnisse aus tierexperimentellen Studien in der Klinik 8 verwenden. Motorische Fähigkeiten Training auf der Pasta Matrix Erreichen Aufgabe (PMRT) zuvor als empfindliche Verhaltens Beurteilung der motorischen Ergebnis nach ischämischen Insult des sensomotorischen Kortex 3 etabliert.

Eines der primären Interesses in der Schlaganfall-Rehabilitation und Forschung betrifft die Entwicklung und das Verständnis von Verhaltensstrategien, die eine verbesserte Wiederherstellung der Funktion zu fördern folgenden Beleidigung. Derzeit führen Rehabilitationsstrategien beim Menschen zu einer unvollständigen Recovery-8. Darüber hinaus müssen Rehabilitationstherapeuten Kompensationsstrategien, die einen Schlaganfall überleben während der Wiederherstellung zu entwickeln, die ihre Fähigkeit, voll wieder in Abhängigkeit von ihrer betroffenen Extremität (en) untergraben könnten bekämpfen. Zum Beispiel, nach einer einseitigen Schlaganfall, der Funktion der oberen Extremitäten betroffen sind, sind in der Regel Menschen, ein Vertrauen auf ihre weniger betroffen Schenkel 9, 10 zu entwickeln. Während die Verbesserung der Fähigkeit einer Person, um die kurzfristig funktionieren, gelernt Nichtnutzung der betroffenen Extremität kann seine ultimative Erholungspotenzial behindern, wie in Tiermodellen gezeigt, 11-13. Diese Ergebnisse bei Tieren haben dazu beigetragen, die Entwicklung und den Einsatz von Zwang-induzierten Bewegungstherapie beim Menschen 14 zu informieren. Tiermodelle sind beneficial für die Verbesserung der Sanierungsstrategien, indem die Forscher die neurobiologischen Mechanismen, die dienstbar zu erforschen und zu fördern Wiederherstellung der Funktion. Abgesehen davon, dass eine effektive Verhaltens Beurteilung der Post-Takt-Funktion hat die PMRT als effektive rehabilitative Strategie, verbesserte funktionelle Ergebnis nach Schlaganfall 15 sensomotorischen Förderung etabliert. Die PMRT kann auch verwendet werden, um effektiv zu imitieren gelernt Nichtnutzung der betroffenen Extremität und bieten Einblick in die Verhaltensänderungen, die funktionelle Wiederherstellung zu verbessern, kann trotz anfänglicher übermäßige Abhängigkeit von den weniger betroffenen Extremität 13.

Der Bau der PMRT zuvor 3 beschrieben. Kurz gesagt, wird das Erreichen von vier Plexiglaskammer Wände (20 cm hoch, 15 cm lang und 8,5 cm breit) mit einem offenen Ober-und Unterseite besteht. Es ist ein Mittelschlitz (13 cm hoch und 5 mm breit), der sich von dem Unterteil der Vorderwand der Kammer dient, dienach Erreichen Öffnung (1A). Die Pasta-Matrix ist ein Hochleistungs-Kunststoffblock (8,5 cm lang, 5 cm breit und 1,5 cm hoch) mit 1 mm Durchmesser Löcher vollständig durch die Tiefe des Blocks gebohrt. Es gibt insgesamt 260 Löcher, beginnend 2 mm vom Erreichen Fenster mit 2 mm zwischen jedem Loch (Abbildung 1B). Die Pasta-Matrix ist so ausgelegt, dass trockene, vertikal orientierten Teigwarenstücke durch die gesamte Tiefe des Matrixstufe mit etwa der Hälfte der Teigwaren Stück ausgesetzt erstrecken. Eine abnehmbare Kopfstück aus Kunststoff oder Karton sollte zugeschnitten und fest an der Unterseite der Matrix aufgezeichnet werden. Dies verhindert, dass die Nudeln Stücke aus beim Transport aus der Matrix fallen und ermöglicht die einfache Entfernung von gebrochenen Pasta Stück.

Die PMRT ist eine vielseitige und empfindliche Verhaltenstest, die Experimentatoren ermöglicht, genaue Ergebnis Daten zu sammeln und Leben in die klinische Verwendung Phänomene imitieren manipulieren. Als Verhaltens outcome Maßnahme ermöglicht die PMRT Experimentatoren Verhaltensdaten, die die Wirksamkeit einer rehabilitativen Strategie, als dies die traditionelle Maß der Infarktgröße 3, 16 genauer wiedergeben zu sammeln. Als Verhaltensmanipulation, ermöglicht die PMRT Experimentatoren oberen Extremität Einsatz in Mäusen steuern Um klinische Erfahrungen der Rehabilitation (dh betroffenen Extremität Ausbildung) oder gelernt Nichtnutzung (dh weniger betroffenen Extremität Ausbildung) zu imitieren. Wenn mit neuroanatomische Methoden kombiniert, bietet der PMRT Forscher die Möglichkeit, die Mechanismen, die Verhaltenswiederherstellung der Funktion oder maladaptive Plastizität unterstützt folgende Ausgleichs Extremität nach Schlaganfall Nutzung zu erkunden. Die PMRT könnte weiter zu anderen Mausmodellen der Hirnschädigung und der oberen Extremität Wertminderung, wie Schädel-Hirn-Verletzungen angewendet werden. Ein weiterer Vorteil der PMRT ist die Erschwinglichkeit. Die für die Aufgabe erforderliche Ausrüstung kann ziemlich vernünftig im Haus gebaut werden, macht die Datenerfassungnicht erforderlich, eine große Menge an Speicherplatz oder finanzielle Ressourcen, und die Aufgabe ist für Studenten einfach genug, um Daten zuverlässig zu sammeln. Ferner ist die PMRT empfindlich auf selbst kleine Verhaltensdefizite 3, 13. Dieses Protokoll bietet eine einfache und effektive Möglichkeit, motorischen Lernens zu bewerten, zu fördern Verhaltens Erholung nach Verletzungen und Mimik gelernt Nichtnutzung Phänomene in einem etablierten Mausmodell der Schlaganfall.

Protocol

Die folgenden Methoden sind in Übereinstimmung mit den Protokollen von der Universität von Texas in Austin und Illinois Wesleyan Animal Care und Verwenden Ausschüsse genehmigt. Es wird empfohlen, dass die Forscher entweder Handschuhe tragen oder entsprechende Vorkehrungen (Händewaschen vor und nach), wenn sich beim Verhaltenstraining mit jedem Versuchstier. Handschuhe sind beim Umgang mit Tieren in Vorbereitung auf und während der Operation getragen werden. 1. Habituation und Lebenseinsch…

Representative Results

Die Ergebnisse aus PMRT Analyse sollte die Anzahl der Pasta Stücke gebrochen und das Muster der erfolgreichen Lauf enthalten. Die Ergebnisse von Mäusen mit sensomotorischen kortikalen Läsionen zeigen, dass ischämischen Insult wirkt sich sowohl auf die Anzahl der erfolgreichen Lauf sowie physikalische Reichweite Muster 3, 19, wie in 3A gezeigt. Repräsentative Musteränderungen können in 3B beobachtet werden. Die Fähigkeit des PMRT gelernt Nichtnutzung Effekte bei Mäuse…

Discussion

Die PMRT stellt eine einfache, quantitative Weg, um Fach Erreichen Leistung bei Mäusen zu beurteilen. Obwohl zeitaufwendig ist, ist es möglich, zuvor unerfahrene Studenten ausgebildet werden, um verlässliche und reproduzierbare Daten mit nur wenigen Trainingseinheiten zu sammeln. Die Aufgabe ist empfindlich genug, um auch leichte Veränderungen in der Maus motorischen Leistungs folgenden ischämischen Insult 3, 13, 15 zu messen, und eine Reihe von Studien zitieren langfristigen Defizite mit einer Vielzahl …

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

  1. 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).
  2. Bucan, M., Abel, T. The mouse: Genetics meets behaviour. Nature Reviews Genetics. 3 (2), 114-123 (2002).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Taub, E. Harnessing brain plasticity through behavioral techniques to produce new treatments in neurorehabilitation. Am. Psychol. 59 (8), 692-704 (2004).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Xu, T., et al. Rapid formation and selective stabilization of synapses for enduring motor memories. Nature. 462 (7275), 915-919 (2009).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. Mathers, C. D., Boerma, T., Fat, D. M. Global and regional causes of death. Br. Med. Bull. 92 (1), 7-32 (2009).
  26. Go, A. S., et al. Heart disease and stroke statistics–2013 update: a report from the American Heart Association. Circulation. 127 (1), (2013).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. 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).
  33. 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).
  34. 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).
  35. 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).

Play Video

Cite This Article
Kerr, A. L., Tennant, K. A. Compensatory Limb Use and Behavioral Assessment of Motor Skill Learning Following Sensorimotor Cortex Injury in a Mouse Model of Ischemic Stroke. J. Vis. Exp. (89), e51602, doi:10.3791/51602 (2014).

View Video