Компенсационные Limb Использование и поведенческая оценка двигательных навыков обучения После сенсомоторной коры травмы в мышиной модели ишемического инсульта
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
Мышиные модели становятся все более популярными в области поведенческой неврологии, и в частности, в исследованиях экспериментального инсульта. Как модели заранее, важно развивать чувствительные поведенческие меры, относящиеся к мыши. Настоящий протокол описывает квалифицированный двигательную задачу для использования в моделях мыши инсульта. Паста Матрица Достижение функции задач как универсальный и чувствительной поведенческой анализа, который позволяет экспериментаторам собрать точные данные о результатах лечения и манипулировать использование конечностей, чтобы имитировать клинические явления человека, включая компенсационные стратегий (то есть, узнал неприменение) и сосредоточены реабилитационную подготовку. В сочетании с нейроанатомических инструментов, эта задача также позволяет исследователям для изучения механизмов, которые поддерживают поведенческую восстановление функции (или отсутствие таковых) следующие инсульта. Задача состоит в том, как просто и доступно для установки и поведение, предлагая различные обучения и тестирования возможностей для многочисленных исследовательских вопросах, касающихся фуnctional результат после травмы. Хотя эта задача была применена к мышиных моделях инсульта, оно также может быть полезно при исследовании функционального исхода в других верхних конечностей моделей травмы.
Introduction
Мышиные модели становятся все более популярными для экспериментальных исследований инсульта отчасти из-за их удобства и доступности, а также наличия трансгенных линий, которые подходят для в естественных изображений среди других приложений. При этом рост популярности в экспериментальных моделях, интерес к разработке чувствительных поведенческие оценки функционального исхода после травмы, также увеличилось 1-7. Разработка учебных протоколов животных, которые имитируют как реабилитации и компенсаторные стратегии, используемой выживших человека инсульта улучшает способность успешно перевести выводы из экспериментальных исследованиях на животных для использования в клинике 8. Мотор умение обучение на Паста Matrix Достижение задачи (PMRT) Ранее было установлено, в качестве чувствительного поведенческой оценки двигательных навыков исхода следующей ишемического инсульта сенсомоторной коры 3.
Одним из основной интересс в ход исследований касается реабилитации и развития и понимания поведенческих стратегий, которые способствуют улучшенной восстановление функции после инсульта. В настоящее время стратегии реабилитации в людях привести к неполному 8 восстановления. Кроме того, реабилитационные терапевты должны бороться компенсаторные стратегии, которые перенесших инсульт развития во время восстановления, которые могут подорвать их способность полностью восстановить функцию их пораженной конечности (ы). Например, после одностороннего хода, которая затрагивает работу верхних конечностей, люди имеют тенденцию к развитию зависимость от их менее пораженной конечности 9, 10. При улучшении способности человека функционировать в краткосрочной перспективе это узнал неприменение пораженной конечности может препятствовать своей конечной потенциал восстановления, как показано в животных моделях 11-13. Эти данные на животных помогли проинформировать развитие и использование ограничений, вызванных двигательной терапии у людей 14. Животные модели beneficiaл для улучшения стратегии реабилитации, позволяя исследователям изучить нейробиологические механизмы, которые subserve и способствовать восстановление функции. Помимо того, что эффективная поведенческая оценка функции после инсульта, PMRT была создана в качестве эффективной стратегии реабилитационной способствовать улучшению функционального исхода следующий сенсомоторную инсульт 15. PMRT также может быть использована для эффективной имитировать узнал неприменение пораженной конечности и поэтому предлагаем понимание поведенческих манипуляций, которые могут улучшить функциональное восстановление, несмотря на первоначальный чрезмерной зависимости от менее-пораженной конечности 13.
Строительство PMRT была описана ранее 3. Вкратце, достигнув камера состоит из четырех плексигласа стен (20 см в высоту, 15 см длиной, и шириной 8,5 см) с открытой сверху и снизу. Существует центр щель (13 см высотой и шириной 5 мм), проходящую от нижней базы передней стенке камеры, которая служиткак идущие отверстие (рис. 1А). Паста матрица является пластмассовый блок сверхпрочный (длинный 8,5 см, шириной 5 см и 1,5 см высотой) с отверстиями диаметром 1 мм, просверленные насквозь глубине блока. Есть в общей сложности из 260 отверстий, начиная 2 мм от достигая окна с 2 мм между каждым отверстием (рис. 1В). Паста матрица выполнена таким образом, что сухие, вертикально ориентированные макаронные части проходят через всю глубину стадии матрицы с примерно половину пасты части подвергаются. Съемная часть верхним пластика или картона должны быть сокращены в размере и в записи надежно к нижней стороне матрицы. Это предотвращает пасты кусочки от падения из матрицы во время транспортировки и позволяет для легкого удаления сломанных макаронных штук.
PMRT является универсальным и чувствительной поведенческая анализ, который позволяет экспериментаторам собрать точные данные о результатах лечения и манипулировать использование конечностей имитировать клинические явления. В поведенческой Outcome мера, PMRT позволяет экспериментаторы собрать поведенческую данные, которые более точно отражают эффективность реабилитационной стратегии, чем делает традиционный мера размера инфаркта 3, 16. Как поведенческой манипуляции, PMRT позволяет экспериментаторы контролировать верхнюю использование конечностей у мышей в для того, чтобы имитировать клиническим опытом реабилитации (т.е. пострадавших учебных конечностей) или узнали неиспользуемые (т.е. обучение менее пораженной конечности). В сочетании с нейроанатомических методов, PMRT предоставляет исследователям возможность изучить механизмы, которые поддерживают поведенческую восстановление функции или неадекватного пластичности следующие компенсаторной использования конечностей после инсульта. PMRT можно было бы дополнительно применены к другим мышиных моделей черепно-мозговой травмой и верхней обесценение конечностей, таких как черепно-мозговой травмой. Еще одно преимущество PMRT является его доступность. Оборудование, необходимое для выполнения этой задачи можно построить довольно по умеренной в доме, сбор данных делаетне требуют много места или финансовых ресурсов, и задача достаточно проста для студентов, чтобы надежно сбора данных. Кроме того, PMRT чувствителен к даже небольших нарушений поведения 3, 13. Этот протокол обеспечивает простой и эффективный способ оценки навыков обучения двигателя, поощрять восстановление поведенческой после травмы, и мимические уроки явления неиспользования в установленном мышиной модели инсульта.
Protocol
Representative Results
Discussion
PMRT представляет собой простой, количественный способ оценки квалифицированной идущие производительность у мышей. Хотя много времени, это возможно для ранее неопытные студенты, которые будут обучены собирать надежные и воспроизводимые данные только с несколькими тренировок. Задача д…
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).
