جمع البيانات السلوكية للفئران ذاتية لتوصيف العجز بعد السكتة الدماغية
Summary
يتم تقديم نظام للحصول على البيانات من جلسات السلوك الفردي التي بدأت ذاتيا داخل إعداد قفص مستعمرة اجتماعية. يتم إثبات فعالية هذا النظام باستخدام تقييم الوصول الآلي الماهر ، مما يتيح توصيف الإعاقات الحركية بعد السكتة الدماغية ، والتغيرات السلوكية المحتملة المتعلقة بالتحفيز ، والاختلافات اليومية ، وغيرها من المتغيرات التابعة المبتكرة.
Abstract
كثيرا ما يستخدم الاختبار السلوكي في نماذج الفئران لأغراض متنوعة ، بما في ذلك البحوث النفسية والطبية الحيوية والسلوكية. تتضمن العديد من الأساليب التقليدية جلسات اختبار فردية فردية بين باحث واحد وكل في التجربة. يمكن أن يستغرق هذا الإعداد وقتا طويلا جدا للباحث ، وقد يؤثر وجوده على البيانات السلوكية بطرق غير مرغوب فيها. بالإضافة إلى ذلك ، يفرض القفص التقليدي لأبحاث الفئران نقصا في الإثراء والتمرين والتنشئة الاجتماعية التي عادة ما تكون نموذجية للأنواع ، وقد يؤدي هذا السياق أيضا إلى تحريف نتائج البيانات السلوكية. قد يكون التغلب على هذه القيود مفيدا للعديد من التطبيقات البحثية ، بما في ذلك دراسة إصابات الدماغ المكتسبة. هنا ، يتم تقديم مثال على طريقة لتدريب واختبار سلوك الفئران الفردية تلقائيا في قفص مستعمرة دون وجود البشر. يمكن استخدام تحديد الترددات اللاسلكية لتخصيص الجلسات للفأر الفردي. حدث التحقق من صحة هذا النظام في سياق مثال قياس الأداء الحركي الماهر للأطراف الأمامية قبل وبعد السكتة الدماغية. يتم قياس الخصائص التقليدية للإعاقات السلوكية بعد السكتة الدماغية والتدابير الجديدة التي يتيحها النظام ، بما في ذلك معدل النجاح ، والجوانب المختلفة لقوة السحب ، وتحليل النوبة ، ومعدل البدء وأنماطه ، ومدة الجلسة ، وأنماط الساعة البيولوجية. يمكن جمع هذه المتغيرات تلقائيا مع بعض القيود. على الرغم من أن الجهاز يزيل التحكم التجريبي في التعرض والتوقيت والممارسة ، إلا أن التحقق من الصحة أنتج اتساقا معقولا في هذه المتغيرات من إلى.
Introduction
يعد التدريب السلوكي والاختبار باستخدام نماذج الفئران مهمين في مجالات بحثية لا حصر لها ، من استكشاف العمليات المعرفية إلى حالات المرض والمزيد1. عادة ، يتم إجراء هذا التدريب والاختبار مع فردية في جلسات فردية ، حيث يقوم الباحث بإزالة يدويا من قفصه المنزلي ووضعه مؤقتا في نوع من الأجهزة. لسوء الحظ ، هناك العديد من الصعوبات والقيود مع هذا النهج. أولا ، يمكن أن يستغرق الاختبار السلوكي وقتا طويلا للباحثين ، وعندما يكون التدريب ضروريا ، يصبح هذا الوقت مطلوبا أكبر. ثانيا، يؤثر هذا النهج تلقائيا على البيانات المكتسبة – أو حتى يحتمل أن يربكها، كما تم تحديده في مكان آخر2. وتبرز هذه الارتباك بشكل خاص عند النظر في المتغيرات المتصلة بالتخصيب. على وجه التحديد ، يتم وضع الفئران المختبرية تقليديا في أقفاص صغيرة كبيرة بما يكفي لفأر واحد أو اثنين3 ، وإذا لم يتم توفير عجلات الجري ، فقد تمضي مدى الحياة دون فرص ذات مغزى لممارسة الرياضة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يكون السكن المعزول مصدرا رئيسيا للتوتر في الأنواع الاجتماعية مثل الفئران4. من المحتمل أن تؤثر بعض هذه العيوب المتعلقة بالرفاهية على فسيولوجيا الفئران 5,6 ، والتي قد تستبق تطور التعبير السلوكي النموذجي للأنواع4 وتؤثر على جودة نماذج القوارض كما هو مطبق على السياقات البشرية.
اتبع الباحثون عدة أنواع من الحلول لهذه المشاكل في السنوات الأخيرة. كان أبسط نوع من الحلول هو أتمتة الاختبارات السلوكية والتدريب7،8،9،10 ، وبالتالي إزالة شرط وجود باحث واحد لحضور واحد. كان الحل الإضافي هو أتمتة نقل إلى غرف التجارب11,12 ، مما يزيد من الحاجة إلى المشاركة البشرية. أخيرا ، تم استكشاف العديد من الإعدادات التي تسمح بإيواء في أقفاص مستعمرة مع أخرى مع مساحة أكبر للاستكشاف والإثراء13. على الرغم من هذه المزايا ، يمكن لإعدادات المستعمرات هذه أن تحد أو تعقد الجهود المبذولة لجمع البيانات السلوكية المتباينة بشكل فردي (على الرغم من رؤية الجهود المبذولة لاستخدام رؤية الكمبيوتر)14,15. إذا كانت البيانات السلوكية الفردية مطلوبة ، فقد يكون من الصعب أو المعقد تحديد واستعادتها من أقفاص المستعمرة للجلسات السلوكية أيضا. في الوقت الحاضر ، يوجد عدد قليل من الأنظمة لجمع البيانات السلوكية الفردية من مستعمرة (مخصبة) تضم16،17،18.
قد تؤثر هذه العيوب بشكل خاص على الأبحاث حول الآثار السلوكية لإصابات الدماغ المكتسبة. أولا ، من الواضح أن وجود و / أو جنس البشر وكذلك ممارسات المناولة تؤثر على سلوك القوارض 2,19 ، وقد تؤثر هذه المتغيرات بشكل مختلف على سلوك الفئران من قبل مقابل. بعد السكتة الدماغية. ثانيا ، يمكن أن تتفاقم النتائج السلوكية البشرية بعد السكتة الدماغية عن طريق الانخفاض الطوعي في المشاركة مع الجرعة الموصى بها من تمارين إعادة التأهيل20. في الوقت الحالي ، تميل تجارب القوارض إلى عدم نمذجة هذا النوع من السياق ، لأن الفئران ليست حرة في اختيار المشاركة أو الامتناع عن الجلسات السلوكية.
تقدم هذه المقالة بروتوكولا مصمما لتسهيل الاختبار السلوكي الفردي في إطار أقفاص المستعمرة المخصبة. ولا يعالج هذا النهج القيود التي تفرضها الممارسات الحالية فحسب، بل يفتح أيضا سبلا لاستكشاف تدابير مبتكرة. تم تطوير باب دوار واحد (ORT) ويمكن تثبيته على قفص مستعمرة ، مما يمكن من دخول الغرف السلوكية بشكل مستقل وبدء جلسات التدريب والاختبار الخاصة بها. النظام ميسور التكلفة. يمكن تجميع كل ORT بتكلفة منخفضة (نظرا للوصول إلى طابعة 3D). في الماضي ، تم التحقق من صحة هذا النظام باستخدام غرفة عاملة أساسية ، مما يدل على أنه يمكن تدريب باستمرار على أداء مكبس رافعة فعال بسيط دون وجود مجرب16. ومع ذلك ، فإن مسألة ما إذا كان هذا التكوين قابلا للتطبيق على سيناريوهات أخرى لا تزال دون حل. الهدف هو التحقق من فعالية إعداد قفص مستعمرة ORT ، الذي تم إنشاؤه مسبقا ، لتدريب وقياس سلوك الوصول الماهر ذي الصلة بالضعف الحركي بعد السكتة الدماغية. تم استخدام التكوين لإنشاء متغيرات جديدة لا يتم استكشافها عادة في أبحاث السكتة الدماغية. تتضمن هذه المتغيرات مقاييس الأداء لمهمة الوصول الماهر وقياسات البدء الذاتي ، والتي يمكن أن تكون ذات صلة بالتحفيز واتخاذ القرار. علاوة على ذلك ، تم اكتشاف التغييرات الناجمة عن السكتة الدماغية في أنماط الساعة البيولوجية للبدء الذاتي اليومي عبر فترة 24 ساعة بأكملها بشكل فعال.
Protocol
Representative Results
Discussion
هذا البروتوكول له استخدامات متعددة. أولا ، وعلى نطاق أوسع ، تم تطوير ORT لغرض تمكين التدريب السلوكي الآلي لموضوع واحد وجمع البيانات في سياق الإسكان الاجتماعي المثري. بينما اختبرت هذه الدراسة فكرة جمع المقاييس السلوكية النموذجية وتفصيلها في سياق السكتة الدماغية ، يمكن فعل الشيء نفسه بالنسب…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم تمويل هذا العمل جزئيا من قبل وقف بياتريس إتش باريت للأبحاث حول العلاقات العصبية العاملة لجامعة شمال تكساس (UNT). نحن ممتنون لمدخلات ومساعدة جميع أعضاء مختبر المرونة العصبية والإصلاح ، وخاصة فاليري روخاس وماري كيت مور وكاميرون سكالون وهانا ماكجي.
Materials
| 3D printer | Consult with local makerspace | ||
| bolt | Boltdepot | 1346 | 6-32 or 8-32 by 0.5" |
| bolt | Boltdepot | 1348 | 6-32 or 8-32 by 0.75" |
| door hinge | XJS (Amazon) | 43398-16234 | 1" cabinet stainless steel door hinge set; Optional (if "perfect hinge" is not printed) |
| drill | Any electric drill works | ||
| extension spring | Nieko (Amazon) | 50456A | Choose and adjust spring based on ORT sized and desired tension |
| granulated sugar | |||
| lock nuts | Boltdepot | 2551 | 6-32 or 8-32 |
| measuring tape | |||
| microcontroller | Arduino | A000066 | Arduino Uno |
| microswitch | Sparkfun | KW4-Z5F | mini microswitch (SPDT-roller lever) |
| One Rat Turnstile (ORT) | Vulintus | Contact company to request quote if not self-assembling | |
| Operant Chambers as desired for behavioral assessment: For this experiment we used automated isometric pull chambers from Vulintus | Vulintus | No cat #: contact Vulintus | Contact Vulintus for quote |
| PLA filament | OVERTURE (Amazon) | UK-MATTEPLA17511 | |
| plexiglass | Lesnlok (Amazon) | B09P74K7BR | clear, 1/8" thickness, Cut to size |
| plexiglass cutter | |||
| python program | Python Software Foundation | software available on request | |
| RFID reader | Priority 1 Design | RFIDRW-E-USB | With antenna |
| RFID tag | Unified Information Devices | UC-1485-10 | |
| rod | Boltdepot | 23632 | cut to > 3.5" |
| Rotary tool | Used to bore hole in apparatus and colony caging for ORT; any hardware usable | ||
| sand paper | HSYMQ (Amazon) | TOMPOL-1118-1915-11 | |
| socket wrench set | Any socket wrench set works | ||
| soldering iron | |||
| super glue | 234790 | ||
| wire | Plusivo (Amazon) | EAN0721248989789 |
References
- Whishaw, I. Q., Kolb, B. . The behavior of the laboratory rat: A handbook with tests. , (2004).
- Sorge, R. E., et al. Olfactory exposure to males, including men, causes stress and related analgesia in rodents. Nature Methods. 11 (6), 629-632 (2014).
- Ottesen, J. L., Weber, A., Gürtler, H., Mikkelsen, L. F. New housing conditions: Improving the welfare of experimental animals. Alternatives to Laboratory Animals. 32 (Suppl 1B), 397-404 (2004).
- Arakawa, H. Ethological approach to social isolation effects in behavioral studies of laboratory rodents. Behavioural Brain Research. 341, 98-108 (2018).
- Simpson, J., Kelly, J. P. The impact of environmental enrichment in laboratory rats-behavioural and neurochemical aspects. Behavioural Brain Research. 222 (1), 246-264 (2011).
- Van Praag, H., Kempermann, G., Gage, F. H. Neural consequences of enviromental enrichment. Nature Reviews Neuroscience. 1 (3), 191-198 (2000).
- Hays, S. A., et al. The isometric pull task: A novel automated method for quantifying forelimb force generation in rats. Journal of Neuroscience Methods. 212 (2), 329-337 (2013).
- Wong, C. C., Ramanathan, D. S., Gulati, T., Won, S. J., Ganguly, K. An automated behavioral box to assess forelimb function in rats. Journal of Neuroscience Methods. 246, 30-37 (2015).
- Sindhurakar, A., Butensky, S. D., Carmel, J. B. Automated forelimb tasks for rodents: Current advantages and limitations, and future promise. Neurorehabilitation and Neural Repair. 33 (7), 503-512 (2019).
- Sindhurakar, A., et al. An automated test of rat forelimb supination quantifies motor function loss and recovery after corticospinal injury. Neurorehabilitation and Neural Repair. 31 (2), 122-132 (2017).
- Gallistel, C., et al. Screening for learning and memory mutations: A new approach. Acta psychologica Sinica. 42 (1), 138 (2010).
- Fenrich, K. K., et al. Improved single pellet grasping using automated ad libitum full-time training robot. Behavioural Brain Research. 281, 137-148 (2015).
- Brenneis, C., et al. Automated tracking of motion and body weight for objective monitoring of rats in colony housing. Journal of the American Association for Laboratory Animal Science. 56 (1), 18-31 (2017).
- Pereira, T. D., et al. Sleap: A deep learning system for multi-animal pose tracking. Nature Methods. 19 (4), 486-495 (2022).
- Lauer, J., et al. Multi-animal pose estimation, identification and tracking with deeplabcut. Nature Methods. 19 (4), 496-504 (2022).
- Butcher, G., et al. An apparatus for automatically training and collecting individualized behavioral data with socially housed rodents. Journal of Neuroscience Methods. 365, 109387 (2022).
- Winter, Y., Schaefers, A. T. A sorting system with automated gates permits individual operant experiments with mice from a social home cage. Journal of Neuroscience Methods. 196 (2), 276-280 (2011).
- Rivalan, M., Munawar, H., Fuchs, A., Winter, Y. An automated, experimenter-free method for the standardised, operant cognitive testing of rats. PLOS One. 12 (1), e0169476 (2017).
- Deacon, R. M. Housing, husbandry and handling of rodents for behavioral experiments. Nature Protocols. 1 (2), 936-946 (2006).
- Lang, C. E., Lohse, K. R., Birkenmeier, R. L. Dose and timing in neurorehabilitation: Prescribing motor therapy after stroke. Current Opinion in Neurology. 28 (6), 549 (2015).
- Butcher, G., Becker, A., Davidson, A., Baltazar, M., Armshaw, J., Cruz, S. Inventing a supercage for rats. , (2019).
- Davidson, A., et al. Engineering an enriched environment operant chamber and its implications. , (2019).
- Windle, V., et al. An analysis of four different methods of producing focal cerebral ischemia with endothelin-1 in the rat. Experimental Neurology. 201 (2), 324-334 (2006).
- Reppucci, C. J., Veenema, A. H. The social versus food preference test: A behavioral paradigm for studying competing motivated behaviors in rodents. MethodsX. 7, 101119 (2020).
- Borland, J. M., et al. A novel operant task to assess social reward and motivation in rodents. Journal of Neuroscience Methods. 287, 80-88 (2017).
- Tzschentke, T. M. Review on cpp: Measuring reward with the conditioned place preference (cpp) paradigm: Update of the last decade. Addiction Biology. 12 (3-4), 227-462 (2007).
- Salamone, J. D., Correa, M. Neurobiology and pharmacology of activational and effort-related aspects of motivation: Rodent studies. Current Opinion in Behavioral Sciences. 22, 114-120 (2018).
- Shull, R. L. Bouts, changeovers, and units of operant behavior. European Journal of Behavior Analysis. 12 (1), 49-72 (2011).
- Gottlieb, E., et al. The bidirectional impact of sleep and circadian rhythm dysfunction in human ischaemic stroke: A systematic review. Sleep Medicine Reviews. 45, 54-69 (2019).
- Lo, E. H., et al. Circadian biology and stroke. Stroke. 52 (6), 2180-2190 (2021).
- Meng, H., Liu, T., Borjigin, J., Wang, M. M. Ischemic stroke destabilizes circadian rhythms. Journal of Circadian Rhythms. 6 (1), 1-13 (2008).
- Stern, R. A., Bachman, D. L. Depressive symptoms following stroke. The American Journal of Psychiatry. 148 (3), 351-356 (1991).
- Rapolienė, J., Endzelytė, E., Jasevičienė, I., Savickas, R. Stroke patients motivation influence on the effectiveness of occupational therapy. Rehabilitation Research and Practice. 2018, (2018).
- Robinson, R. G., Jorge, R. E. Post-stroke depression: A review. American Journal of Psychiatry. 173 (3), 221-231 (2016).
- Faraji, J., et al. Sex-specific stress and biobehavioral responses to human experimenters in rats. Frontiers in Neuroscience. 16, 965500 (2022).
