Introductie van Clicker Training als een Cognitive Verrijking voor Laboratory Mice
Summary
The development of new refinement strategies for laboratory mice is a challenging task that contributes towards fulfilling the 3R principle. This protocol introduces clicker training as a cognitive enrichment program for laboratory mice.
Abstract
Establishing new refinement strategies in laboratory animal science is a central goal in fulfilling the requirements of Directive 2010/63/EU. Previous research determined a profound impact of gentle handling protocols on the well-being of laboratory mice. By introducing clicker training to the keeping of mice, not only do we promote the amicable treatment of mice, but we also enable them to experience cognitive enrichment. Clicker training is a form of positive reinforcement training using a conditioned secondary reinforcer, the “click” sound of a clicker, which serves as a time bridge between the strengthened behavior and an upcoming reward. The effective implementation of the clicker training protocol with a cohort of 12 BALB/c inbred mice of each sex proved to be uncomplicated. The mice learned rather quickly when challenged with tasks of the clicker training protocol, and almost all trained mice overcame the challenges they were given (100% of female mice and 83% of male mice). This study has identified that clicker training for mice strongly correlates with reduced fear in the mice during human-mice interactions, as shown by reduced anxiety-related behaviors (e.g., defecation, vocalization, and urination) and fewer depression-like behaviors (e.g., floating). By developing a reliable protocol that can be easily integrated into the daily routine of the keeping of laboratory mice, the lifetime experience of welfare in the mice can be improved substantially.
Introduction
Het ontwikkelen van nieuwe strategieën voor de verfijning laboratoriummuizen is een uitdagende taak die bijdraagt aan de verwezenlijking van de 3 V's (vervanging, vermindering en verfijning) van proefdierkunde 1. Verbeteringen op het gebied van verfijning kan verder bijdragen aan het welzijn van de miljoenen dieren die worden gebruikt voor experimentele doeleinden. Daarom is intensief onderzoek nodig in het veld. Dit is ook een bepaald doel van richtlijn 2010/63 van de Europese Unie. Richtlijn 2010/63 / EU wijst erop dat het lifetime ervaring van proefdieren moet worden verbeterd en dat "bedrijven stelt gewenning en trainingsprogramma's die geschikt zijn voor de dieren, de procedures en de duur van het project" (artikel 3.7) 2.
Proefdieren kunnen ervaren veel stressvolle situaties terwijl ze worden gehouden en gefokt voor experimenten. Meestal is de interactie tussen de arbeidAtory muizen en de verantwoordelijke personen is eerder beperkt. Daarom kan een vertrouwensrelatie niet ontwikkelen. Dit kan toegenomen angst en stress reactie op behandeling, hetgeen nadelig is voor het gedrag en fysiologie, en derhalve het welzijn van de dieren 3, 4, 5, 6 wekken. Bovendien, routinematig uitgevoerd laboratorium procedures, zoals algemene handelingen, terughoudendheid, en bloed of weefsel bemonstering kan stress responsen, die door het meten van verschillende parameters, zoals stress hormonen of het gedrag van 7, 8 kan worden onderzocht veroorzaken. Het is aangetoond dat het hanteren's efficiënt de angst naar de onderzoeker in laboratorium knaagdieren 9, 10, 11 kunnen verlagen. Omgaan met programma's kunnen dan ook het verbeteren van de dieren 'omstandigheden en kon een belangrijke bijdrage leveren aan het welzijn van dieren 5.
Het doel van deze studie is om positieve versterking training voor muizen als een specifieke behandeling programma te introduceren. Positieve bekrachtiging training is een vorm van operante conditionering die de onderzoeker geeft een middel om vorm diergedrag. Als het dier een gewenste gedrag uitvoert, wordt gevolgd door een positieve stimulans (hier, een levensmiddel beloning). De bedoeling is dat de dieren de beloning voor de respectieve gedrag verbindt. Clicker training is een vorm van positieve versterking training met behulp van een geconditioneerde secundaire bekrachtiger, de "klik" geluid van een clicker, en is bewezen dat een specifiek gedrag 12 te versterken.
Meer specifiek, het klikgeluid dient als een "time brug" tussen het gedrag en de komende 13 beloning. De trainer klikt precies wanneer het dier het gewenste presteertgedrag, zonder tijd te vertragen 14, en vervolgens presenteert het eten beloning. Dit versterkt de beloond gedrag, dat wordt uitgevoerd met een hogere frequentie. Clicker training wordt veel gebruikt bij gezelschapsdieren en heeft zijn weg naar proefdierkunde, waar het met succes is uitgevoerd met niet-humane primaten 13, 15, 16 gemaakt. Omdat muizen in plaats van te leren snel wanneer uitgedaagd met operante conditionering paradigma's, zou de invoering van een tweede reinforcer hun cognitieve vermogens 5, 17, 18, 19 niet overspannenheid.
Door de invoering van klikker training om het houden van muizen, muizen in staat stellen we cognitieve verrijking ervaren. Het ontwerp van cognitieve verrijking moet de muizen in staat stellen om hun cognitieve vaardigheden te gebruiken om solve problemen en om controle te krijgen over hun omgeving 20, 21. Verschillende studies met verschillende soorten bewijzen het positieve effect van cognitieve verrijking op het welzijn van dieren in gevangenschap 22, 23, 24. Verbeteren het vermogen van de dieren succesvol omgaan met milieuproblemen bijdraagt aan hun welzijn 25, 26.
Bovendien, als de dieren ervaren lage spanning tijdens hun leven, zijn ze minder gevoelig voor nadelige copingstrategieën bij confrontatie met stressoren die liggen in biomedisch onderzoek. Aldus kan de consequente toepassing van cognitieve verrijking bijdragen tot een homogenisering van de fenotypen proefpersonen. Dit zal bijdragen aan de 3R principe van reductie, omdat het aantal vakken vereist kan verminderenstatistische eisen 27 voldoen.
Door het ontwikkelen van een betrouwbaar protocol dat gemakkelijk in de dagelijkse routine van het houden van het laboratorium muizen kunnen worden geïntegreerd, kunnen we een aanzienlijke verbetering van hun leven ervaring van welzijn.
Protocol
Representative Results
Discussion
De effectieve uitvoering van de clicker training protocol met een cohort van 12 BALB / c inteelt muizen van elk geslacht bleek eenvoudig te zijn. Eerdere studies hebben de effectiviteit van clicker training bevestigd met een aantal soorten, en we uitgebreid dit aan muizen. Omdat muizen zijn de laagste ontwikkelde zoogdieren bij proefdieren, worden hun vaardigheden vaak onderschat. Daarom is de meest verrassende aspect van de gegevens is dat trainingssucces kan worden bereikt met vrijwel alle muizen.
<p class="jove_c…Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by the Translational Animal Research Center of the University Medical Center of the Johannes Gutenberg-University Mainz. The authors are most grateful to Thomas Wacker for his technical support.
Materials
| Lid for open housing | Tecniplast | GM500LID117 | |
| SealSAfe Plus top for open housing | Tecniplast | GM500400SU | |
| Type II long, filter top cages | Tecniplast | GM500PFSPC | |
| Aspen bedding material | Lab & Vet Service GmbH | H0234-300 | Environmental enrichment |
| Red polycarbonate Mouse House | Tecniplast | ACRE011 | Environmental enrichment |
| Tissue papers | Tork, SCA Hygiene Products GmbH | 290179 | Environmental enrichment |
| Food – ssniff M-H Extrudat | ssniff | V1126-000 | ad libitum |
| Target Stick with Clicker | Trixie | 2282 | |
| PVC Tube (Tunnels) | Thyssen Krupp | RTPVCU04003005 | |
| White Chocolate/ white chocolate cream | Company doesn't matter, preferable organic quality | ||
| Forceps | FineScienceTools | e.g. 11150-10 | Or any other tool to fixate chocolate |
| Prism Version 6.0 for Windows | GraphPad Software |
References
- Russell, W. M. S., Burch, R. L. . The Principles of Humane Experimental Technique. , 25-27 (1959).
- European Commission. Directive 2010/63/EU of the European Parliament and of the Council of 22 September 2010 on the protection of animals used for scientific purposes. Official Journal of the European Union. , (2010).
- Balcombe, J. P., Barnard, N. D., Sandusky, C. Laboratory routines cause animal stress. Contemporary topics in laboratory animal science / American Association for Laboratory Animal Science. 43 (6), 42-51 (2004).
- Meijer, M. K., Sommer, R., Spruijt, B. M., van Zutphen, L. F. M., Baumans, V. Influence of environmental enrichment and handling on the acute stress response in individually housed mice. Laboratory animals. 41 (2), 161-173 (2007).
- Gouveia, K., Hurst, J. L. Reducing mouse anxiety during handling: effect of experience with handling tunnels. PloS one. 8 (6), e66401 (2013).
- Meaney, M. J., Diorio, J., et al. Early environmental regulation of forebrain glucocorticoid receptor gene expression: implications for adrenocortical responses to stress. Developmental neuroscience. 18 (1-2), 49-72 (1996).
- Gärtner, K., Büttner, D., Döhler, K., Friedel, R., Lindena, J., Trautschold, I. Stress response of rats to handling and experimental procedures. Laboratory animals. 14 (3), 267-274 (1980).
- Izumi, J., Hayashi-kuwabara, Y. U., Yoshinaga, K., Tanaka, Y., Ikeda, Y. Evidence for a Depressive-like State Induced by Repeated Saline Injections in Fischer 344 Rats. Nature. 57 (4), 883-888 (1997).
- Fridgeirsdottir, G. A., Hillered, L., Clausen, F. Escalated handling of young C57BL/6 mice results in altered Morris water maze performance. Upsala journal of medical sciences. 119 (1), 1-9 (2014).
- Heredia, L., Torrente, M., Domingo, J. L., Colomina, M. T. Individual housing and handling procedures modify anxiety levels of Tg2576 mice assessed in the zero maze test. Physiology and Behavior. 107 (2), 187-191 (2012).
- Maurer, B. M., Döring, D., Scheipl, F., Küchenhoff, H., Erhard, M. H. Effects of a gentling programme on the behaviour of laboratory rats towards humans. Applied Animal Behaviour Science. 114 (3-4), 554-571 (2008).
- Skinner, B. F. How to Teach Animals. Scientific American. 185, 26-29 (1951).
- Bailey, R. E., Gillaspy, J. A. Operant psychology goes to the fair: Marian and Keller Breland in the popular press, 1947-1966. The Behavior Analyst. 28 (2), 143-159 (2005).
- McGreevy, P. D., Boakes, R. A. . Carrots and sticks: principles of animal training. , (2007).
- Gillis, T. E., Janes, A. C., Kaufman, M. J. Positive reinforcement training in squirrel monkeys using clicker training. American journal of primatology. 74 (8), 712-720 (2012).
- Schapiro, S. J., Bloomsmith, M. A., Laule, G. E. Positive reinforcement training as a technique to alter nonhuman primate behavior: quantitative assessments of effectiveness. Journal of applied animal welfare science: JAAWS. 6 (3), 175-187 (2003).
- Martin, L., Iceberg, E. Quantifying Social Motivation in Mice Using Operant Conditioning. Journal of visualized experiments : JoVE. (102), e53009 (2015).
- Sclafani, A., Ackroff, K. Operant licking for intragastric sugar infusions: Differential reinforcing actions of glucose, sucrose and fructose in mice. Physiology and Behavior. , 115-124 (2016).
- Bathellier, B., Tee, S. P., Hrovat, C., Rumpel, S. A multiplicative reinforcement learning model capturing learning dynamics and interindividual variability in mice. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (49), 19950-19955 (2013).
- Clark, F. E. . Can cognitive challenge enhance the psychological well-being of large-brained mammals in zoos? [unpublished doctoral thesis]. , (1999).
- Shettleworth, S. J., et al. . Cognition, evolution, and behavior. , (2010).
- Hagen, K., Broom, D. M. Emotional reactions to learning in cattle. Applied Animal Behaviour Science. 85 (3-4), 203-213 (2004).
- Ernst, K., Puppe, B., Schön, P., Manteuffel, G. A complex automatic feeding system for pigs aimed to induce successful behavioural coping by cognitive adaptation. Applied Animal Behaviour Science. 91, 205-281 (2005).
- Puppe, B., Ernst, K., Schn, P. C., Manteuffel, G. Cognitive enrichment affects behavioural reactivity in domestic pigs. Applied Animal Behaviour Science. 105 (1-3), 75-86 (2007).
- Zebunke, M., Puppe, B., Langbein, J. Effects of cognitive enrichment on behavioural and physiological reactions of pigs. Physiology and Behavior. 118, 70-79 (2013).
- Manteuffel, G., Langbein, J., Puppe, B. Increasing farm animal welfare by positively motivated instrumental behaviour. Applied Animal Behaviour Science. 118 (3-4), 191-198 (2009).
- Bayne, K., Würbel, H. The impact of environmental enrichment on the outcome variability and scientific validity of laboratory animal studies. Science Direct. 33 (1), 273-280 (2014).
- Hurst, J. L., West, R. S. Taming anxiety in laboratory mice. Nature Methods. 7 (10), 825-826 (2010).
- Crawley, J. N. . What’s Wrong With My Mouse?. , (2007).
- Loos, M., Koopmans, B., et al. Within-strain variation in behavior differs consistently between common inbred strains of mice. Mammalian genome : official journal of the International Mammalian Genome Society. 26 (7-8), 348-354 (2015).
- Seibenhener, M. L., Wooten, M. C. Use of the Open Field Maze to Measure Locomotor and Anxiety-like Behavior in Mice. Journal of visualized experiments : JoVE. (96), e1-e6 (2015).
- Can, A., Dao, D. T., Arad, M., Terrillion, C. E., Piantadosi, S. C., Gould, T. D. The Mouse Forced Swim Test. Journal of Visualized Experiments. , 4-8 (2011).
- Clayton, L. A., Tynes, V. V. Keeping the Exotic Pet Mentally Healthy. Veterinary Clinics of North America: Exotic Animal Practice. 18 (2), 187-195 (2015).
- Ward, S. J., Melfi, V. The implications of husbandry training on zoo animal response rates. Applied Animal Behaviour Science. 147 (1-2), 179-185 (2013).
