L'introduzione di Clicker Training come un arricchimento conoscitivo per topi di laboratorio
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
Lo sviluppo di nuove strategie di affinamento per i topi di laboratorio è un compito impegnativo che contribuisce alla realizzazione delle 3R (sostituzione, riduzione e perfezionamento) della scienza degli animali da laboratorio 1. I miglioramenti nel settore della raffinazione possono ulteriormente contribuire al benessere dei milioni di animali che vengono utilizzati per scopi sperimentali. Pertanto, ricerca intensiva è necessaria nel settore. Questo è anche un obiettivo definito di direttiva 2010/63 dell'Unione Europea. Direttiva 2010/63 / UE sottolinea che l'esperienza di vita degli animali da laboratorio deve essere migliorato e che "gli stabilimenti devono istituire un programma di adattamento e addestramento adeguati agli animali, le procedure e la lunghezza del progetto" (articolo 3.7) 2.
Animali da laboratorio possono sperimentare molte situazioni di stress mentre vengono tenuti e allevati per esperimenti. Solitamente, l'interazione tra la manodoperatopi Atory e le persone responsabili è piuttosto limitata. Pertanto, un rapporto di fiducia non può svilupparsi. Questo può suscitare maggiore ansia e stress in reazione al trattamento, che è dannoso per il comportamento e fisiologia, e quindi, il benessere degli animali di 3, 4, 5, 6. Inoltre, routine eseguito le procedure di laboratorio, come la gestione generale, moderazione, e il sangue o il prelievo dei tessuti può provocare risposte allo stress, che possono essere esaminati misurando diversi parametri, come gli ormoni o comportamenti 7, 8 stress. E 'stato dimostrato che i programmi di trattamento possono efficacemente diminuire l'ansia verso il ricercatore in roditori da laboratorio 9, 10, 11. programmi di movimentazione può quindi migliorare gli animali 'condizioni e potrebbero contribuire notevolmente al benessere degli animali 5.
L'obiettivo di questo studio è quello di introdurre la formazione rinforzo positivo per i topi, come un programma di gestione specifica. formazione rinforzo positivo è una forma di condizionamento operante, che dà al ricercatore un mezzo per plasmare il comportamento degli animali. Quando l'animale esegue un comportamento desiderato, è seguito da uno stimolo positivo (qui, un premio alimentare). L'intenzione è che l'animale collega il premio al rispettivo comportamento. Il clicker training è una forma di formazione rinforzo positivo con un rinforzo secondario condizionata, il "click" suono di un clicker, ed è stato dimostrato per rafforzare uno specifico comportamento 12.
Più in particolare, il suono del click funge da "ponte di tempo" tra il comportamento e il prossimo premio 13. Il trainer scatta proprio quando l'animale esegue la desideratacomportamento, senza alcun tempo di ritardo 14, e quindi presenta la ricompensa cibo. Questo rafforza il comportamento premiati, che sarà eseguita con una frequenza più alta. Il clicker training è ampiamente usato con gli animali da compagnia e si è fatto strada nella scienza degli animali da laboratorio, dove è stato implementato con successo con i primati non umani 13, 15, 16. Come i topi imparano piuttosto rapidamente quando provocati con paradigmi condizionamento operante, l'introduzione di un secondo rinforzo non deve affaticare le loro capacità cognitive 5, 17, 18, 19.
Con l'introduzione di clicker training per la tenuta dei topi, permettiamo ai topi per sperimentare l'arricchimento cognitivo. La progettazione di arricchimento conoscitivo deve consentire i topi di utilizzare le loro capacità cognitive per solve problemi e per ottenere il controllo sul proprio ambiente di 20, 21. Diversi studi con diverse specie dimostrano l'impatto positivo di arricchimento conoscitivo sul benessere degli animali in cattività 22, 23, 24. Migliorare la capacità degli animali di affrontare con successo le sfide ambientali contribuisce al loro benessere 25, 26.
Inoltre, se gli animali sperimentano bassi livelli di stress durante la loro vita, sono meno inclini a sviluppare strategie di coping dannosi quando si confronta con fattori di stress che si verificano nella ricerca biomedica. Così, l'attuazione coerente di arricchimento conoscitivo può contribuire ad una omogeneizzazione dei fenotipi dei soggetti. Ciò contribuirà al principio 3R di riduzione, si può ridurre il numero di soggetti richiesteper soddisfare i requisiti statistici 27.
Con lo sviluppo di un protocollo affidabile che può essere facilmente integrato nella routine quotidiana di mantenere topi di laboratorio, siamo in grado di migliorare sostanzialmente la loro esperienza di vita di benessere.
Protocol
Representative Results
Discussion
L'effettiva attuazione del protocollo di clicker training con una coorte di 12 BALB / c topi inbred di ogni sesso ha dimostrato di essere semplice. Precedenti studi hanno confermato l'efficacia del clicker training con diverse specie, e abbiamo esteso questo per topi. Poiché i topi sono i mammiferi più bassi sviluppati tra gli animali da laboratorio, le loro capacità sono spesso sottovalutati. Pertanto, l'aspetto più sorprendente di dati è che successo addestramento potrebbe essere realizzato con quasi …
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).
