Compenserende Limb Gebruik en Behavioral Assessment of Motor Skill Learning Na Sensorimotor Cortex Letselschade in een muismodel van ischemische beroerte
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
Muismodellen zijn steeds populairder geworden op het gebied van gedrags-neurowetenschappen, en specifiek in studies van experimentele beroerte. Als modellen vooraf is het belangrijk om gevoelige gedragsmaatregelen specifiek voor de muis ontwikkelen. Het huidige protocol beschrijft een ervaren motorische taak voor gebruik in muismodellen van een beroerte. De Pasta Matrix bereiken Task functioneert als een veelzijdige en gevoelige gedrags test die onderzoekers toelaat om nauwkeurige uitkomst gegevens te verzamelen en te manipuleren ledemaat gebruiken om menselijke klinische verschijnselen inclusief compenserende strategieën (dwz, leerde niet-gebruik) en gerichte revalidatie training na te bootsen. In combinatie met neuroanatomisch gereedschappen, deze taak maakt ook onderzoekers om de mechanismen die gedragsmatige herstel van de functie (of het ontbreken daarvan) te ondersteunen na slag te verkennen. De taak is zowel eenvoudig en betaalbaar te stellen en het gedrag, biedt een verscheidenheid aan trainingen en testen opties voor tal van onderzoeksvragen inzake functional uitkomst na letsel. Hoewel de taak is toegepast muismodellen van een beroerte, kan het ook nuttig in studies van functioneel resultaat van andere bovenste extremiteit letsels modellen.
Introduction
Muismodellen zijn steeds populairder geworden voor experimentele slagonderzoek mede door hun gemak en betaalbaarheid, alsmede de beschikbaarheid van transgene lijnen die geschikt zijn voor in vivo beeldvorming onder andere toepassingen. Met deze toegenomen populariteit in experimentele modellen, de interesse in het ontwikkelen gevoelige gedrags evaluaties van het functioneel resultaat na verwonding is ook toegenomen 1-7. De ontwikkeling van dierlijke trainingsprotocollen die zowel herstel en compensatoire strategieën die door menselijke slagoverlevenden nabootsen verbetert het vermogen om met succes bevindingen vertalen van dierproeven voor gebruik in de kliniek 8. Motorische vaardigheidstraining op de Pasta Matrix bereiken Task (PMRT) is eerder opgericht als een gevoelige gedragsmatige beoordeling van motorische uitkomst na ischemie van de sensomotorische cortex 3.
Een van de primair belangs in een beroerte onderzoek betreft herstel en de ontwikkeling en het begrip van gedrags-strategieën die verbeterde herstel van functie te bevorderen na belediging. Momenteel rehabilitatiestrategieën bij mensen leiden tot onvolledige herstel 8. Bovendien moet revalidatietherapeuten compenserende strategieën die slagoverlevenden ontwikkelen tijdens het herstel dat hun vermogen om volledig herwinnen functie van hun aangedane ledemaat (s) kunnen ondermijnen bestrijden. Bijvoorbeeld, na een eenzijdige beroerte die bovenste ledematen beïnvloedt, mensen de neiging om een beroep op hun minder-aangedane been 9, 10 te ontwikkelen. Terwijl het verbeteren van iemands vermogen om te functioneren op de korte termijn, dit niet-gebruik van de aangedane ledemaat geleerd kan het uiteindelijke herstel potentieel belemmeren, zoals aangetoond in diermodellen 11-13. Deze bevindingen bij dieren hebben bijgedragen aan de ontwikkeling en het gebruik van constraint-geïnduceerde bewegingstherapie informeren bij de mens 14. Diermodellen begunstigdenl voor het verbeteren rehabilitatiestrategieën voor onderzoekers die de neurobiologische mechanismen die gebaat verkennen en bevorderen het herstel van de functie. Naast een doeltreffend gedragsbeoordeling post-stroke functie heeft PMRT vastgesteld als een effectieve revalidatie strategie verbeterde functionele uitkomst na sensomotorische beroerte 15 bevorderen. De PMRT kan ook gebruikt worden om effectief na te bootsen geleerd niet-gebruik van de aangedane ledemaat en bieden daarom inzicht in gedrags-manipulaties die functioneel herstel kunnen verbeteren ondanks de aanvankelijke over-afhankelijkheid van de minder getroffen ledemaat 13.
De bouw van de PMRT is eerder 3 beschreven. In het kort wordt het bereiken van kamer bestaande uit vier plexiglas muren (20 cm hoog, 15 cm lang en 8,5 cm breed) met een open boven-en onderkant. Er is een centrale spleet (13 cm lang en 5 mm breed) zich vanaf de bodem basis van de voorwand van de kamer die dientde bereiken diafragma (figuur 1A). De pasta matrix is een heavy-duty kunststof blok (8,5 cm lang, 5 cm breed en 1,5 cm hoog) met 1 mm diameter gaten volledig geboord door de diepte van het blok. Er zijn in totaal 260 holes, beginnend 2 mm van het bereiken van ramen met 2 mm tussen elk gat (Figuur 1B). De pasta matrix is zodanig ontworpen dat droog, verticaal georiënteerde pasta stuks zich door de gehele diepte van de matrix podium met ongeveer de helft van de pasta stuk blootgesteld. Een verwijderbare stuk boven plastic of karton moet op maat worden gesneden en stevig plakband aan de onderkant van de matrix. Dit voorkomt dat de pasta stuks uit kan vallen van de matrix tijdens transport en zorgt voor gemakkelijke verwijdering van gebroken pasta stuks.
De PMRT is een veelzijdige en gevoelige gedrags test die onderzoekers toelaat om nauwkeurige uitkomst gegevens te verzamelen en ledematen te gebruiken om de klinische verschijnselen na te bootsen manipuleren. Als een gedrags-oESULTATEN maatregel de PMRT stelt onderzoekers voor gedragsgegevens die de effectiviteit van een revalidatie strategie dan door de traditionele maatstaf van infarctgrootte 3, 16 betere weerspiegeling verzamelen. Als gedrags manipulatie, de PMRT stelt onderzoekers de bovenste ledematen gebruik bij muizen beheersen Om de klinische ervaringen van de revalidatie (dwz aangedane ledemaat opleiding) of aangeleerd niet-gebruik (dat wil zeggen minder getroffen ledemaat training) na te bootsen. In combinatie met neuroanatomisch methoden, de PMRT biedt onderzoekers de gelegenheid om de mechanismen die gedragsmatige herstel van de functie of maladaptieve plasticiteit ondersteunen volgende compenserende ledemaat gebruik na een beroerte te verkennen. De PMRT kan verder worden toegepast op andere muizenmodellen van hersenletsel en bovenste ledematen stoornis, zoals traumatisch hersenletsel. Een ander voordeel van de PMRT is de betaalbaarheid. De voor de taak apparatuur kan vrij redelijk worden gebouwd in huis, het verzamelen van gegevens doeteen grote hoeveelheid ruimte of financiële middelen nodig, en de taak is eenvoudig genoeg voor studenten om betrouwbare gegevens te verzamelen. Verder is de PMRT is gevoelig voor zelfs kleine gedragstekorten 3, 13. Dit protocol biedt een eenvoudige en effectieve manier om motorische vaardigheden leren mimic geleerd niet-gebruik verschijnselen in een gevestigde muizenmodel van beroerte beoordelen, bevorderen gedragsmatige herstel na letsel, en.
Protocol
Representative Results
Discussion
De PMRT is een eenvoudige, kwantitatieve manier om bekwaam te bereiken prestaties bij muizen te beoordelen. Hoewel tijdrovend, is het mogelijk eerder onervaren studenten worden opgeleid om betrouwbare en reproduceerbare gegevens te verzamelen met slechts enkele trainingen. De taak is gevoelig genoeg om zelfs kleine veranderingen in de muis motorische vaardigheden prestaties na ischemie 3, 13, 15 te meten, en een aantal studies citeren tekorten op lange termijn met een verscheidenheid aan opleidingen protocoll…
Divulgazioni
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 |
Riferimenti
- 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. Neuroscienze. 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).
