Ce manuscrit décrit une tâche semi-automatisé qui quantifie la supination chez les rats. Des rats atteint, saisir et supination une résonnance sphérique. Le rat est récompensé avec une boulette si l’angle de rotation est supérieure à un critère défini par l’utilisateur. Cette tâche augmente le débit, sensibilité à la blessure et de l’objectivité par rapport aux tâches traditionnelles.
Tâches qui mesurent avec précision dextérité dans des modèles animaux sont essentiels pour comprendre le fonctionnement du main. Tâches comportementales rat qui mesurent la dextérité largement utilisent analyse vidéo de manipulation pour atteindre ou de la nourriture. Ces tâches sont faciles à mettre en œuvre et sont robustes dans l’ensemble de modèles de maladies, mais elles sont subjectives et laborieux pour l’expérimentateur. Automatisation des tâches traditionnelles ou la création de nouvelles tâches automatisées peut faire les tâches plus efficace, objective et quantitative. Étant donné que les rats sont moins agile que les primates, centrales nerveux de lésion du système (CNS) produit plus subtiles déficits en dextérité, cependant, supination est fortement affectée chez les rongeurs et crucial à portée de main fonction chez les primates. Par conséquent, nous avons conçu une tâche semi automatique qui mesure la supination des membres antérieurs chez les rats. Des rats sont formés pour atteindre et saisir une résonnance en forme de bouton et tourner la résonnance en supination pour recevoir une récompense. Des rats peuvent acquérir les compétences au sein de 20 ± 5 jours. Alors que la première partie de la formation est très surveillée, une grande partie de la formation se faite sans supervision directe. La tâche de manière fiable et reproductible capture déficits subtils après une blessure et montre la récupération fonctionnelle qui reflète fidèlement les courbes de la guérison clinique. Analyse des données est réalisée par un logiciel spécialisé via une interface utilisateur graphique qui est conçue pour être intuitive. Nous donnons également des solutions aux problèmes communs rencontrés au cours de la formation et montrent que des corrections mineures aux comportement au début de la formation produisent acquisition fiable de la supination. Ainsi, la tâche de supination bouton fournit une évaluation efficace et quantitative d’un mouvement critique de dextérité chez les rats.
Une perte de dextérité après que lésion du système nerveux ou maladie significativement diminue l’indépendance et la qualité de vie des personnes touchées 1,2,3,4. Ainsi, la dextérité est une mesure de résultat important pour comprendre la science de réparation neuronale et de réhabilitation comme bien les bases du contrôle neural du mouvement et apprentissage moteur. Traditionnellement, les tâches manuelles comme seul granule atteignant, manipulation de pâtes et Irvine, Beatties et échelle de Forelimb Bresnahan (IBB) ont été utilisés pour évaluer la dextérité chez les animaux, notamment les rongeurs 5, 6,7. Ces tâches ont devenu popularisés en raison de leur temps d’acquisition opérationnelle minimale. Cependant, ils sont qualitatifs dans la nature, laborieux pour l’expérimentateur et parfois, insensibles à la déficience fonctionnelle après blessure avec déficits subtils 5,7,8,9. Ces limitations de tâches traditionnelles ont stimulé le développement de plusieurs mesures quantitatives de la fonction motrice chez les animaux, en particulier, des membres antérieurs pour atteindre.
Il y a plusieurs avantages à l’automatisation des tâches, à savoir objectivité, un débit plus élevé et le temps de l’analyse une diminution. Nouvelles tâches automatisés fournissent une mesure plus sensible de l’évaluation de dextérité après une blessure que les tâches classiques 8,10. En outre, ils permettent de formation adaptative et tests qui adapte la formation et les tests de difficulté à la performance de l’animal. Enfin, des tâches automatisées génèrent de grandes quantités de données, qui offrent deux avantages. Tout d’abord, une augmentation en données les deux dans un procès et du nombre d’essais augmente la puissance statistique d’une étude. D’autre part, il donne neuroscientifiques un plus grand ensemble de données permettant d’étudier l’apprentissage moteur, la formation et rémunération plus robuste grâce à l’analyse des données cinétiques et cinématique 11.
Plusieurs groupes ont tenté d’automatiser les tâches traditionnelles. Caméras à haute vitesse peuvent être utilisés pour recueillir des données cinématiques de tâches telles que le culot unique atteignant tâche 12. Alaverdashvili et Wishaw ont utilisé des caméras à grande vitesse de capture de mouvements pour atteindre et d’analyser les mouvements de chiffres à l’aide de logiciel de mesure de mouvement image par image pic Motus 13. Toutefois, ce logiciel n’identifie pas les chiffres à l’aide de la vision par ordinateur, mais exige plutôt l’expérimentateur de numériser les points de mouvement de curseur. En outre, certaines tâches ont été utilisés en conjonction avec les mangeoires et cages pour automatiser les processus de la formation 14,15,16.
Autres groupes ont utilisé des capteurs de force, mais aussi des caméras à haute vitesse pour évaluer les ajustements spatiales et force au forelimb qualifié pour atteindre à l’aide de manipulation de pâtes, tandis que d’autres ont conçu des tâches de capture de mouvements plus complexes 17. Une telle tâche est une tâche de reach et de traction qui utilise un dispositif robotisé de trois-degré de liberté pour capturer le mouvement planaire et rotation de rat de mouvements des membres antérieurs 18. Cela a des avantages à pouvoir mesurer la cinétique des mouvements mais avec une augmentation dans la complexité et le coût.
Ici, nous démontrons une tâche semi-automatisé des membres antérieurs qui mesure la supination rats 8. Supination du membre antérieur est la rotation de la patte de paume à paume vers le haut. Supination est un excellent marqueur de la fonction du faisceau pyramidal et un mouvement cliniquement chez l’être humain qui est requis pour les activités 8,19,20de vie quotidienne. En outre, supination est très sensible aux blessures et l’inactivation, surtout comparé à culot unique atteignant 8. La tâche de la supination, développé en collaboration entre l’Institut de recherche médicale de Burke et l’Université du Texas à Dallas, mesures mouvement de rotation dans le plan horizontal 8,10. Des rats sont placés dans une boîte de comportementale (Figure 1 a) et sont formés à faire trois mouvements (Figure 1 b) : arriver à travers un guichet rectangulaire ; saisir une résonnance sphérique ; supination à un angle désigné.
La tâche de comportement est contrôlée par logiciel sur PC (Figure 1). Le logiciel de commande envoie des instructions à un microcontrôleur qui est connecté à l’auto-positionneur, encodeur optique, conférencier et chargeur. Le microcontrôleur et ses connexions de périphériques sont appelées la boîte du microcontrôleur. Informations coule du codeur optique, au microcontrôleur, alors l’ordinateur et puis de nouveau au microcontrôleur. Si le logiciel de commande a signalé au microcontrôleur que le procès était un succès, le microcontrôleur déclenche la mangeoire pour distribuer une boulette. Au début de chaque session, le logiciel de contrôle transmet les informations de scène au microcontrôleur, qui dirige l’auto-positionneur afin de positionner le bouton à distance définie de l’étape de l’ouverture. L’auto-positionneur peut également être commandé manuellement en utilisant les flèches situées sur l’auto-positionneur. L’encodeur optique enregistre les données à 100Hz et mesures des changements en angle. Toutes les données sont stockées au format binaire.
L’expérimentateur utilise des étapes de formation séquentielle au sein du logiciel pour former le rat de l’accoutumance à la supination à un taux prédéterminé de l’angle et le succès. Au cours de l’accoutumance, la résonnance de bouton est placé à l’intérieur de la fenêtre d’ouverture sans aucun contrepoids. Après une semaine de formation hautement supervisée, le rat, est le bouton associé à une récompense et commence en la tournant de façon indépendante. Une fois que le rat est capable de transformer de façon indépendante, le bouton est rentré à 1,25 cm de 0,25 incréments cm jusqu’à ce que le rat peut tourner indépendamment à 1,25 cm. contrepoids est alors ajouté par incréments de 1 g de la 3 g à 6 g. Automated formation étapes train l’animal à la supination le bouton à 6 g de 75 degrés. Cette phase de formation est en grande partie sans surveillance ; une fois que les rats adoptent la tâche en bonne et due forme (voir ci-dessous), ils continuent de supination correctement. Formation est terminée lorsque les rats supination 75 degrés à un taux de réussite (taux de succès) de 75 % 8. Nous décrivons ici, un protocole d’entraînement typique et présenter des solutions à des problèmes communs que nous avons rencontrées. Nous démontrer la progression des rats représentatifs de réussis ou non via le protocole de formation et montrent que la tâche peut être modifiée pour afficher une impotence fonctionnelle avec des déficits subtils ou plus sévères.
La tâche de supination bouton évalue supination membre antérieur chez le rat à l’aide de méthodes quantitatives et semi-automatisé. Pour atteindre ces points de terminaison, plusieurs paramètres conçus pour la tâche, notamment l’alignement du bouton, la conception de la résonnance et des critères de formation, ont été faits sur plusieurs années. Pour l’alignement du bouton, nous avons expérimenté avec trois différents alignements du bouton en ce qui concerne l’ouverture : à gauche du bouton aligné sur le côté gauche de l’ouverture, le bouton centré dans l’ouverture, et le côté droit du bouton aligné sur le côté droit de l’un perture. Nous nous sommes installés sur le côté droit de la manette étant aligné sur le côté droit de l’ouverture, comme ce produit des rats qui ont été formés dans le plus court laps de temps et qui supination avec des mécanismes de compensation minimales, en particulier, interférence de la patte gauche.
Résonnance Design, nous avons modifié plusieurs fonctionnalités de conception pour maximiser tournage avec la patte avant et Minimisez l’utilisation du corps. En outre, nous avons réduit la difficulté de la tâche à la sévérité du déficit prévu. Après pyramidotomy, supination est le mouvement qui est plus fortement affecté, mais l’atteinte est toujours relativement subtile. Ainsi, nous avons formé les rats à un critère de base plus élevé (75°) pour s’assurer que les déficits importants ont été observés après une blessure. Pour les lésions corticales, qui sont une atteinte plus, seuil de 60 degrés à 7,5 g suffisait à démontrer un déficit significatif après une blessure. Des paramètres supplémentaires qui ont été optimisées grâce à une approche essais-erreurs comprennent l’ouverture de maille, distance de bouton de l’ouverture et la fenêtre de temps pour réaliser un essai concluant.
Il y a certains points critiques tout au long du protocole formation nécessitant une surveillance attentive. Lorsque la formation de base, la méthode de seuillage adaptatif a été utilisée avec succès pour former les rats à 75° 10. Cependant, rat peut plateau à un pic d’angle inférieur à 75° ; le rendement reste le même après 4-5 séances. Pour améliorer les performances, un seuil statique peut être employé. Un seuil statique désigne le seuil reste à un degré, qui est indépendant de la performance de rat, par opposition à un seuil adaptatif qui modifications basées sur les performances récentes. Si le rat des plateaux au cours de la formation adaptative, l’expérimentateur doit passer à un seuil statique. Plage de stades de formation statique de 20 à 70 °, par incréments de 10°. (Stade K28 – K33). Choisir la phase statique basée sur l’angle maximum moyen de rat en 2 sessions précédentes. Par exemple, si le rat est en moyenne de 45°, sélectionnez l’étape statique pour les 50 degrés (K31). Toutes les scènes statiques mis le « Init. Battre. » à 5 °. Au cours de la formation, si le rat perd la motivation, passez manuellement le rat si il supinates proche de, mais pas au-dessus du seuil.
En outre, au cours de l’évaluation de base, environ 5 % des rats régresser 5-10° dans leur angle de supination et 5 à 10 % dans les taux de réussite entre les sessions. Si cela se produit et que le rat ne récupère pas l’angle de pointe moyenne de 75° après 3-4 séances, diminuer la phase statique à 10 degrés d’angle moyen actuel de rat avant de retourner à l’étape 3.5. Il est important de ne pas réintroduire un rat aux stades adaptatifs lorsqu’il a été placé sur les scènes d’entraînement statique.
Il existe certaines limitations à la tâche. Une fois que la position prise incorrecte a été établie, modifier le comportement de préhension (Figure 2) peut être difficile. Ainsi, la correction et le dépistage précoce est important. Pour corriger la portée d’un rat, l’ouverture peut être modifiée par un rétrécissement de la taille de l’ouverture dans la direction horizontale et/ou verticale ; en général, nous tape une lame de verre jusqu’au bord de l’ouverture qui a besoin d’ajustement. Pour la plupart des rats, cela permet d’améliorer leur forme emprise car elle l’oblige à saisir la résonnance d’une manière spécifique. Cela, à son tour, permet d’améliorer leur capacité à correctement supination.
En plus de ce défi, rats peuvent développer des mécanismes compensatoires à la supination. Il s’agit de l’utilisation de la tête à l’aide de la patte antérieure en supination ; abaisser le coude et l’épaule mixte de tourner le bouton ; à l’aide de la patte gauche pour aider à tourner le bouton ou poussez la patte pour atteindre vers le bas. Tous ces comportements peuvent être utilisé pour mener la tâche à bien. Comme mentionné ci-dessus, relative à l’emprise des comportements peuvent être corrigées en manipulant l’ouverture. Des mécanismes de compensation à l’extérieur de l’emprise, toutefois, exigent une participation active par l’expérimentateur pour ne pas récompenser le comportement compensatoire. Après une blessure, nous avons observé des rats prenant plusieurs essais de mettre la patte dans la bonne position avant la supination. Bien que nous n’avons pas analysé les composants de la tâche pourraient contribuer à la perte de la supination, ceux-ci pourraient inclure la perte d’adhérence précise et troubles de modulation de force, parmi de nombreuses possibilités.
La tâche de supination semi-automatisé prend, en moyenne, 20 ± 5 jours pour former les rats à la base, et 25 % des animaux ne peuvent être formés sur la tâche. Contribuer au temps de formation est le fait que nous n’avez pas sélectionné de rats naturellement droit préférentiel, mais au contraire forcer tous les animaux d’utiliser leurs pattes droite que celle qui est commun dans la plupart des essais pour atteindre. Nous n’avons pas essayé à l’aide de préférence de gauche des rats, mais ce serait une intéressante étude exploratoire à pattes de préférence d’abord identifier et former ensuite la patte dominante. Pour tenir compte de ce fait, nous aurions besoin de retourner l’orientation des portes afin que l’ouverture est inversée ; Cela peut être fait facilement.
Par rapport aux tâches traditionnelles comme l’IBB ou arriver à culot unique, la tâche de supination quantitativement et objectivement mesure atteignant des membres antérieurs. Il montre la sensibilité à des blessures graves (lésion corticale) et blessures subtiles (pyramidotomy), et la procédure de formation peut être modifiée selon la gravité du modèle des blessures. Parce qu’il est semi-automatique, la tâche permet à l’expérimentateur de former plusieurs rats simultanément, selon le stade de formation. Ceci améliore grandement la productivité de l’expérimentateur et le débit de rat. La tâche est fiable et reproductible, entre les rats. En créant un guide de dépannage (Figure 2) pour les expérimentateurs désigner durant le protocole de formation, nous avons standardisé plusieurs comportements incorrects, ainsi que des solutions pour les résoudre. Enfin, la tâche offre un moyen intuitif pour analyser de grandes quantités de données et l’expérimentateur du donne la possibilité d’approfondir la cinétique de la supination.
À l’avenir, nous allons utiliser la tâche de supination semi-automatique comme plate-forme pour évaluer le type, la dose et moment de la remise en état. Notre laboratoire s’intéresse aux effets de la stimulation sur l’amélioration fonctionnelle après une blessure. En outre, nous nous intéressons à comment les thérapies qui stimulent les neurones réparer ou améliorer la conduction neurale et communication peut affecter la remise en état. Nous avons également intérêt à modifier la tâche pour être compatible avec l’électrophysiologie afin que nous pouvons étudier l’apprentissage moteur ; rats avec têtecasquettes systématiquement effectuent la tâche, et ajout d’un commutateur pour l’enregistrement ou la stimulation serait simple à faire. La tâche, comme décrit, est pour les rats, mais il y a aussi des laboratoires d’expérimenter en utilisant la souris pour la tâche. En général, cette tâche peut être utilisée pour évaluer la fonction des membres antérieurs chez les rongeurs dans une grande variété de modèles de lésion et états pathologiques et à son tour, pour l’évaluation des stratégies de réadaptation. Aller de l’avant, nous allons continuer à améliorer la tâche, avec des raffinements pour contribuer à réduire les comportements incorrects et améliorer le taux d’acquisition de tâche et durée de la formation.
The authors have nothing to disclose.
Cette recherche a été financée par les NIH-NINDS R03 NS091737.
Base Cage – Rat Model | Vulintus | MotoTrak Rat System | N/A |
Controller | Vulintus | MotoTrak Rat System | N/A |
Behavior Module | Vulintus | MotoTrak Rat System | Supination Task, Methacrylate Dual Stop Knobs |
Pellet Dispenser – 45mg | Vulintus | MotoTrak Rat System | N/A |
Autopositioner | Vulintus | MotoTrak Rat System | N/A |
45 mg, Chocolate Flavor, 50,000/Box | Bio-Serv | F0299 | N/A |
HP Z230 Tower WorkStation | HP | N/A | Intel Xeon CPU E3-1225 v3 @ 3.20 GHz, 16GB RAM, 1TB HDD. Min Requirements: 8GB RAM, Multi-Core Processor |
Dexterity | Burke Medical Research Institute | Matlab software for data analysis | |
Enviropak | WF Fisher and Son | N/A | N/A |