En roman enda animaliska motorisk funktion spårningssystem med enkla, lättillgängliga programvara
Summary
Den aktuella studien syftade till att automatisera kvantifiering av motoriska brister hos råttor. Den inledande utvärderingsmodellen bedömer motor förlust till följd av en intracortical mikroelektrod implantation i motor cortex. Vi rapporterar om utveckling och användning av en algoritm för spårning som använder lätt att anpassa, enkel och lättillgänglig kodning programvara.
Abstract
Vi har nyligen visat att implantera intracortical mikroelektroder i den motoriska corteces råttor resulterar i omedelbar och varaktig motor underskott. Motoriska funktionsnedsättningar kvantifierades manuellt genom ett öppet fält rutnät test för att mäta den grov motorik och en stege-test för att mäta den fina motorik. Här diskuterar vi en teknik för automatiserad kvantifiering av de video-inspelade tester med vår anpassade Capadona beteendevetenskaplig analys videosystem: rutnät och stege Test eller BVAS. Att utnyttja enkel och lättillgänglig kodning programvara (se Tabell för material), detta program möjliggör spårning av ett enda djur på både öppna fältrutnätet och stege testerna. I öppna fältrutnätet spårning, kod tröskelvärdena video för intensitet, spårar positionen för råttan under 3 minuters testet rutnät och analyserar sökvägen. Därefter beräknar och returnerar mätningar för den totala tillryggalagda, den högsta hastighet som uppnås, antalet vänster – och högerhänta varv och det totala antalet rutnätets linjer korsas av råtta. I stege spårning, koden igen tröskelvärden videon för intensitet, spårar förflyttning av råtta över stegen och avkastning Beräknad mätningar inklusive den tid det tog råttan att korsa stegen, antalet tass glider inträffar under planet för den stege stegpinnar och förekomsten av fel på grund av stagnation eller återföringar. Vi föreställer oss att den BVAS framkallat här kan användas för analys av motorisk funktion i en mängd olika tillämpningar, inklusive många skada eller sjukdom modeller.
Introduction
Det finns många etablerade metoder för att bedöma både funktionella och beteendemässiga motor och kognitiva funktionsnedsättningar1,2,3. Några av de mer vanligt sysselsatta metoderna inkluderar tester fina motorik via paw placering, kliva och lem samordning på en stege test4, testa grov motorik och stress beteende via öppet fält rutnät testet5 ,6, och testning av rädsla, depression och förtvivlan via Tvingad simma test7,8 eller rotor stav9. Emellertid, många av dessa metoder åberopa mänskliga forskare till ”Poäng” djuret eller att bedöma dess prestanda subjektivt. Behovet av en subjektiv mänskliga bedömning kan bromsa generation och analys av data, samt presentera möjligheten för en avsiktlig eller oavsiktlig påverkan av forskning bias i studien10. Ytterligare, subjektiva bedömning av data presenterar också risken för felaktig datarepresentation, genom glömska, dålig motivation, felaktig utbildning eller vårdslöshet11.
Vi har nyligen rapporterat användning av både ett öppet fält rutnät test och en stege test hos råttor som implanteras med intracortical mikroelektroder12,13. På grund av nya i slutsatserna i dessa studier, började vi genast anställa dem och ytterligare funktionell testning i många pågående studier i laboratorium. I väntan på oavsiktliga mänskliga-genererade variabilitet som följd av en ökning av antalet subjektiva utvärderarna, och att förbättra analys genomströmning, avsåg vi för att skapa en automatiserad, datorstödd program till Poäng beteendemässiga testning, och kraftigt begränsa risken för fel.
Här rapporterar vi om utvecklingen av BVAS. BVAS använder dator analys för att betyg ett öppet fält rutnät och en stege-proven som mätvärden av grov och fin motorik, respektive. Resultaten kan användas för att klarlägga möjliga motorik underskott orsakas av skada eller sjukdom, oavsett skada eller sjukdom modell. Analys-koder kan anpassas till kontot för förändringar i behavioral testutrustning eller Poäng olika mätvärden av motorisk funktion. Därför kan BVAS implementeras i många applikationer, bortom vår avsedda användning eller den avsedda användningen av dem för närvarande anställd av andra laboratorier.
Observera att öppet fält rutnät och stege testerna kräver videoinspelning. Varje test kommer därför kräva en videokamera [1080 p, minst 15 bilder per sekund (fps)], en laptop och ett utrymme för att lagra videodata. För båda testerna, placera kameran i en centrerad position, vilket möjliggör hela apparaten ska synas på ramen. Förankra kameran på ett stativ eller byggnadsställningar så att det inte rör sig under testningen. Hålla videobildrutan så nära kanter parallell med kanterna på testning apparaten som möjligt. Var noga med samma personal slutföra alla tester och rummet är väl upplyst med en temperatur-kontrollerad system. Använd samma utrymme för alla djur i hela loppet av testning, med minimala ändringar till rummet. Spannmål eller Bananchips göra bra belöningar att uppmuntra djuren att slutföra beteende tester.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den mest kritiska delen av protokollet att säkerställa en stark analys är konsekvent inspelningen. Om filmerna är väl upplysta och filmade på rätt position som diskuteras i det första avsnittet i protokollet, kommer systemet att kunna göra en exakt analys. Som med någon bild-bearbetningen problem, blir det arbete i förbehandling efterbehandling mer exakt och enkel. Som sådan, innebär se till att de apparater och djur är väl upplyst under testningen och några skuggor eller andra rörelse i ramen hålls til…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna studie stöddes av utmärkelsen Merit i # B1495-R (till Jeffrey R. Capadona) och presidentens tidiga karriär Award för forskare och ingenjörer (PECASE) (till Jeffrey R. Capadona) från den USA Department of Veterans frågor rehabilitering Forskning och utveckling Service. Dessutom stöddes detta arbete delvis av kontoret av den biträdande sekreteraren av försvar för hälsa frågor genom Peer recenserade medicinsk forskningsprogram under Award nr W81XWH-15-1-0608. Författarna erkänner källa för dess stöd för sommaren av forskningsfinansiering. Innehållet representerar inte åsikter USA Department of Veterans Affairs eller Förenta staternas regering. Författarna vill tacka Hiroyuki Arakawa i CWRU gnagare beteende kärna för hans vägledning i utformningen och gnagare beteendemässiga testprotokoll. Författarna vill även tacka James Drake och Kevin Talbot från CWRU institutionen av mekaniska och flygteknik för deras hjälp med att designa och tillverka gnagare stege testet.
Materials
| Sprague Dawley rats, male, 201-225g | Charles River | CD | |
| Webcam HD Pro c920 | Logitec | 960-000764 | |
| Excel | Microsoft | N/A | |
| Matalb 2017a, Computer Vision System Toolbox | Mathworks | N/A | |
| Open field grid test | Made in-house at Case Western Reserve University | N/A | |
| Ladder test | Made in-house at Case Western Reserve University | N/A |
Riferimenti
- Beery, A. K., Kaufer, D. Stress, social behavior, and resilience: insights from rodents. Neurobiology of Stress. 1, 116-127 (2015).
- Crawley, J. N. Behavioral phenotyping of rodents. Comparative Medicine. 53, 140-146 (2003).
- Wolf, A., Bauer, B., Abner, E. L., Ashkenazy-Frolinger, T., Hartz, A. M. A Comprehensive Behavioral Test Battery to Assess Learning and Memory in 129S6/Tg2576 Mice. PLoS One. 11, 0147733 (2016).
- Metz, G. A., Whishaw, I. Q. Cortical and subcortical lesions impair skilled walking in the ladder rung walking test: a new task to evaluate fore- and hindlimb stepping, placing, and co-ordination. Journal of Neuroscience Methods. 115, 169-179 (2002).
- Bailey, K. R., Crawley, J. N., Buccafusco, J. J. Anxiety-Related Behaviors in Mice. Methods of Behavior Analysis in Neuroscience. , (2009).
- Prut, L., Belzung, C. The open field as a paradigm to measure the effects of drugs on anxiety-like behaviors: a review. European Journal of Pharmacology. 463, 3-33 (2003).
- Porsolt, R. D., Bertin, A., Jalfre, M. Behavioral despair in mice: a primary screening test for antidepressants. Archives Internationales de Pharmacodynamie et de Thérapie. 229, 327-336 (1977).
- Porsolt, R. D., Brossard, G., Hautbois, C., Roux, S. Rodent models of depression: forced swimming and tail suspension behavioral despair tests in rats and mice. Current Protocols in Neuroscience. , 10 (2001).
- Dunham, N. W., Miya, T. S. A note on a simple apparatus for detecting neurological deficit in rats and mice. Journal of the American Pharmaceutical Association. 46, 208-209 (1957).
- Forstmeier, W., Wagenmakers, E. J., Parker, T. H. Detecting and avoiding likely false-positive findings – a practical guide. Biological Reviews of the Cambridge Philosophical Society. 92, 1941-1968 (2017).
- Reason, J. Human error: models and management. The Western Journal of Medicine. 172, 393-396 (2000).
- Goss-Varley, M. Rodent Behavioral Testing to Assess Functional Deficits Caused by Microelectrode Implantation in the Rat Motor Cortex. Journal of Visualized Experiments. , (2018).
- Goss-Varley, M., et al. Microelectrode implantation in motor cortex causes fine motor deficit: Implications on potential considerations to Brain Computer Interfacing and Human Augmentation. Scientific Reports. 7, 15254 (2017).
- Metz, G. A., Whishaw, I. Q. The ladder rung walking task: a scoring system and its practical application. Journal of Visual Experiments. (28), e1204 (2009).
- Chesler, E. J., Wilson, S. G., Lariviere, W. R., Rodriguez-Zas, S. L., Mogil, J. S. Influences of laboratory environment on behavior. Nature Neuroscience. 5, 1101-1102 (2002).
- Crabbe, J. C., Wahlsten, D., Dudek, B. C. Genetics of mouse behavior: interactions with laboratory environment. Science. 284, 1670-1672 (1999).
- Richter, S. H., Garner, J. P., Auer, C., Kunert, J., Wurbel, H. Systematic variation improves reproducibility of animal experiments. Nature Methods. 7, 167-168 (2010).
