Summary
Um sistema para adquirir dados de sessões de comportamento individual autoiniciadas dentro de um ambiente de gaiola de colônia social é apresentado. A eficácia deste sistema é demonstrada por meio de uma avaliação automatizada de alcance qualificado, permitindo a caracterização de deficiências motoras pós-AVC, possíveis alterações comportamentais relacionadas à motivação, variações circadianas e outras variáveis dependentes inovadoras.
Abstract
O teste comportamental em modelos de ratos é frequentemente utilizado para diversos fins, incluindo pesquisa psicológica, biomédica e comportamental. Muitas abordagens tradicionais envolvem sessões de teste individuais e individuais entre um único pesquisador e cada animal em um experimento. Essa configuração pode ser muito demorada para o pesquisador e sua presença pode afetar os dados comportamentais de maneiras indesejadas. Além disso, o enjaulamento tradicional para pesquisa com ratos impõe uma falta de enriquecimento, exercício e socialização que normalmente seriam típicos da espécie, e esse contexto também pode distorcer os resultados dos dados comportamentais. Superar essas limitações pode valer a pena para várias aplicações de pesquisa, incluindo o estudo de lesões cerebrais adquiridas. Aqui, um método de exemplo é apresentado para treinar e testar automaticamente o comportamento individual de ratos em uma gaiola de colônia sem a presença de humanos. A identificação por radiofrequência pode ser utilizada para adaptar as sessões ao rato individual. A validação desse sistema ocorreu no contexto de exemplo de medição do desempenho motor do membro anterior qualificado antes e depois do AVC. As características tradicionais das deficiências comportamentais pós-AVC e as novas medidas possibilitadas pelo sistema são medidas, incluindo taxa de sucesso, vários aspectos da força de tração, análise de ataque, taxa e padrões de iniciação, duração da sessão e padrões circadianos. Essas variáveis podem ser coletadas automaticamente com poucas limitações; Embora o aparato remova o controle experimental da exposição, tempo e prática, a validação produziu consistência razoável nessas variáveis de animal para animal.
Introduction
O treinamento comportamental e os testes com modelos de ratos são importantes em inúmeras áreas de pesquisa, desde a exploração de processos cognitivos até estados de doençae muito mais. Normalmente, esse treinamento e teste são conduzidos com animais individuais em sessões individuais, com um pesquisador removendo manualmente o animal de sua gaiola doméstica e colocando-o temporariamente em algum tipo de aparelho. Infelizmente, existem várias dificuldades e limitações com essa abordagem. Primeiro, o teste comportamental pode levar muito tempo para os pesquisadores e, quando o treinamento é necessário, esse requisito de tempo se torna ainda maior. Em segundo lugar, essa abordagem afeta automaticamente - ou mesmo potencialmente confunde - os dados adquiridos, como foi estabelecido em outro lugar2. Esses fatores de confusão são especialmente salientes quando se consideram variáveis relacionadas ao enriquecimento. Especificamente, os ratos de laboratório são tradicionalmente alojados em pequenas gaiolas que são grandes o suficiente para um ou dois ratos3 e, se não forem fornecidas rodas, eles podem passar a vida inteira sem oportunidades significativas de se exercitar. Além disso, o alojamento isolado pode ser uma grande fonte de estresse em uma espécie social como o rato4. Algumas dessas desvantagens relacionadas ao bem-estar provavelmente afetam a fisiologia do rato 5,6, o que pode antecipar o desenvolvimento da expressão comportamental típica da espécie4 e afetar a qualidade dos modelos de roedores aplicados a contextos humanos.
Os pesquisadores têm buscado vários tipos de soluções para esses problemas nos últimos anos. O tipo mais simples de solução tem sido automatizar testes comportamentais e treinamento 7,8,9,10, eliminando assim a necessidade de um único pesquisador atender a um único animal. Uma solução adicional foi automatizar a transferência de animais para câmaras experimentais 11,12, eliminando ainda mais a necessidade de envolvimento humano. Por último, várias configurações foram exploradas que permitem que os animais sejam alojados em gaiolas de colônia com outros animais e com mais espaço para exploração e enriquecimento13. Apesar dessas vantagens, essas configurações de colônias podem limitar ou complicar os esforços para coletar dados comportamentais diferenciados individualmente (embora veja os esforços para usar a visão computacional) 14 , 15 . Se forem necessários dados comportamentais individuais, pode ser mais difícil ou complexo identificar e recuperar animais do enjaulamento de colônias também para sessões comportamentais. Atualmente, existem poucos sistemas para coletar dados comportamentais individuais de colônias (enriquecidas) 16,17,18.
Essas desvantagens podem afetar especificamente a pesquisa sobre os efeitos comportamentais da lesão cerebral adquirida. Em primeiro lugar, fica claro que a presença e/ou sexo de humanos, bem como as práticas de manuseio, afetam o comportamento dos roedores 2,19, e essas variáveis podem impactar diferencialmente o comportamento dos ratos antes vs. após o acidente vascular cerebral. Em segundo lugar, os resultados comportamentais humanos após o AVC podem ser agravados pela diminuição voluntária do envolvimento com a dosagem recomendada de exercícios de reabilitação20. Atualmente, os experimentos com roedores tendem a não modelar esse tipo de contexto, porque os ratos não são livres para escolher se envolver ou se abster de sessões comportamentais.
Este artigo apresenta um protocolo projetado para facilitar o teste comportamental individual dentro da estrutura do enjaulamento de colônias enriquecido. Esta abordagem não só aborda os condicionalismos das práticas actuais, como também abre caminhos para a exploração de medidas inovadoras. Um torniquete de um rato (ORT) foi desenvolvido e pode ser afixado em uma gaiola de colônia, permitindo que os animais entrem nas câmaras comportamentais de forma independente e iniciem suas próprias sessões de treinamento e teste. O sistema é acessível; cada ORT pode ser montada a baixo custo (com acesso a uma impressora 3D). No passado, a validação desse sistema foi realizada usando uma câmara operante básica, mostrando que os animais poderiam ser consistentemente treinados para realizar uma simples pressão de alavanca operante sem a presença de um experimentador16. No entanto, a questão de saber se essa configuração é aplicável a outros cenários permanece sem solução. O objetivo é validar a eficácia da configuração de gaiola de colônia ORT, que foi previamente estabelecida, para treinar e quantificar o comportamento de alcance qualificado relevante para o comprometimento motor após um acidente vascular cerebral. A configuração foi utilizada para gerar novas variáveis que normalmente não são exploradas na pesquisa de AVC. Essas variáveis incluem métricas de desempenho para a tarefa de alcance qualificado e medidas de autoiniciação, que podem ser pertinentes à motivação e à tomada de decisões. Além disso, mudanças induzidas por AVC nos padrões circadianos de autoiniciação diária durante todo o período de 24 horas foram efetivamente detectadas.
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Protocol
Todos os procedimentos e cuidados com os animais foram aprovados pelo comitê institucional de cuidados e uso de animais da Universidade do Norte do Texas (IACUC) e aderiram ao guia do National Institutes of Health para o cuidado e uso de animais de laboratório. Ratos Long-Evans machos e fêmeas adultos (400-800 g, 1,5 anos de idade), utilizados no presente estudo, foram alojados em gaiolas de colônias.
1. Preparação do equipamento
- Obtenha ou monte a catraca de um rato (ORT) de acordo com o projeto files e instruções para construção (ver Arquivo Suplementar 1 e Arquivo de Codificação Suplementar 1). Consulte Butcher et al.16 para obter mais detalhes.
NOTA: Os ORTs são específicos para o tamanho do rato, portanto, uma gaiola de colônia deve incluir animais que tenham aproximadamente o mesmo tamanho. Se alguém não deseja automontar ORTs, eles podem ser adquiridos pré-montados (consulte a Tabela de Materiais). - Obtenha e anexe um leitor de identificação por radiofrequência (RFID, consulte a Tabela de Materiais) e obtenha e injete etiquetas RFID em animais.
NOTA: Ao injetar etiquetas RFID full duplex (FDX), a orientação deve ser perpendicular à antena RFID enquanto o rato caminha pela ORT. Nessa validação, os tags foram implantados por via subcutânea entre a omoplata em um plano paralelo à coluna. - Fixe a antena RFID no tubo da ORT.
- Construa e/ou obtenha o(s) aparelho(s) comportamental(is) e o enjaulamento de colônias apropriados para a questão experimental. Neste exemplo, o enjaulamento de colônias 21,22 construído sob medida foi usado em conjunto com câmaras operantes disponíveis comercialmente (ver Tabela de Materiais), embora qualquer equipamento pudesse teoricamente ser usado.
NOTA: A competição de animais alojados em colônias pelo acesso ao(s) aparelho(s) comportamental(is) por meio do ORT deve ser considerada. Antecipe a necessidade de um ORT + aparelho comportamental para cada 4 a 6 animais. - Conecte a(s) ORT(s) entre o aparato comportamental e o enjaulamento da colônia.
- Corte um orifício no aparato comportamental e no enjaulamento da colônia usando uma ferramenta rotativa Dremel (consulte a Tabela de Materiais) ou instrumento semelhante. O diâmetro interno deve ser igual ao diâmetro externo do túnel ORT construído.
NOTA: O ORT deve ser elevado alguns centímetros para operar, portanto, uma pequena plataforma ou suporte será necessário para alinhar as alturas do enjaulamento da colônia e do aparelho. - Instale o sistema RFID para ler os animais à medida que passam pela ORT e, se desejar, integre-o ao aparato comportamental.
2. Treinamento comportamental pré-cirúrgico
- Obtenha uma coorte de ratos do mesmo tamanho e introduza-os no enjaulamento da colônia.
NOTA: Animais que foram criados ou alojados extensivamente em isolamento ou com poucos coespecíficos podem ter mais problemas para explorar a câmara, especialmente quando envolve atravessar áreas sociais do enjaulamento da colônia. Os animais devem ser expostos ao enjaulamento em grupo no início da vida para evitar essa armadilha. - Remova o acesso a qualquer manipulanda dentro do aparato comportamental e configure a câmara para entregar recompensas automaticamente a cada 60 s, em média, quando ocupada.
NOTA: Este estudo usou água de sacarose (30% a 40%) como recompensa, mas o leite condensado adoçado também é eficaz. - Treine todos os ratos para entrar regularmente no(s) aparelho(s) comportamental(is) através da ORT.
- Pelo menos uma vez por dia, verifique os dados para garantir que todos os animais estejam entrando no ORT. Se os animais não estiverem entrando, insira um objeto do tamanho de um curral no mecanismo de travamento para evitar que ele trave temporariamente, permitindo que os animais explorem mais livremente. Se os animais ainda não estiverem entrando, remova a catraca e coloque uma parede lateral temporária para permitir o acesso livre do túnel à câmara.
- Assim que todos os animais entrarem regularmente na câmara, devolva a fechadura (e a catraca) e reavalie.
NOTA: Os animais também podem ocupar a ORT e a câmara como um alívio temporário de outros ratos. Uma maneira de evitar esse tipo de monopolização da câmara é anexar uma ORT adicional que se conecta a uma câmara de isolamento simples. - Introduza o manipulando - a alça de puxar, neste caso de exemplo - e defina a sensibilidade mais alta. Insira a alça dentro da caixa (até 2 cm) ou fora da caixa.
NOTA: A fita adesiva pode evocar tentativas de alcance se afixada na parte de trás do cabo, fora de alcance. - Reduza a frequência com que a recompensa (ou seja, 30% de água de sacarose) é entregue automaticamente (por exemplo, a cada 90-120 s). Lembre-se de que qualquer recompensa pode ser utilizada para atender às necessidades do experimentador e às preferências dos animais.
- Verifique os dados diariamente para garantir que todos os animais aprenderam a ativar a alavanca. Isque a alavanca e/ou altere o nível de inserção até que todos os animais estejam puxando.
- Descontinue a entrega automática de recompensas para que elas fiquem disponíveis apenas por meio da ativação do puxador.
- Se inserida anteriormente, retraia a alavanca todos os dias (desde que todos os ratos continuem a puxar nesse nível de retração) em 0,25 mm a 0,5 mm até que a alavanca esteja em sua posição final, 1 cm a 1,25 cm fora da câmara.
NOTA: A posição exata da alavanca depende do tamanho dos ratos. Certifique-se de escolher uma posição que resulte na topografia de alcance desejada. - Inicie um percentil ou outro programa de treinamento para aumentar progressivamente as forças de tração necessárias para ativar a alça.
NOTA: Este estudo usou um cronograma de percentil que define o critério de reforço no quartil superior das 15 respostas anteriores. Alternativamente, aumentos graduais do critério de tração podem ser usados7. - Quando os animais atingirem de forma confiável a faixa de critério final de 120 g de tração, remova o programa de treinamento de percentil e fixe o critério de ativação da alça em uma constante de 120 g.
- Colete dados de linha de base nesse requisito de força até que as taxas de sucesso tenham permanecido estáveis (sem tendência) por cerca de uma semana.
3. Induzindo o curso
- Induzir cirurgicamente o AVC em todos os animais enjaulados em colônias ao mesmo tempo.
NOTA: Para induzir o AVC, foi utilizado um modelo endoteliano-1 de AVC, que foi descrito em outro artigo23. - Permitir que os animais se recuperem em gaiolas tradicionais, isolados individualmente, por 3-7 dias.
4. Teste comportamental pós-cirúrgico
- Após a recuperação, devolva os animais ao enjaulamento da colônia com o aparelho de alcance qualificado conectado à ORT.
- Realize o teste comportamental, mantendo os requisitos de tração no final de 120 g (siga o passo 2) até que sejam coletados dados suficientes para avaliar os déficits pós-AVC (de um a vários dias).
- Implemente quaisquer variáveis independentes relacionadas ao pós-AVC ou à recuperação durante os dias subsequentes, enquanto os animais estão acessando a câmara.
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Representative Results
Os animais foram treinados e testados com quatro ratos fêmeas em uma gaiola de colônia e quatro ratos machos em uma gaiola de colônia separada. Todos os ratos aprenderam a passar pelas ORTs em quatro dias ou menos. As quatro ratas atingiram >85% de sucesso no requisito de força de 120 g em aproximadamente 6 semanas de treinamento e os ratos machos atingiram o mesmo critério em 10 semanas (em comparação com cerca de 3 semanas com treinamento padrão com ratos privados) 7. A duração desse treinamento foi bastante prolongada devido a várias falhas de hardware e software que exigiram solução contínua de problemas, entre as semanas 2 e 6. Uma vez que essas falhas foram abordadas, o treinamento ocorreu sem problemas, e espera-se que os cronogramas de treinamento subsequentes sejam comparáveis à literatura atual7. Os ratos machos também foram treinados por mais tempo para fornecer mais oportunidades para um rato macho começar a puxar; no entanto, ele nunca o fez e foi excluído de análises e cirurgias posteriores após a semana 7. Uma vez que o desempenho do rato se estabilizou na linha de base, 5 dias de dados basais pré-AVC foram obtidos para cada gaiola. Os dados foram limitados aos dias durante os quais a ORT permaneceu conectada à gaiola durante todo o dia (alguns dias exigiram desconexões temporárias relacionadas ao manejo). Para a gaiola feminina, os dias basais foram 7, 8, 9, 10 e 12 dias antes do AVC. Para os homens, os dias basais foram 8, 9, 10, 11 e 13 dias antes do AVC.
Durante as cirurgias de indução do AVC, os animais nesta validação foram implantados simultaneamente com eletrodos conectados a chips receptores sem fio em seu prosencéfalo basal (coordenadas -5,8 mm anterior/posterior, 0,7 mm medial/lateral esquerdo, 8,3 mm dorsal/ventral) ou em sua área tegmental ventral (coordenadas -2,3 mm anterior/posterior, 3,3 mm medial/lateral esquerdo, 7,0 mm dorsal/ventral). Esses implantes foram para uso em um experimento de recuperação subsequente e não são relevantes para a validação da gaiola de colônia-ORT relatada aqui. Os implantes foram projetados para que a pele pudesse ser fechada sobre eles, com os chips receptores localizados subcutaneamente sob o braço esquerdo.
Uma fêmea morreu durante a indução do AVC. Outra fêmea começou a declinar vários dias após a recuperação, nunca tendo puxado a alça após o derrame. Após sua eutanásia, descobriu-se que ela provavelmente havia sofrido uma hemorragia cerebral algum tempo após o derrame. Esses dois animais foram totalmente eliminados do conjunto de dados, incluindo a avaliação pré-AVC.
Após o AVC, os animais não reiniciaram imediatamente o puxão regular da alavanca, embora continuassem a entrar na câmara através da ORT e tivessem que ser encorajados por meio de sessões curtas de modelagem manual (ou seja, distância reduzida da alavanca e recompensas entregues dependendo da aproximação ou tentativa de puxar a alavanca). As ratas não puxaram durante os dias 4-7 após o derrame e, portanto, receberam iscas de alavanca suplementares (ou seja, um pouco de manteiga de amendoim na alavanca) e modelagem manual nos dias 8-11. Eles começaram a puxar de forma autônoma no dia 11. Os machos foram autorizados a se recuperar até o dia 6 com base na experiência anterior com as fêmeas. Eles não puxaram durante o dia 6 após o derrame. Eles receberam iscas suplementares no dia 7. Eles começaram a puxar de forma autônoma no8º dia após o derrame. Uma vez que os animais entraram novamente em contato com o reforço para tentativas de tração, a isca ou modelagem suplementar foi interrompida e os dados pós-AVC foram coletados. Os machos não puxaram o suficiente no dia 8 para uma análise completa das variáveis dependentes mais complexas (medidas circadianas e pausas pós-luta), então eles foram autorizados a continuar a puxar no9º, 10º e11º dia sob o mesmo critério. O8º,10º e11º dia foram dias completos. O primeiro dia de tração após o AVC foi usado para todas as análises, exceto a análise circadiana e a análise das pausas entre as lutas; Para esta análise foram utilizados o dia um para as fêmeas e os três dias completos para os machos. Para análise pós-AVC, as duas ratas forneceram 55 e 844 puxadas em um dia, e os três ratos machos forneceram 536, 153 e 190 puxadas em três dias.
Os dados foram organizados de acordo com puxões e lutas. Para evitar o registro de tremores decorrentes do próprio equipamento, os puxões foram medidos usando um limite de 5 g com uma histerese de +/- 1 g. Um puxão foi registrado quando o animal exerceu pressão acima de 6 g e parou quando a alça registrou uma força abaixo de 4 g. Os animais tendiam a puxar em várias puxadas rápidas. Uma vez que qualquer tração atingiu 120 g, o reforço foi entregue. Uma luta foi considerada um aglomerado de puxões cujos picos foram todos separados por menos de 1 s. Esse limite foi selecionado com base em dados anteriores, que indicaram que um cluster de intervalo entre picos abaixo de 1 s se desenvolveu naturalmente e outros intervalos entre picos eram muito mais longos. Os ratos geralmente puxavam muitas vezes seguidas antes de visitar o alimentador, mesmo quando puxões anteriores na luta ativavam o alimentador.
Um total de 7 variáveis dependentes foram analisadas. Um teste t pareado foi realizado entre as médias basais e as medidas pós-AVC, que são relatadas na Figura 1, Figura 2 e Figura 3. Essas figuras também exibem dados por animais individuais para fornecer uma impressão da variação ao longo dos dias e entre indivíduos para cada medida que pode ser esperada.
A Figura 1 mostra o desempenho pré e pós-AVC ao longo de várias medidas de desempenho típicas de avaliações de alcance qualificadas 7,8,10. Todos os dados pós-AVC foram agregados em um único ponto de dados, mesmo que levasse vários dias para coletar ensaios suficientes. O protocolo e o sistema automatizado de auto-iniciação avaliaram com sucesso a taxa de sucesso por ataque, a força média por puxada e os puxões por ataque, que mostraram sensibilidade ao golpe com vários graus de significância estatística.
A Figura 2 mostra duas novas variáveis que surgem da configuração da gaiola de colônia-ORT: iniciações de sessão e duração cumulativa da sessão. Surpreendentemente, o AVC não afetou o início das sessões. As mulheres iniciaram as sessões de forma confiável mais do que os homens antes e depois do AVC, no entanto, nenhum deles alterou sua taxa após o AVC. Por outro lado, a duração passada na câmara aumentou para a maioria dos ratos, talvez devido à diminuição da taxa de sucesso das lutas (cujo resultado é uma diminuição da taxa de recompensas)
O início da sessão (que representa uma escolha entre enriquecimento e recompensas sociais disponíveis na gaiola da colônia e reforço alimentar) e a duração do tempo na câmara (no caso de uma preferência de lugar condicionada com o valor de recompensa) também podem ser tomados como índices de motivação 24,25,26,27. Medidas adicionais baseadas na motivação foram incluídas, como "esforço" quantificado por puxadas por minutode sessão 28 e pausas entre as sessões29, que podem ser vistas na Figura 3. Essas variáveis foram impactadas pelo AVC. Como previsto, o número de puxões por minuto de sessão diminuiu e a duração das pausas entre as lutas aumentou. No entanto, as mudanças na última medida foram complexas. A distribuição das pausas parecia se tornar mais caótica, incluindo pausas mais longas, algumas pausas muito longas e pausas mais curtas também. Isso pode indicar uma avaria na unidade motora qualificada original; Nesse caso, pode ser um índice facilmente mensurável do mesmo.
Apesar do pequeno tamanho do grupo, uma investigação foi conduzida para determinar se alguma das variáveis medidas exibia correlações com a taxa de sucesso, potencialmente implicando em seu significado funcional. Os testes de Shapiro Wilk foram realizados para avaliar distribuições iguais dos dados para as variáveis taxa de sucesso, pico médio de tração, sessão por minuto, duração cumulativa da sessão, pausas entre as sessões e puxões por sessão. O teste de Shapiro Wilk indicou que a distribuição de algumas variáveis se afastou significativamente da normalidade. Portanto, as correlações de ordem de classificação de Spearman foram realizadas para determinar a relação entre a taxa de sucesso pré ou pós-AVC e as seguintes variáveis: pico médio, luta de puxão por minuto, duração cumulativa da sessão, pausas entre as sessões e puxadas por luta. Nenhuma variável antes do AVC além da força média de tração foi significativamente correlacionada com a taxa de sucesso (ver Tabela 1). Após o AVC, a maioria das variáveis também não apresentou correlação significativa com a taxa de sucesso, exceto a força média de tração (Tabela 1).
Finalmente, o ORT permite uma análise não apenas do comportamento motor habilidoso, mas também do padrão circadiano. A Figura 4 mostra a proporção de cada hora para cada gaiola em que a TRO foi ocupada, apresentada como uma média ao longo dos dias basais e pós-AVC. A linha azul na figura indica uma contagem média do número de entradas por hora feitas ao longo do dia. Antes do AVC, os animais se envolviam com a tarefa de alcance habilidoso em níveis elevados pela manhã, diminuindo sua duração ao longo do dia. Poucas horas antes do acendimento, o engajamento aumentou novamente (fêmeas) ou aumentou ligeiramente (machos) antes de interromper logo após o acendimento das luzes. Essa distribuição circadiana bimodal mudou completamente após o AVC. Os animais se envolveram menos pela manhã e seu tempo na câmara atingiu o pico no final do dia. Esse padrão pode refletir os distúrbios gerais do sono e circadianos frequentemente observados após o AVC 30,31,32,33.
Figura 1: Medindo as mudanças típicas de desempenho no alcance qualificado após o AVC usando o procedimento ORT. O desempenho do alcance habilidoso antes e depois do AVC foi medido. As médias diárias por animal para taxa de sucesso por ataque, força média por puxada e número de puxões por ataque são exibidas ao longo de 5 dias da linha de base e um dia após o AVC (esquerda) e entre uma média da linha de base e um dia pós-AVC (pós-AVC) com testes t pareados relatados. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Diferentes parâmetros de sessão autoiniciada mostram diferentes tendências de mudança após o AVC. As medidas de auto-iniciação para sessões de comportamento de alcance qualificado antes e depois do AVC foram possibilitadas pelo procedimento ORT. As médias diárias por animal para o início das sessões e as durações cumulativas das sessões diárias são exibidas ao longo de 5 dias da linha de base e um dia após o AVC (esquerda) e entre uma média da linha de base e um dia pós-AVC (pós-AVC) com testes t pareados relatados. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: As variáveis relacionadas à motivação mudam após o AVC. Foram determinadas as medidas de desempenho das sessões de comportamento de alcance qualificado antes e depois do AVC relacionadas à motivação. As médias diárias por animal para a duração da pausa entre as sessões e a taxa diária de sessões por minuto de sessão são exibidas ao longo de 5 dias da linha de base e um dia após o AVC (esquerda) e entre uma média da linha de base e um dia pós-AVC (pós-AVC) com testes t pareados relatados. As pausas entre as lutas mudaram em termos dessas médias diárias, mas ainda mais surpreendentemente, a distribuição dos comprimentos de pausa individuais após o derrame também mudou em ambos os lados da média. Os comprimentos de pausa individuais são agrupados para todos os animais e exibidos como distribuições em um eixo logarítmico (extrema direita). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: O padrão circadiano das sessões autoiniciadas muda após o AVC. As medidas de padronização circadiana de sessões de comportamento de alcance qualificado auto-iniciadas antes (esquerda) e depois (direita) do AVC para todos os animais, fêmeas e machos foram determinadas. Esses dados incluem todas as entradas e todos os tempos de ocupação da câmara por gaiola, em média entre os dias pré e pós-AVC. As duas gaiolas são então calculadas novamente para mostrar as distribuições totais (linha superior). Os padrões pré-AVC incluíram alto engajamento pela manhã, que diminuiu ao longo do período de vigília com um novo pico pouco antes da fase do sono. Os padrões pós-AVC mostram que a duração das sessões aumenta ao longo do dia e atinge o pico antes da fase do sono. Os ratos estavam em ciclos de luz reversos em sua sala de alojamento. O período de luzes acesas é mostrado sombreado em cinza para indicar o período inativo normal do rato. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
| Correlações | ||||||
| Variáveis | Variável de comparação | Lanceiro | ||||
| n | Antes do Stroke rs | p | Após o AVC rs | p | ||
| Força de tração média | Taxa de sucesso | 5 | 1 | <0,001 | -0.975 | 0.005 |
| Luta de tração por minuto | Taxa de sucesso | 5 | 0.3 | 0.624 | -0.154 | 0.805 |
| Duração cumulativa da sessão | Taxa de sucesso | 5 | -0.1 | 0.873 | 0.564 | 0.322 |
| Pausas entre as lutas | Taxa de sucesso | 5 | -0.6 | 0.285 | 0.205 | 0.741 |
| Puxadas por luta | Taxa de sucesso | 5 | 0.1 | 0.873 | -0.821 | 0.089 |
Tabela 1: Coeficientes de correlação de Spearman entre as variáveis. As correlações de ordem de classificação de Spearman foram realizadas para determinar a relação entre a taxa de sucesso pré ou pós-AVC e as seguintes variáveis foram determinadas: pico médio, luta por minuto, duração cumulativa da sessão, pausas entre as sessões e puxões por sessão. Antes da correlação, os testes de Shapiro Wilk foram realizados para avaliar distribuições iguais da taxa de sucesso de todas as variáveis do teste e indicaram que algumas variáveis se afastaram significativamente da normalidade. Nenhuma variável antes do AVC, além da força média de tração, foi significativamente correlacionada com a taxa de sucesso. Esta tabela mostra os resultados dos coeficientes de correlação de Spearman (ρ) avaliados se houve uma relação entre a taxa de sucesso e cinco variáveis do teste.
Arquivo Suplementar 1: Etapas para construir o ORT. Instruções para imprimir e construir um "One Rat Turnstile". Incluído nas instruções está uma lista de todos os materiais necessários, bem como instruções passo a passo (com imagens). O arquivo também inclui instruções para conectar um microinterruptor para registrar entradas e saídas, bem como a fiação e a programação para conectar um leitor RFID. Clique aqui para baixar este arquivo.
Arquivo de codificação suplementar 1: Isso inclui todos os componentes necessários para a impressão 3D do "One Rat Turnstile". Este arquivo pode ser usado diretamente ou acessado usando as instruções no Arquivo Suplementar 1. Todos os componentes neste arquivo devem ser dimensionados usando a peça "régua" incluída (consulte o Arquivo Suplementar 1 para obter mais detalhes). Clique aqui para baixar este arquivo.
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Discussion
Este protocolo tem múltiplos usos. Primeiro, e mais amplamente, o ORT foi desenvolvido com o objetivo de permitir o treinamento comportamental automatizado de um único sujeito e a coleta de dados no contexto de habitação social enriquecida. Embora este estudo tenha testado a ideia de coletar medidas comportamentais típicas e elaborá-las no contexto do AVC, o mesmo pode ser feito para outras aplicações e tarefas comportamentais. Mesmo as medidas coletadas nesta validação também podem ser ajustadas conforme necessário para incluir esquemas alternativos de reforço, comportamentos alternativos, etc. Em segundo lugar, este estudo avaliou a capacidade do sistema de coletar dados relacionados ao comprometimento do alcance qualificado após um acidente vascular cerebral. O protocolo atual foi validado anteriormente para o ensino e medição do pressionamento básico da alavanca16. Os dados atuais mostram que é uma abordagem válida para coletar dados sobre déficits motores relacionados ao AVC e que medidas típicas de avaliações tradicionais de alcance qualificado, bem como novas medidas, são possíveis. Ao solucionar problemas do sistema ORT de gaiola de colônia, uma grande questão era se os animais iniciariam sessões comportamentais com frequência suficiente e se o fariam em vários contextos experimentais, principalmente após o AVC. Descobriu-se que todos ou quase todos os animais podem ser encorajados a participar suficientemente de procedimentos operante simples e agora para testes comportamentais pós-AVC. Os períodos pós-AVC exigiram alguma modelagem manual, mas os animais rapidamente voltaram a se envolver na tarefa comportamental sem a presença do experimentador.
Durante a solução de problemas, foram descobertos vários pontos processuais que aumentam a probabilidade de sucesso, e estes foram integrados ao protocolo. Isso incluiu a necessidade de dimensionar o ORT de acordo com o tamanho do rato e garantir que os animais sejam de tamanho semelhante e criados em um contexto social. Além disso, descobriu-se que uma única ORT é a mais eficaz para acomodar 4-6 ratos devido à potencial alta competição pela câmara. Vale a pena notar que essa competição não parece induzir maior estresse em comparação com os métodos tradicionais; Um experimento anterior registrou níveis reduzidos de cortisol na configuração do enjaulamento da colônia, em oposição aos testes comportamentais tradicionais16. Além disso, verificou-se que, para animais tímidos, remover a catraca ou deixá-la destrancada durante a fase inicial de treinamento ajuda a permitir que vários ratos explorem a câmara juntos.
Embora essa abordagem seja eficaz na avaliação de déficits motores pós-AVC, é essencial reconhecer algumas limitações. Primeiro, os animais pós-AVC podem não reiniciar imediatamente a tração e podem exigir algumas sessões de modelagem manual e/ou isca. Com essa e outras abordagens específicas, a automação total do treinamento e dos testes pode ser mais difícil. No entanto, esta não é uma limitação exclusiva da configuração da gaiola de colônia ORT, e os animais em sessões comportamentais iniciadas pelo experimentador geralmente têm o mesmo problema.
Outra limitação é o potencial de uso das câmaras para outra finalidade que não a pretendida. Curiosamente, vários casos foram observados em que os animais entraram nas câmaras comportamentais e passaram uma quantidade significativa de tempo dentro sem participar ativamente da tarefa comportamental. Isso ocasionalmente acontecia com todos os animais, mas especialmente com os machos. Isso pode ter ocorrido simplesmente porque o ORT fornecia um pouco de privacidade para os animais quando eles não desejavam se envolver socialmente. Dito isso, adicionar salas "sozinhas" à gaiola da colônia usando outras ORTs mitiga esse problema.
Também foi observado que os animais ocasionalmente paravam no túnel com a ORT semiaberta e permaneciam lá por períodos de tempo. Esta é a razão pela qual é melhor ter o leitor RFID próximo à câmara comportamental para que o animal não seja registrado até que entre totalmente. Pode-se especular que permanecer no ORT é agradável da mesma maneira que uma rampa de compressão. De qualquer forma, os animais não permanecem lá de maneiras que impeçam a coleta de dados, principalmente quando câmaras de isolamento alternativas conectadas à ORT estão disponíveis.
Outra limitação é que a sessão autoiniciada pode ser mais difícil de equalizar o tempo da sessão comportamental ou as oportunidades de resposta comportamental entre indivíduos em grupos. Essa limitação pode ser especialmente relevante para estudos relacionados ao AVC, dada a relação entre o tempo cumulativo de treinamento e a recuperação. No entanto, essa limitação pode ser abordada pelo menos parcialmente. Se um experimento exigir, é possível programar muitos aparatos comportamentais para encerrar as sessões quando uma duração alvo ou um número alvo de respostas for atingido (ou seja, por meio do término de recompensas ou retração do manipulando). Esta solução não aborda nenhuma tendência dos indivíduos de não atingirem seus objetivos. Mas, novamente, essa limitação não é exclusiva dessa configuração.
Essa configuração também tem a vantagem de que o treinamento comportamental ou a exposição podem ocorrer ao longo do dia, em vez de em alguns horários restritos. Isso pode ser útil em vários contextos; Especificamente no AVC, pode ser utilizado para investigar o efeito da dosagem de abordagens de reabilitação comportamental.
Finalmente, a ORT provavelmente não pode ser usada para procedimentos aversivos, como derrota social, natação forçada, medo condicionado, etc. A TRO requer que o paradigma comportamental seja apetitoso; caso contrário, é provável que os animais simplesmente evitem as câmaras comportamentais.
Apesar das limitações, esse procedimento adiciona vantagens significativas aos paradigmas comportamentais atualmente disponíveis para ratos. Primeiro, a configuração permite a coleta contínua de dados de alto rendimento, liberando o tempo do experimentador. Embora seja importante monitorar continuamente o equipamento e os animais, os experimentadores precisam estar presentes apenas por curtos períodos de tempo ao longo do dia. A execução de sessões comportamentais para 8 animais exigiria de 4 a 10 horas de sessões diárias usando a abordagem tradicional. A abordagem de gaiola de colônia ORT não apenas reduz esse tempo a praticamente zero (assumindo um aparelho funcional e automatizado), mas também permite a coleta de dados nos fins de semana com pouca necessidade de presença adicional; Essa disponibilidade contínua de atividades comportamentais nos fins de semana também aumenta o enriquecimento total disponível para os animais.
O protocolo de gaiola de colônia ORT oferece vantagens de dados, bem como vantagens logísticas. Muitas variáveis dependentes estão disponíveis que tradicionalmente não são possíveis, incluindo ritmo, duração ou outros parâmetros de sessões autoiniciadas, como as exploradas aqui. As variáveis circadianas são frequentemente medidas usando rodas de corrida; no entanto, este protocolo torna possível observar padrões e parâmetros de escolha em outros tipos de comportamento. A ORT pode até ser usada para conectar gaiolas de colônias e fornecer acesso visual ou olfativo ao sexo oposto, tornando possível não apenas avaliar a motivação, mas também o padrão circadiano da busca do parceiro. Este estudo caracterizou várias novas variáveis dependentes que podem ser úteis na pesquisa do AVC, incluindo variáveis circadianas e variáveis relacionadas à iniciação que podem ajudar a explorar questões translacionais relacionadas ou no contexto da perda de motivação e depressão que pode ocorrer após o AVC34,35. Embora não sejam abordadas aqui, outras variáveis importantes relevantes para o AVC, como análises qualitativas da cinemática de alcance, também devem ser facilmente endereçadas com este protocolo de gaiola de colônia ORT por meio de câmeras ativadas por movimento.
Finalmente, uma vantagem significativa deste protocolo é sua capacidade de permitir que os animais permaneçam em ambientes grandes, enriquecidos e sociais durante a maior parte de suas vidas. O progresso no bem-estar dos animais é importante nos laboratórios de base, não só por razões éticas, mas também por razões científicas. Animais que podem se movimentar e socializar devem servir como modelos melhores para estados de doença que não envolvem naturalmente restrição ou privação. Além disso, a natureza autossuficiente das sessões comportamentais neste protocolo significa que os humanos não precisam estar presentes enquanto os dados comportamentais são coletados. A presença de humanos em laboratório pode afetar os dados comportamentais, às vezes de forma diferenciada, dependendo do ser humano em questão, de quão bem eles são treinados e de como lidam com os animais 2,19. Esses impactos descontrolados e variáveis nos dados podem ser minimizados com o protocolo atual.
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Disclosures
Os autores não têm conflitos a divulgar.
Acknowledgments
Este trabalho foi financiado em parte pela doação Beatrice H. Barrett para pesquisa sobre relações neurooperantes para a Universidade do Norte do Texas (UNT). Somos gratos pela contribuição e assistência de todos os membros do Laboratório de Neuroplasticidade e Reparo, especialmente Valerie Rojas, Mary Kate Moore, Cameron Scallon e Hannah McGee.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3D printer | Consult with local makerspace | ||
| bolt | Boltdepot | 1346 | 6-32 or 8-32 by 0.5" |
| bolt | Boltdepot | 1348 | 6-32 or 8-32 by 0.75" |
| door hinge | XJS (Amazon) | 43398-16234 | 1" cabinet stainless steel door hinge set; Optional (if "perfect hinge" is not printed) |
| drill | Any electric drill works | ||
| extension spring | Nieko (Amazon) | 50456A | Choose and adjust spring based on ORT sized and desired tension |
| granulated sugar | |||
| lock nuts | Boltdepot | 2551 | 6-32 or 8-32 |
| measuring tape | |||
| microcontroller | Arduino | A000066 | Arduino Uno |
| microswitch | Sparkfun | KW4-Z5F | mini microswitch (SPDT-roller lever) |
| One Rat Turnstile (ORT) | Vulintus | Contact company to request quote if not self-assembling | |
| Operant Chambers as desired for behavioral assessment: For this experiment we used automated isometric pull chambers from Vulintus | Vulintus | No cat #: contact Vulintus | Contact Vulintus for quote |
| PLA filament | OVERTURE (Amazon) | UK-MATTEPLA17511 | |
| plexiglass | Lesnlok (Amazon) | B09P74K7BR | clear, 1/8" thickness, Cut to size |
| plexiglass cutter | |||
| python program | Python Software Foundation | software available on request | |
| RFID reader | Priority 1 Design | RFIDRW-E-USB | With antenna |
| RFID tag | Unified Information Devices | UC-1485-10 | |
| rod | Boltdepot | 23632 | cut to > 3.5" |
| Rotary tool | Used to bore hole in apparatus and colony caging for ORT; any hardware usable | ||
| sand paper | HSYMQ (Amazon) | TOMPOL-1118-1915-11 | |
| socket wrench set | Any socket wrench set works | ||
| soldering iron | |||
| super glue | 234790 | ||
| wire | Plusivo (Amazon) | EAN0721248989789 |
References
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