Recopilación de datos de comportamiento de ratas autoiniciadas para caracterizar los déficits posteriores a un accidente cerebrovascular

Summary

Se presenta un sistema para adquirir datos de sesiones de comportamiento individual autoiniciadas dentro de un entorno de jaula de colonia social. La eficacia de este sistema se demuestra utilizando una evaluación automatizada de alcance experto, que permite la caracterización de las alteraciones motoras posteriores al accidente cerebrovascular, las posibles alteraciones del comportamiento relacionadas con la motivación, las variaciones circadianas y otras variables dependientes innovadoras.

Abstract

Las pruebas de comportamiento en modelos de ratas se utilizan con frecuencia para diversos fines, incluida la investigación psicológica, biomédica y conductual. Muchos enfoques tradicionales implican sesiones de prueba individuales e individuales entre un solo investigador y cada animal en un experimento. Esta configuración puede llevar mucho tiempo para el investigador, y su presencia puede afectar a los datos de comportamiento de formas no deseadas. Además, el enjaulamiento tradicional para la investigación con ratas impone una falta de enriquecimiento, ejercicio y socialización que normalmente sería típica de la especie, y este contexto también puede sesgar los resultados de los datos de comportamiento. Superar estas limitaciones puede valer la pena para varias aplicaciones de investigación, incluido el estudio de la lesión cerebral adquirida. Aquí, se presenta un método de ejemplo para entrenar y probar automáticamente el comportamiento individual de ratas en una jaula de colonia sin la presencia de humanos. La identificación por radiofrecuencia se puede utilizar para adaptar las sesiones a cada rata. La validación de este sistema se produjo en el contexto del ejemplo de medición del rendimiento motor de las extremidades anteriores antes y después de un accidente cerebrovascular. Se miden las características tradicionales de las alteraciones conductuales posteriores a un accidente cerebrovascular y las nuevas medidas habilitadas por el sistema, incluida la tasa de éxito, varios aspectos de la fuerza de tracción, el análisis de combates, la tasa y los patrones de inicio, la duración de la sesión y los patrones circadianos. Estas variables se pueden recopilar automáticamente con pocas limitaciones; Aunque el aparato elimina el control experimental de la exposición, el tiempo y la práctica, la validación produjo una consistencia razonable en estas variables de un animal a otro.

Introduction

El entrenamiento conductual y las pruebas con modelos de ratas son importantes en innumerables áreas de investigación, desde la exploración de los procesos cognitivos hasta los estados de enfermedad^{y más.} Por lo general, este entrenamiento y pruebas se llevan a cabo con animales individuales en sesiones individuales, con un investigador retirando manualmente al animal de su jaula doméstica y colocándolo temporalmente en algún tipo de aparato. Desafortunadamente, existen varias dificultades y limitaciones con este enfoque. En primer lugar, las pruebas de comportamiento pueden llevar una gran cantidad de tiempo para los investigadores, y cuando es necesaria la formación, ese requisito de tiempo se vuelve aún mayor. En segundo lugar, este enfoque afecta automáticamente -o incluso potencialmente confunde- a los datos adquiridos, como se ha establecido en otro lugar². Estos factores de confusión son especialmente notables cuando se consideran las variables relacionadas con el enriquecimiento. Específicamente, las ratas de laboratorio se alojan tradicionalmente en jaulas pequeñas que son lo suficientemente grandes para una o dos ratas^{, y} si no se les proporcionan ruedas para correr, pueden pasar toda la vida sin oportunidades significativas para hacer ejercicio. Además, la vivienda aislada puede ser una fuente importante de estrés en una especie social como la rata⁴. Es probable que algunos de estos inconvenientes relacionados con el bienestar afecten a la fisiología de las ratas ^5,6, lo que puede impedir el desarrollo de la expresión conductual típica de la especie⁴ e impactar en la calidad de los modelos de roedores aplicados a contextos humanos.

Los investigadores han buscado varios tipos de soluciones a estos problemas en los últimos años. El tipo de solución más simple ha sido automatizar las pruebas de comportamiento y el entrenamiento 7,8,9,10, eliminando así el requisito de que un solo investigador atienda a un solo animal. Una solución adicional ha sido automatizar la transferencia de animales a las cámaras experimentales^11,12, eliminando aún más la necesidad de la participación humana. Por último, se han explorado varias configuraciones que permiten alojar a los animales en jaulas en colonias con otros animales y con más espacio para la exploración y el enriquecimiento¹³. A pesar de estas ventajas, estas configuraciones de colonias pueden limitar o complicar los esfuerzos para recopilar datos de comportamiento diferenciados individualmente (aunque véanse los esfuerzos para usar la visión artificial)^14,15. Si se requieren datos de comportamiento individual, puede ser más difícil o complejo identificar y recuperar animales de las jaulas de las colonias para las sesiones de comportamiento. En la actualidad, existen pocos sistemas para recolectar datos de comportamiento individual de colonias (enriquecidas) que albergan 16,17,18.

Estos inconvenientes pueden afectar específicamente la investigación sobre los efectos conductuales de las lesiones cerebrales adquiridas. En primer lugar, está claro que la presencia y/o el sexo de los humanos, así como las prácticas de manipulación, afectan el comportamiento de los roedores ^2,19, y estas variables pueden afectar diferencialmente el comportamiento de las ratas antes de frente a las ratas ^2,19. después de un derrame cerebral. En segundo lugar, los resultados del comportamiento humano después de un accidente cerebrovascular pueden empeorar si disminuyen voluntariamente el compromiso con la dosis recomendada de ejercicios de rehabilitación²⁰. Actualmente, los experimentos con roedores tienden a no modelar este tipo de contexto, porque las ratas no son libres de elegir participar o abstenerse de sesiones de comportamiento.

Este artículo presenta un protocolo diseñado para facilitar las pruebas de comportamiento individual en el marco del enjaulamiento en colonias enriquecidas. Este enfoque no solo aborda las limitaciones de las prácticas actuales, sino que también abre vías para la exploración de medidas innovadoras. Se ha desarrollado un torniquete para una rata (ORT) que se puede fijar a la jaula de una colonia, lo que permite a los animales entrar en las cámaras de comportamiento de forma independiente e iniciar sus propias sesiones de entrenamiento y pruebas. El sistema es asequible; cada ORT se puede ensamblar a bajo costo (dado acceso a una impresora 3D). En el pasado, la validación de este sistema se llevó a cabo utilizando una cámara operante básica, demostrando que los animales podían ser entrenados consistentemente para realizar una simple presión de palanca operante sin la presencia de un experimentador¹⁶. Sin embargo, la cuestión de si esta configuración es aplicable a otros escenarios sigue sin resolverse. El objetivo es validar la efectividad de la configuración de jaula de colonias ORT, que se estableció previamente, para entrenar y cuantificar el comportamiento de alcance hábil relevante para el deterioro motor después de un accidente cerebrovascular. La configuración se utilizó para generar nuevas variables que normalmente no se exploran en la investigación del ictus. Estas variables incluyen métricas de rendimiento para la tarea de alcance calificado y mediciones de autoiniciación, que podrían ser pertinentes para la motivación y la toma de decisiones. Además, se detectaron eficazmente los cambios inducidos por el accidente cerebrovascular en los patrones circadianos de autoinicio diario a lo largo de todo el período de 24 horas.

Protocol

Todos los procedimientos y el cuidado de los animales fueron aprobados por el Comité Institucional de Cuidado y Uso de Animales de la Universidad del Norte de Texas (IACUC) y se adhirieron a la guía de los Institutos Nacionales de Salud para el cuidado y uso de animales de laboratorio. Las ratas Long-Evans macho y hembra adultas (400-800 g, 1,5 años de edad), utilizadas en el presente estudio, se alojaron en jaulas de colonia. 1. Preparación del equipo Obtenga o …

Representative Results

Los animales fueron entrenados y probados con cuatro ratas hembras en una jaula de colonia y cuatro ratas macho en una jaula de colonia separada. Todas las ratas aprendieron a pasar a través de las ORT en cuatro días o menos. Las cuatro ratas hembras alcanzaron un >85% de éxito en los combates con el requerimiento de fuerza de 120 g en aproximadamente 6 semanas de entrenamiento y las ratas macho alcanzaron el mismo criterio en 10 semanas (en comparación con aproximadamente 3 semanas con el entrenamiento estándar con…

Discussion

Este protocolo tiene múltiples usos. En primer lugar, y en términos más generales, la ORT se desarrolló con el propósito de permitir el entrenamiento conductual automatizado de un solo sujeto y la recopilación de datos en el contexto de la vivienda social enriquecida. Si bien este estudio probó la idea de recopilar medidas conductuales típicas y elaborarlas en el contexto del accidente cerebrovascular, se puede hacer lo mismo con otras aplicaciones y tareas conductuales. Incluso las medidas recogidas en esta vali…

Materials

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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
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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
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soldering iron
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