Overvågning af fin- og associativ motorisk indlæring hos mus ved hjælp af Erasmus-stigen
Summary
Denne artikel præsenterer en protokol, der tillader en ikke-invasiv og automatiseret vurdering af finmotorisk ydeevne samt adaptiv og associativ motorisk læring ved hjælp af en enhed kaldet Erasmus Ladder. Opgavevanskeligheder kan titreres for at detektere motorisk svækkelse, der spænder fra større til subtile grader.
Abstract
Adfærd formes af handlinger, og handlinger kræver motoriske færdigheder som styrke, koordination og læring. Ingen af de adfærdsmønstre, der er afgørende for at opretholde livet, ville være mulige uden evnen til at skifte fra en position til en anden. Desværre kan motoriske færdigheder blive kompromitteret i en lang række sygdomme. Derfor er det afgørende at undersøge mekanismerne for motoriske funktioner på celle-, molekylær- og kredsløbsniveau samt forstå symptomer, årsager og progression af motoriske lidelser for at udvikle effektive behandlinger. Musemodeller anvendes ofte til dette formål.
Denne artikel beskriver en protokol, der tillader overvågning af forskellige aspekter af motorisk ydeevne og læring hos mus ved hjælp af et automatiseret værktøj kaldet Erasmus Ladder. Analysen involverer to faser: en indledende fase, hvor mus trænes til at navigere i en vandret stige bygget af uregelmæssige trin (“finmotorisk læring”), og en anden fase, hvor en hindring præsenteres i det bevægelige dyrs vej. Forstyrrelsen kan være uventet (“udfordret motorisk læring”) eller forud for en auditiv tone (“associativ motorisk læring”). Opgaven er let at udføre og understøttes fuldt ud af automatiseret software.
Denne rapport viser, hvordan forskellige aflæsninger fra testen, når de analyseres med følsomme statistiske metoder, muliggør fin overvågning af musemotoriske færdigheder ved hjælp af en lille kohorte af mus. Vi foreslår, at metoden vil være meget følsom til at evaluere motoriske tilpasninger drevet af miljøændringer samt tidlige stadier af subtile motoriske underskud hos mutante mus med kompromitterede motoriske funktioner.
Introduction
En række tests er blevet udviklet til at vurdere motoriske fænotyper hos mus. Hver test giver information om et specifikt aspekt af motorisk adfærd1. For eksempel informerer den åbne felttest om generel bevægelse og angsttilstand; rotarod- og gangstråleprøver på koordination og balance fodaftryksanalyse handler om gang; løbebånd eller løbehjul ved tvungen eller frivillig fysisk træning Og det komplekse hjul handler om motorisk indlæring. For at analysere musemotoriske fænotyper skal efterforskere udføre disse tests sekventielt, hvilket involverer meget tid og kræfter og ofte flere dyrekohorter. Hvis der er information på mobil- eller kredsløbsniveau, vælger efterforskeren normalt en test, der overvåger et beslægtet aspekt og følger derfra. Imidlertid mangler paradigmer, der diskriminerer forskellige aspekter af motorisk adfærd på en automatiseret måde.
Denne artikel beskriver en protokol til brug af Erasmus Ladder 2,3, et system, der muliggør omfattende vurdering af en række motoriske indlæringsfunktioner hos mus. De vigtigste fordele er metodens reproducerbarhed og følsomhed sammen med evnen til at titrere motoriske vanskeligheder og adskille underskud i motorisk ydeevne fra nedsat associativ motorisk læring. Hovedkomponenten består af en vandret stige med alternative høje (H) og lave (L) trin udstyret med berøringsfølsomme sensorer, der registrerer musens position på stigen. Stigen er lavet af 2 x 37 trin (L, 6 mm; H, 12 mm) med en indbyrdes afstand på 15 mm og placeret i et venstre-højre skiftemønster med 30 mm mellemrum (figur 1A). Rungs kan flyttes individuelt for at generere forskellige sværhedsgrader, det vil sige at skabe en hindring (hæve de høje trin med 18 mm). Sammen med et automatiseret registreringssystem og sammenkædning af ændringer af trinmønsteret med sensoriske stimuli tester Erasmus-stigen finmotorisk indlæring og tilpasning af motorisk ydeevne som reaktion på miljømæssige udfordringer (udseende af et højere trin for at simulere en forhindring, en ubetinget stimulus [US]) eller tilknytning til sensoriske stimuli (en tone, en betinget stimulus [CS]). Testen involverer to forskellige faser, der hver vurderer forbedring i motorisk ydeevne over 4 dage, hvor mus gennemgår en session på 42 på hinanden følgende forsøg om dagen. I den indledende fase trænes mus til at navigere på stigen for at vurdere “fin” eller “dygtig” motorisk læring. Den anden fase består af sammenflettede forsøg, hvor en hindring i form af et højere trin præsenteres i det bevægelige dyrs vej. Forstyrrelsen kan være uventet for at vurdere “udfordret” motorisk læring (kun USA-forsøg) eller annonceret af en auditiv tone for at vurdere “associativ” motorisk læring (parrede forsøg).
Erasmus-stigen er blevet udviklet relativt for nylig 2,3. Det er ikke blevet brugt i vid udstrækning, fordi opsætning og optimering af protokollen krævede fokuseret indsats og var specielt designet til at vurdere cerebellarafhængig associativ læring uden at udforske detaljeret dets potentiale til at afsløre andre motoriske underskud. Til dato er det blevet valideret for dets evne til at afsløre subtile motoriske svækkelser forbundet med cerebellær dysfunktion hos mus 3,4,5,6,7,8. For eksempel viser connexin36 (Cx36) knockout-mus, hvor mellemrumskryds er nedsat i olivary neuroner, affyringsunderskud på grund af manglende elektrotonisk kobling, men motorfænotypen havde været svært at lokalisere. Test ved hjælp af Erasmus-stigen antydede, at rollen som ringere olivary neuroner i en cerebellar motorisk læringsopgave er at kode præcis tidsmæssig kodning af stimuli og lette læringsafhængige reaktioner på uventede begivenheder 3,4. Fragil X Messenger Ribonucleoprotein 1 (Fmr1) knockout mus, en model for Fragile-X-syndrom (FXS), udviser en velkendt kognitiv svækkelse sammen med mildere defekter i proceduremæssig hukommelsesdannelse. Fmr1 knockouts viste ingen signifikante forskelle i skridttider, fejltrin pr. forsøg eller motorisk præstationsforbedring i forhold til sessioner i Erasmus Ladder, men undlod at justere deres gangmønster til den pludselig fremkomne hindring sammenlignet med deres wild-type (WT) kuldkammerater, hvilket bekræfter specifikke proceduremæssige og associative hukommelsesunderskud 3,5. Desuden udviste cellespecifikke musemutantlinjer med defekter i cerebellar funktion, herunder nedsat Purkinje-celleoutput, potensering og molekylære laginterneuron- eller granulatcelleudgange, problemer i motorisk koordinering med ændret erhvervelse af effektive trinmønstre og i antallet af trin, der blev taget for at krydse stigen6. Neonatal hjerneskade forårsager cerebellære indlæringsunderskud og Purkinje-celledysfunktion, der også kunne påvises med Erasmus-stigen 7,8.
I denne video præsenterer vi en omfattende trin-for-trin guide, der beskriver opsætningen af adfærdsrummet, adfærdstestprotokollen og efterfølgende dataanalyse. Denne rapport er udformet til at være tilgængelig og brugervenlig og er designet specielt til at hjælpe nytilkomne. Denne protokol giver indsigt i forskellige faser af motorisk træning og forventede motoriske mønstre, som mus vedtager. Endelig foreslår artiklen en systematisk arbejdsgang til dataanalyse ved hjælp af en kraftfuld ikke-lineær regressionstilgang, komplet med værdifulde anbefalinger og forslag til tilpasning og anvendelse af protokollen i andre forskningssammenhænge.
Protocol
Representative Results
Discussion
Erasmus-stigen giver store fordele for vurdering af motorisk fænotype ud over de nuværende tilgange. Testning er let at udføre, automatiseret, reproducerbar og giver forskere mulighed for at vurdere forskellige aspekter af motorisk adfærd separat ved hjælp af en enkelt musekohorte. I den aktuelle undersøgelse tillod reproducerbarhed generering af robuste data med et lille antal WT-mus, der udnyttede enhedens funktioner, eksperimentelt design og analysemetoder. For eksempel, sammenlignet med traditionelle strålegan…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi anerkender den audiovisuelle tekniker og videoproducent Rebeca De las Heras Ponce samt chefdyrlægen Gonzalo Moreno del Val for tilsynet med god praksis under museforsøg. Arbejdet blev finansieret af tilskud fra GVA Excellence Program (2022/8) og det spanske forskningsagentur (PID2022143237OB-I00) til Isabel Pérez-Otaño.
Materials
| C57BL/6J mice (Mus musculus) | Charles Rivers | ||
| Erasmus Ladder device | Noldus, Wageningen, Netherlands | ||
| Erasmus Ladder 2.0 software | Noldus, Wageningen, Netherlands | ||
| Excel software | Microsoft | ||
| Sigmaplot software | Systat Software, Inc. |
Riferimenti
- Brooks, S. P., Dunnett, S. B. Tests to assess motor phenotype in mice: a user’s guide. Nat. Rev. Neurosci. 10 (7), 519-529 (2009).
- . Available from: https://www.noldus.com/erasmusladder (2023)
- Cupido, A., et al. . Detecting cerebellar phenotypes with the Erasmus ladder[dissertation]. , (2009).
- Van Der Giessen, R. S. Role of olivary electrical coupling in cerebellar motor learning. Neuron. 58 (4), 599-612 (2008).
- Vinueza Veloz, M. F. The effect of an mGluR5 inhibitor on procedural memory and avoidance discrimination impairments in Fmr1 KO mice. Genes Brain Behav. 11 (3), 325-331 (2012).
- Vinueza Veloz, M. F. Cerebellar control of gait and interlimb coordination. Brain Struct. Funct. 220 (6), 3513-3536 (2015).
- Sathyanesan, A., Kundu, S., Abbah, J., Gallo, V. Neonatal brain injury causes cerebellar learning deficits and Purkinje cell dysfunction. Nat. Commun. 9 (1), 3235 (2018).
- Sathyanesan, A., Gallo, V. Cerebellar contribution to locomotor behavior: A neurodevelopmental perspective. Neurobiol. Learn Mem. 165, 106861 (2019).
- McKenzie, I. A. Motor skill learning requires active central myelination. Science. 346 (6207), 318-322 (2014).
- Xiao, L. Rapid production of new oligodendrocytes is required in the earliest stages of motor-skill learning. Nat. Neurosci. 19 (9), 1210-1217 (2016).
