Questo manoscritto descrive un’attività semi-automatizzata che quantifica la supinazione in ratti. Ratti raggiungono, afferrare e supinazione un manipulandum sferica. Il ratto è stato premiato con un pellet se l’angolo di turno supera un criterio impostato dall’utente. Questa operazione aumenta il throughput, sensibilità alle lesioni e oggettività rispetto ai compiti tradizionali.
Attività che consente di misurare con precisione destrezza nei modelli animali sono fondamentali per capire la funzione della mano. Attuale attività comportamentali ratto misurare destrezza in gran parte utilizzano analisi video di manipolazione raggiungendo o cibo. Mentre queste attività sono facili da implementare e sono robuste modelli di malattia, sono soggettivi e laborioso per lo sperimentatore. Automatizzazione delle attività tradizionali o la creazione di nuove attività automatizzate può rendere l’attività più efficiente, oggettiva e quantitativa. Dal momento che i ratti sono meno abile di primati, centrale nervoso, lesioni del sistema (SNC) produce più deficit sottili in destrezza, tuttavia, supinazione è altamente interessati nei roditori e cruciale a portata di mano funzione nei primati. Pertanto, abbiamo progettato un’attività semi-automatica che misura supinazione forelimb in ratti. Ratti sono addestrati per raggiungere e afferrare un manipulandum a forma di manopola e girare la manipulandum in supinazione per ricevere una ricompensa. Ratti possono acquisire l’abilità all’interno di 20 ± 5 giorni. Mentre la prima parte della formazione è altamente sorvegliata, gran parte della formazione è fatto senza la diretta supervisione. Il compito in modo affidabile e riproducibile cattura deficit sottili dopo la ferita e viene illustrato il recupero funzionale che ne rifletta le curve recupero clinico. Analisi dei dati viene eseguita da un software specializzato attraverso un’interfaccia di utente grafica che è stato progettato per essere intuitivo. Abbiamo anche dare soluzioni a problemi comuni riscontrati durante l’allenamento e Vedi che piccole correzioni al comportamento presto nella formazione producono affidabile acquisizione di supinazione. Così, il compito di supinazione manopola fornisce efficiente e valutazione quantitativa di un movimento critico per destrezza in ratti.
Una perdita di destrezza dopo lesioni del sistema nervoso o malattia diminuisce significativamente l’indipendenza e qualità della vita per individui affetti 1,2,3,4. Così, la destrezza è una misura di risultato importante per comprendere la scienza della riparazione neurale e riabilitazione come bene le basi di controllo neurale del movimento e apprendimento motorio. Tradizionalmente, attività manuali come singolo pellet raggiungendo, manipolazione di pasta e Irvine, Beatties e scala Forelimb Bresnahan (IBB) sono state utilizzate per valutare la destrezza negli animali, in particolare roditori 5, 6,7. Queste attività hanno diventato popolare a causa del loro tempo di acquisizione di attività minima. Tuttavia, essi sono di natura, laborioso per lo sperimentatore e, a volte, insensibile alla compromissione funzionale dopo la lesione con deficit sottili 5,7,8,9qualitative. Queste limitazioni di attività tradizionali hanno stimolato lo sviluppo di ulteriori misure quantitative della funzione motoria negli animali, in particolare, raggiungendo degli arti anteriori.
Ci sono diversi vantaggi per l’automazione delle attività, vale a dire obiettività, aumentare la velocità effettiva e il tempo di analisi in diminuzione. Nuovi compiti automatizzati forniscono una misura più sensibile di valutazione destrezza dopo l’infortunio di compiti convenzionali 8,10. Inoltre, essi consentono formazione adattiva e prova che sarti l’addestramento e prova di difficoltà per le prestazioni di un animale. Infine, attività automatiche generano grandi quantità di dati, che forniscono due vantaggi. In primo luogo, un aumento dei dati all’interno di una prova e il numero di prove aumenta la potenza statistica di uno studio. In secondo luogo, dà i neuroscienziati un set di dati più grande da cui studiare l’apprendimento motorio, la formazione e la compensazione più robustamente attraverso l’analisi della cinetica e cinematica informazioni 11.
Parecchi gruppi hanno tentato di automatizzare compiti tradizionali. Telecamere ad alta velocità possono essere utilizzati per raccogliere dati cinematici da compiti come il pellet singolo raggiungendo attività 12. Alaverdashvili e Wishaw hanno usato macchine fotografiche ad alta velocità per catturare i movimenti di raggiungimento e analizzare i movimenti di cifre utilizzando software di misurazione frame-by-frame motion picco Motus 13. Tuttavia, questo software non consente di identificare cifre utilizzando computer vision, ma richiede invece lo sperimentatore digitalizzare i punti movimento cursore. Inoltre, alcune attività sono stati utilizzati in combinazione con alimentatori e gabbie per automatizzare il processo di formazione 14,15,16.
Altri gruppi hanno utilizzato sensori di forza, come pure le telecamere ad alta velocità per valutare modifiche spaziali e forza nell’arto anteriore qualificati raggiungere utilizzando la manipolazione di pasta, mentre altri hanno progettato le attività per acquisire più complessi movimenti 17. Una tale attività è un’attività reach e tirare che utilizza un dispositivo robotico di tre gradi di libertà per catturare il movimento planare e rotazionale di ratto forelimb movimenti 18. Questo ha vantaggi nell’essere in grado di misurare la cinetica dei movimenti ma con un aumento nella complessità e costo.
Qui, noi dimostrare un’attività semi-automatizzato degli arti anteriori che misura supinazione in ratti 8. Supinazione degli arti anteriori è la rotazione della zampa dal palmo verso il basso per palm. Supinazione è un eccellente indicatore della funzione tratto corticospinale e un movimento clinicamente rilevante negli esseri umani che è richiesto per attività 8,19,20di vita quotidiana. Inoltre, supinazione è altamente sensibile alla ferita ed inattivazione, soprattutto se paragonato al singolo pellet arrivano fino a 8. L’attività di supinazione, sviluppato in collaborazione tra l’Istituto di ricerca medica di Burke e l’Università del Texas a Dallas, il movimento rotazionale misure nel piano orizzontale 8,10. Ratti sono posti in una scatola comportamentale (Figura 1A) e sono addestrati a fare tre movimenti (Figura 1B): raggiungere attraverso un’apertura rettangolare; afferrare un manipulandum sferica; supinazione all’angolo designato.
L’attività di comportamento è controllato dal software PC (Figura 1). Il software di controllo Invia istruzioni ad un microcontrollore che è collegato alla auto-posizionatore, encoder ottico, altoparlante e alimentatore. Il microcontrollore e dei suoi collegamenti periferici sono appresso la casella del microcontrollore. Informazioni scorre dall’encoder ottico, il microcontrollore, quindi il computer e poi di nuovo al microcontrollore. Se il software di controllo ha segnalato al microcontrollore che la prova è stata un successo, il microcontrollore innesca l’alimentatore per erogare una pallina. All’inizio di ogni sessione, il software di controllo Inoltra le informazioni di fase al microcontrollore, che dirige il auto-posizionatore per posizionare la manopola a distanza definita dello stage dall’apertura. Il auto-posizionatore può anche essere azionato manualmente utilizzando i tasti freccia situati sulla auto-posizionatore. L’encoder ottico registra dati alle modifiche di 100 Hz e misure di angolo. Tutti i dati sono memorizzati in formato binario.
Lo sperimentatore utilizza stadi di formazione sequenziale all’interno del software per addestrare il topo da assuefazione a supinating ad un tasso predeterminato di angolo e di successo. Durante l’assuefazione, manipulandum la manopola è posizionata all’interno della finestra di apertura senza alcun contrappeso. Dopo una settimana di addestramento altamente sorvegliato, ratto associa la manopola con una ricompensa e comincia girando la manopola in modo indipendente. Una volta che il topo è in grado di ruotare in modo indipendente, la manopola è retratto a 1,25 cm di 0.25 incrementi cm fino a quando il ratto può girare in modo indipendente a 1,25 cm. contrappeso è quindi aggiunto in incrementi di 1 g 3G al treno di 6 g. automatizzato formazione fasi all’animale di supinazione la manopola a 6 g fino a 75 gradi. Questa fase di formazione è in gran parte senza supervisione; una volta che ratti adottano il compito con la forma corretta (discussa sotto), continuano a supinazione correttamente. La formazione è completa quando ratti supinazione 75 gradi ad un tasso di successo (percentuale di successo) di 75% 8. Qui, descriviamo un protocollo di allenamento tipico e presentare soluzioni ai problemi più comuni che abbiamo incontrato. Dimostriamo la progressione dei ratti di successo e insuccesso rappresentativi attraverso il protocollo di allenamento e mostrare che l’attività può essere modificato per mostrare il danno funzionale con deficit sottili o più gravi.
L’attività di supinazione manopola valuta supinazione forelimb in ratti facendo uso di metodi quantitativi e semi-automatici. Per raggiungere questi endpoint, molti dei parametri progettati per il compito, tra cui l’allineamento manopola, manipulandum design e criteri di formazione, Stati iterati in parecchi anni. Per l’allineamento di manopola, abbiamo sperimentato con tre allineamenti diversi della manopola per quanto riguarda l’apertura: lato della manopola allineato con il lato sinistro dell’apertura di sinistro, la manopola centrato in apertura, e il lato destro della manopola allineato con il lato destro dell’una perture. Ci siamo sistemati sul lato destro della manopola viene allineato con il lato destro dell’apertura, come questo prodotto ratti che sono stati addestrati nel più breve lasso di tempo e che supinato con minimi meccanismi compensativi, in particolare, interferenza dalla zampa sinistra.
Per quanto riguarda manipulandum design, abbiamo alterato diverse caratteristiche di progettazione per massimizzare la svolta con la zampa anteriore e minimizzare uso del corpo. Inoltre, abbiamo scalato la difficoltà del compito alla severità del deficit previsto. Dopo pyramidotomy, supinazione è il movimento che più fortemente è influenzato, ma il danno è ancora relativamente sottile. Così, ci siamo allenati i ratti ad un criterio di base superiore (75°) per garantire che il grande deficit sono stati osservati dopo la ferita. Per lesioni corticali, che sono più alterando, soglia di 60 gradi a 7,5 g era sufficiente a dimostrare un significativo deficit dopo la ferita. Dimensione di apertura, la manopola distanza dal diaframma e la finestra di tempo per realizzare un processo di successo includono parametri aggiuntivi che sono stati ottimizzati attraverso un approccio di prova-e-errore.
Ci sono alcuni punti critici in tutto il protocollo di formazione che richiedono un’attenta supervisione. Quando ci si allena alla linea di base, il metodo di Sogliatura adattiva è stato utilizzato con successo per addestrare ratti a 75° 10. Tuttavia, i ratti può altopiano a un picco angolo inferiore a 75°; le prestazioni rimangono lo stesso dopo 4-5 sedute. Per migliorare le prestazioni, può essere impiegata una soglia statica. Una soglia statica si riferisce alla soglia rimanendo a un grado impostato, che è indipendente di prestazioni di ratto, in contrasto con una soglia adattiva che modifiche basate su recenti prestazioni. Se il ratto altipiani durante l’allenamento adattabile, lo sperimentatore dovrebbe cambiare a una soglia statica. Gamma di fasi di addestramento statico da 20 a 70 gradi in incrementi di 10°. (Fase K28 – K33). Scegli il livello statico basato su angolo di picco media del ratto in 2 sessioni precedenti. Ad esempio, se il topo è in media di 45°, selezionare la fase statica per 50 gradi (K31). Tutte le fasi statiche Impostare il “Init. Thresh.”al 5 °. Durante l’allenamento, se il topo perde la motivazione, inserire manualmente il ratto se esso supinates vicino ma non sopra la soglia.
Inoltre, durante la valutazione della linea di base, circa il 5% dei ratti regredire 5-10° nel loro angolo di supinazione e 5-10% nel tasso di successo tra le sessioni. Se questo accade, e il ratto non consente di ripristinare l’angolo di picco medio di 75° dopo 3-4 sedute, diminuire la fase statica all’interno di 10 gradi di angolo medio corrente del ratto prima di tornare al punto 3.5. È importante non reintrodurre un ratto alle fasi adattive una volta piazzata sulle fasi di addestramento statico.
Ci sono alcune limitazioni all’attività. Una volta stabilita la posizione di stretta non corretto, può essere difficile cambiare comportamento afferra (Figura 2). Quindi, correzione e la diagnosi precoce è importante. Per correggere la stretta di un topo, l’apertura può essere modificata da restringere la dimensione dell’apertura in direzione orizzontale o verticale; in genere registriamo un vetrino al bordo dell’apertura che ha bisogno di regolazione. Per la maggior parte dei ratti, questo migliora la loro forma stretta perché impone loro di cogliere il manipulandum in modo specifico. Questo, a sua volta, migliora la loro capacità di supinazione correttamente.
Oltre a questa sfida, ratti possono sviluppare meccanismi compensativi alla supinazione. Questi comprendono l’uso della testa per aiutare l’arto anteriore nella supinazione; abbassare il gomito e della spalla comune a ruotare la manopola; utilizzando la zampa sinistra per ruotare la manopola o spingere la zampa raggiungendo verso il basso. Tutti questi comportamenti può essere utilizzati per completare con successo l’attività. Come accennato in precedenza, i comportamenti relativi alla stretta possono essere corretto modificando l’apertura. Meccanismi compensativi di fuori della stretta, tuttavia, richiedono la partecipazione attiva dallo sperimentatore per non premiare comportamento compensativo. Dopo la ferita, abbiamo osservato ratti prendendo parecchie prove per posizionare la zampa nella posizione corretta prima di supinating. Anche se non abbiamo analizzato quali componenti dell’attività potrebbero contribuire alla perdita di supinazione, questi potrebbero includere la perdita di aderenza accurata e alterata modulazione di forza, tra molte possibilità.
Il compito di supinazione semi-automatizzato richiede, in media, 20 ± 5 giorni addestrare ratti alla linea di base e 25% degli animali sono in grado di essere addestrati sul compito. Contribuire al tempo di addestramento è il fatto che non hai selezionato naturalmente diritto-preferenza ratti ma invece forzare tutti gli animali per le zampe di destra come è comune nella maggior parte dei saggi raggiungendo. Non abbiamo provato facendo uso dei ratti di sinistra-preferenza, ma sarebbe un interessante studio esplorativo per identificare prima preferenza zampa e poi treno la zampa dominante. Per accogliere questo, ci sarebbe bisogno di capovolgere l’orientamento delle porte in modo che l’apertura è invertita; Questo può essere fatto facilmente.
Rispetto ai tradizionali compiti come l’IBB o singolo pellet raggiungendo, il compito di supinazione quantitativamente e obiettivamente misura raggiungendo degli arti anteriori. Mostra sensibilità per lesioni gravi (lesione corticale) e lesioni sottili (pyramidotomy), e la procedura di formazione può essere modificata a seconda della gravità del modello ferita. Perché è semi-automatico, l’attività consente lo sperimentatore addestrare ratti multipli contemporaneamente, a seconda della fase di formazione. Questo migliora notevolmente la produttività e la velocità effettiva del ratto lo sperimentatore. Il compito è affidabile e riproducibile fra i ratti. Con la creazione di una guida sulla risoluzione dei problemi (Figura 2) per gli sperimentatori fare riferimento durante il protocollo di allenamento, abbiamo standardizzato diversi comportamenti non corretti, nonché soluzioni per risolverli. Infine, l’attività offre uno strumento intuitivo per analizzare grandi quantità di dati e dà lo sperimentatore la possibilità di approfondire la cinetica di supinazione.
In futuro, si utilizzerà il compito di supinazione semi-automatica come una piattaforma per valutare tipo, dose e tempi di riabilitazione. Il nostro laboratorio è interessato negli effetti di stimolazione il miglioramento funzionale dopo la lesione. Inoltre, siamo interessati a come terapie che stimolano neurale ripristino o migliorare la conduzione neurale e comunicazione può influenzare la riabilitazione. Abbiamo anche interesse a modificare l’attività per essere compatibile con elettrofisiologia affinché possiamo studiare apprendimento motorio; ratti con testatappi eseguire regolarmente l’attività e l’aggiunta di un commutatore per registrazione o stimolazione sarebbe semplice da fare. Il compito, come descritto, è per i ratti, ma ci sono anche laboratori di sperimentazione con l’utilizzo di topi per l’attività. In generale, questa attività può essere utilizzata per valutare la funzione degli arti anteriori in roditori in un’ampia varietà di modelli di lesione e Stati di malattia e a sua volta, per la valutazione di strategie riabilitative. Andando avanti, continueremo a migliorare l’attività, con perfezionamenti per ridurre comportamenti non corretti e migliorare la velocità di acquisizione di attività e tempi di formazione.
The authors have nothing to disclose.
Questa ricerca è stata finanziata dalla 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 |