En roman enkelt dyr motoriske funksjoner sporingssystem ved hjelp av enkle, lett tilgjengelig programvare
Summary
Denne studien rettet til å automatisere kvantifisering av motor underskudd i rotter. Initial bedømmelse modellen vurderer motor resultat en intracortical microelectrode implantasjon i motorisk cortex. Vi rapporterer om utvikling og bruk av en sporing algoritme lett tilpasses, enkel og lett tilgjengelig koding programvare.
Abstract
Vi har nylig vist at implanting intracortical microelectrodes i den motor corteces rotter fører til umiddelbar og varig motor underskudd. Motor impairments kvantifisert manuelt via en åpen rutenettet test for å måle den grov motoriske funksjonen og en stige-test for å måle den fin funksjonen. Her diskuterer vi en teknikk for automatisert kvantifiseringen video-innspilte tester med våre tilpassede Capadona atferdsdata analyse videosystem: rutenett og stigen Test, eller BVAS. Utnytte enkel og lett tilgjengelig koding programvare (se Tabell for materiale), dette programmet tillater sporing av en enkelt dyr både åpne feltrutenettet og stigen testene. I åpne feltrutenettet sporing koden tersklene video for intensitet, spor plasseringen av rotta over 3 min varigheten av rutenettet testen og analyserer banen. Deretter beregner og returnerer mål for den totale avstanden reist, den høyeste hastigheten oppnås, antall venstre – og høyrehendte snur og antall rutenettlinjer krysses rotta. I stigen sporing, koden igjen terskler videoen for intensitet, sporer bevegelse av rottene over stigen, og returnerer beregnede målinger inkludert tiden det tok rotta å krysse stigen, antall pote glir oppstår under flyet av de stigen trinnene og forekomsten av feil på grunn av stagnasjon eller reversering. Vi ser at BVAS utviklet her kan brukes til analyse av funksjon i en rekke programmer, inkludert mange skade eller sykdom modeller.
Introduction
Det er mange etablerte metoder å vurdere både funksjonelt og atferdsmessige motor og andre1,2,3. Noen av metodene mer vanlig ansatt inkludere testing fin funksjon via pote plassering, stepping og lem koordinering på stigen test4, testing grov motoriske funksjoner og stress atferd via åpen rutenettet testen5 ,6, og testing for frykt, depresjon og fortvilelse via tvunget svømme teste7,8 eller rotoren rod9. Men stole mange av disse metodene på menneskelig forskere “score” dyret eller vurdere resultatene subjektivt. Behovet for en subjektiv menneskelig vurdering kan langsom generasjon og analyse av data, samt presentere muligheten for en tilsiktet eller utilsiktet innflytelse forskning skjevhet i studien10. Videre, subjektive vurderingen av dataene presenterer også risikoen for unøyaktige datarepresentasjon, enten det er gjennom glemsel, dårlig motivasjon, uriktig trening eller uaktsomhet11.
Vi har nylig rapportert bruk av både en åpen rutenettet test og en stige test i rotter implantert med intracortical microelectrodes12,13. På grunn av nyheten av funnene i disse studiene, vi umiddelbart begynte å ansette de og mer funksjonell testing i mange pågående studier i laboratoriet. I påvente av utilsiktet menneskeskapte variasjonen skyldes en økning i antall subjektive evalueringer, og å forbedre analyse gjennomstrømningen, satt vi ut for å opprette en automatisert, computer-assistert program å score atferdsmessige testing, og sterkt begrense muligheten for feil.
Her rapporterer vi på utviklingen av BVAS. BVAS bruker datamaskinen analyse for å score et åpent felt rutenettet test og en stige test som beregninger av brutto- og motorikk, henholdsvis. Resultatene kan brukes til å belyse mulig funksjon underskudd skyldes skade eller sykdom, uansett skade eller sykdom modellen. Analyse kodene kan tilpasses for endringer i atferdsdata testutstyr eller scorer ulike beregninger av motorikk. Derfor kan BVAS bli implementert i mange programmer, utover våre bruksområde eller den tiltenkte bruken av de for tiden ansatt av andre laboratorier.
Merk at åpne rutenett og stigen feltforsøk krever videoopptak. Hver test vil derfor kreve et videokamera [1080 p, minimum 15 bilder per sekund (fps)], en bærbar PC og et rom for å lagre videoen data. For begge tester, plassere kameraet i en sentrert posisjon, slik at hele apparatet å bli sett på rammen. Anchor kameraet på et stativ eller stillas slik at det ikke flytte under testing. Holde kantene på videorammen så nær parallelle kantene på testing apparater som mulig. Husk den samme personellet fullført alle tester og rom er lyse med en temperatur-kontrollert system. Bruk samme rom for alle dyr i løpet av testing, med minimale endringer i rommet. Korn eller banan chips gjør gode gevinster å oppmuntre dyrene fullføre atferd testene.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den mest kritiske delen av protokollen for å sikre en sterk analyse er konsekvent filmingen. Hvis videoene er godt opplyst og filmet på riktig sted som beskrevet i den første delen av protokollen, vil systemet kunne gjøre en nøyaktig analyse. Som med alle bildebehandling problem, vil arbeidet i forbehandling gjøre etter behandlingen mer nøyaktig og enkelt. Slik betyr gjør at apparatet og dyr er godt opplyst under testing og eventuelle skygger eller andre bevegelse i rammen holdes til et minimum at BVAS kan funger…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne studien ble støttet av fortjeneste gjennomgang prisen # B1495-R (til Jeffrey R. Capadona) og Presidential tidlig karriere Award for forsker og ingeniører (PECASE) (til Jeffrey R. Capadona) fra den USA Department of Veterans Affairs attføring Forskning og utvikling Service. I tillegg, var dette arbeidet støttes delvis av Office for Assistant Secretary of Defense for helse saker gjennom Peer vurdert medisinsk forskningsprogrammet under prisen nr. W81XWH-15-1-0608. Forfatterne bekrefter kilde for sin sommer forskningsmidler støtte. Innholdet representerer ikke synspunktene til United States Department of Veterans Affairs eller myndighetene i USA. Forfatterne vil gjerne takke Hiroyuki Arakawa i CWRU gnager atferd kjernen for hans veiledning i å utforme og teste gnager atferdsmessige protokoller. Forfatterne vil også gjerne takke James Drake og Kevin Talbot fra CWRU avdeling av mekanisk og luftfartsteknologi for deres hjelp i design og produksjon gnager stigen testen.
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 |
References
- 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).
