הערכת שליטה מיומנת בעכברים באמצעות מאמן אוטומטי
Summary
השיטה כדי להעריך את ההשפעה של אימון על מיומנויות מוטוריות הוא כלי שימושי. למרבה הצער, רוב הערכות התנהגותיות יכול להיות אינטנסיבית ו/או יקר. אנו מתארים כאן שיטה רובוטית של הערכת התפיסה (הגעה לתפוס) מיומנות בעכברים.
Abstract
אנו מתארים שיטה להחדיר עכברים תמימים למשימה הרומן (הגעה לתפיסה) משימה. עכברים נמצאים ביחידים בכלובים עם חריץ חזיתית המאפשר לעכבר להגיע מהכלוב ולאחזר כדורי מזון. הגבלת מזון מינימלי מועסק כדי לעודד את העכברים לבצע אחזור מזון מן החריץ. כמו העכברים מתחילים לשייך את החריץ למזון, כדורי משכו באופן ידני כדי לעורר את הסיומת ואת פרונציה של כף היד שלהם לתפוס ולאחזר את הגלולה דרך החריץ הקדמי. כאשר העכברים מתחילים להגיע כדורי כפי שהם מגיעים לחריץ, שיטת ההתנהגות ניתן לבצע על ידי מדידת הקצב שבו הם תופסים בהצלחה ולאחזר את הגלולה הרצויה. הם הציגו לאחר מכן מאמן אוטומטי ההופך את התהליך של מתן כדורי מזון עבור העכבר כדי לתפוס, ואת ההקלטה של מוצלח ונכשל להגיע ואוחז ניסיונות. הדבר מאפשר לאסוף נתונים עבור מספר רב של עכברים בעלי מאמץ מינימלי, לשימוש בניתוח ניסיוני בהתאם לצורך.
Introduction
שיטות לבדיקה מוטורית של מיומנויות מוטוריות לפני ופוסט נוירולוגי, כמו גם לווסת את העיתוי, כמות, וסוג של הכשרה מוטוריים חשובים מחקר טרנסלtional. בעשור האחרון, עכברים, בגלל הקלות של מניפולציה גנטית, הפכו מערכת המודל הפופולרי שבו כדי להבהיר את המנגנונים של למידה מוטורית מראש ולאחר פציעה. עם זאת, התנהגות התנהגותית אומר בעכברים לא היו ממוטבים באותו אופן, כי מאמר כזה היה עבור יונקים אחרים (במיוחד חולדות). עוד, ישנם הבדלים חשובים בין התנהגות של עכבר לבין חולדה המציעים בחריפות את שני המינים בנימוסים שונים1,2.
תנועות אנער מיומנים להשתמש ביד/כף למקום מזון בפה, כדי לתמרן אובייקט, או להשתמש בכלי. ואכן, הגעה לתפיסת חפצים שונים בחיי היומיום היא פונקציה בסיסית של הגפיים העליונות ומעשה ההגעה לאכילה הוא צורה של הבנה שיונקים רבים משתמשים בהם. רבים מהשינויים הגנטיים, הפיזיולוגיים והאנטומיים האנער ברכישת מיומנות מוגדרים היטב בשדה3. בתרגום ממצאים פרה-קליניים לתוצאות קליניות, יש צורך בבדיקה רלוונטית שהיא יעילה ומתוכמת. מחקרים של מכרסם ולהגיע האדם להפגין כי התנהגות הסדר דומה בבני אדם בעלי חיים4. בהתאם לכך, קווי הדמיון הללו מצביעים על כך שבדיקת הסדר יכולה לשמש כמודל טרנסלטילי לחקירת למידה מוטורית, כמו גם ליקויים וטיפולים במחלות אנושיות. לכן, הערכת הסדר בעכברים יכול להציע כלי רב עוצמה במחקר טרנסלפורמציה ללמוד הן בריאות והן מצבים מחלות4.
למרבה הצער, משימה בסדר בעכברים, אפילו עבור הגדרת מעבדה קטנה, יכול להיות מפרך זמן רב. כדי להקל על בעיה זו, אנו מתארים כאן גרסה אוטומטית של משימת החסימה. המשימה המתוארת מחייבת עכברים כדי להאריך כפה אחת דרך חריץ הבית של העכבר בכלוב הקדמית, לחזק את הכף המורחבת, לתפוס את הגמול מזון הגלולה, ולמשוך את הגלולה בחזרה אל פנים הכלוב עבור צריכה. הנתונים המתקבלים מוצגים כהצלחה או כישלון הניתן לחסימה. אוטומציה זו מתעדת בהצלחה את הנתונים ומפחיתה את הנטל והזמן שבהם החוקרים חייבים לעסוק במשימה.
Protocol
Representative Results
Discussion
מאמן אוטומטי שלנו מעריך forelimb הגעה לתפיסה (הבנת) באופן אוטומטי. כדי להשיג נקודת קצה זו, רבים מהפרמטרים שתוכננו עבור המשימה לקבלת העכבר, כולל מיקום גלולה, גודל גלולה, וקריטריוני הדרכה, כבר איטרלו במשך מספר שנים והותאמה מפרוטוקולים קודמים2,5 ,6</sup…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מכשיר ההדרכה האוטומטית נבנה על ידי ג’ייסון דונת’ורן, אורי טסה ו דן טסה בניתוח שלב, LLC, עם תמיכה בקלט והוראות שסופקו על ידי רוברט האברד, ריצ’רד או’בריאן וסטיבן זלר.
תרזה דוארטה של מרכז צ’מפלימוד עבור הלא ידוע סיפקה תובנה ורעיונות חשובים אודות תיאור וסיווג העכבר להגיע פעולות.
Materials
| ABS Filament | Custom 3D Printed | N/A | utilized for pellet holder, frame, arm and funnel |
| ABS Sheet | McMaster-Carr | 8586K581 | 3/8" thickness; used for platform compononents, positioning stand guides and base |
| Adruino Mini | Adruino | A000087 | nano version also compatiable as well as other similar microcontrollers |
| Bench-Top Adjustable-Height Positioning Stand | McMaster-Carr | 9967T43 | 35 lbs. load capacity |
| Clear Acrylic Round Tube | McMaster-Carr | 8532K14 | ID 3/8" |
| Low-Carbon Steel Wire | McMaster-Carr | 8855K14 | 0.148" diameter |
| Pellet Dispenser | Lafayette Instrument: Neuroscience | 80209-45 | with 45 mg interchangeable pellet size wheel and optional stand |
| Photointerrupter Breakout Board | SparkFun | BOB-09322 ROHS | designed for Sharp GP1A57HRJ00F |
| Reflective Object Sensor | Fairchild Semiconductor | QRD1113 | phototransistor output |
| Servo Motor | SparkFun | S8213 | generic metal gear (micro size) |
| Transmissive Photointerrupter | Sharp | GP1A57HRJ00F | gap: 10 mm, slit: 1.8 mm |
References
- Whishaw, I. Q. An endpoint, descriptive, and kinematic comparison of skilled reaching in mice (mus musculus) with rats (rattus norvegicus). Behavior Brain Research. 78, 101-111 (1996).
- Farr, T. D., Whishaw, I. Q. Quantitative and qualitative impairments in skilled reaching in the mouse (mus musculus) after a focal motor cortex stroke. Stroke. 33, 1869-1875 (2002).
- Zeiler, S. R., Krakauer, J. W. The interaction between training and plasticity in the poststroke brain. Current Opinion in Neurology. 26, 609-616 (2013).
- Klein, A., Sacrey, L. A., Whishaw, I. Q., Dunnett, S. B. The use of rodent skilled reaching as a translational model for investigating brain damage and disease. Neuroscience and Biobehavioral Reviews. 36, 1030-1042 (2012).
- Zeiler, S. R., et al. Medial premotor cortex shows a reduction in inhibitory markers and mediates recovery in a mouse model of focal stroke. Stroke. 44, 483-489 (2013).
- Becker, A. M., Meyers, E., Sloan, A., Rennaker, R., Kilgard, M., Goldberg, M. P. An automated task for the training and assessment of distal forelimb function in a mouse model of ischemic stroke. Journal of Neuroscience Methods. 258, 16-23 (2016).
- Bruinsma, B., et al. An automated home-cage-based 5-choice serial reaction time task for rapid assessment of attention and impulsivity in rats. Psychopharmacology. , 1-12 (2019).
- Francis, N. A., Kanold, P. O. Automated operant conditioning in the mouse home cage. Frontiers in Neural Circuits. 11 (10), (2017).
- Balcombe, J. P., Barnard, N. D., Sandusky, C. Laboratory routines cause animal stress. Contemporary Topics in Laboratory Animal Science. 43, 42-51 (2004).
- Fenrich, K. K., et al. Improved single pellet grasping using automated ad libitum full-time training robot. Behavior Brain Research. 281, 137-148 (2015).
- Ng, K. L., et al. Fluoxetine maintains a state of heightened responsiveness to motor training early after stroke in a mouse model. Stroke. 46 (10), 2951-2960 (2015).
- Whishaw, I. Q., Suchowersky, O., Davis, L., Sarna, J., Metz, G. A., Pellis, S. M. Impairment of pronation, supination, and body co-ordination in reach-to-grasp tasks in human parkinson’s disease (pd) reveals homology to deficits in animal models. Behavior Brain Research. 133, 165-176 (2002).
- Dobrossy, M. D., Dunnett, S. B. The influence of environment and experience on neural grafts. Nature Review Neuroscience. 2, 871-879 (2001).
- Alaverdashvili, M., Foroud, A., Lim, D. H., Whishaw, I. Q. "Learned baduse" limits recovery of skilled reaching for food after forelimb motor cortex stroke in rats: A new analysis of the effect of gestures on success. Behavior Brain Research. 188, 281-290 (2008).
