مراقبة التعلم الحركي الدقيق والترابطي في الفئران باستخدام سلم إيراسموس
Summary
تقدم هذه المقالة بروتوكولا يسمح بإجراء تقييم غير جراحي وآلي للأداء الحركي الدقيق ، بالإضافة إلى التعلم الحركي التكيفي والترابطي عند التحديات ، باستخدام جهاز يسمى سلم إيراسموس. يمكن معايرة صعوبة المهمة للكشف عن ضعف الحركة الذي يتراوح من درجات كبيرة إلى درجات دقيقة.
Abstract
يتشكل السلوك من خلال الإجراءات ، وتتطلب الإجراءات مهارات حركية مثل القوة والتنسيق والتعلم. لن يكون أي من السلوكيات الأساسية للحفاظ على الحياة ممكنا دون القدرة على الانتقال من موقف إلى آخر. لسوء الحظ ، يمكن أن تتعرض المهارات الحركية للخطر في مجموعة واسعة من الأمراض. لذلك ، فإن التحقيق في آليات الوظائف الحركية على المستويات الخلوية والجزيئية والدوائر ، وكذلك فهم أعراض وأسباب وتطور الاضطرابات الحركية ، أمر بالغ الأهمية لتطوير علاجات فعالة. كثيرا ما تستخدم نماذج الماوس لهذا الغرض.
توضح هذه المقالة بروتوكولا يسمح بمراقبة الجوانب المختلفة للأداء الحركي والتعلم في الفئران باستخدام أداة آلية تسمى سلم إيراسموس. يتضمن الفحص مرحلتين: مرحلة أولية حيث يتم تدريب الفئران على التنقل في سلم أفقي مبني من درجات غير منتظمة (“التعلم الحركي الدقيق”) ، ومرحلة ثانية حيث يتم تقديم عقبة في مسار المتحرك. يمكن أن يكون الاضطراب غير متوقع (“تحدي التعلم الحركي”) أو يسبقه نغمة سمعية (“التعلم الحركي الترابطي”). المهمة سهلة التنفيذ ومدعومة بالكامل بواسطة البرامج الآلية.
يوضح هذا التقرير كيف أن القراءات المختلفة من الاختبار ، عند تحليلها بأساليب إحصائية حساسة ، تسمح بالمراقبة الدقيقة للمهارات الحركية للفأر باستخدام مجموعة صغيرة من الفئران. نقترح أن تكون الطريقة حساسة للغاية لتقييم التكيفات الحركية المدفوعة بالتعديلات البيئية بالإضافة إلى العجز الحركي الدقيق في المراحل المبكرة في الفئران الطافرة ذات الوظائف الحركية المعرضة للخطر.
Introduction
تم تطوير مجموعة متنوعة من الاختبارات لتقييم الأنماط الظاهرية الحركية في الفئران. يعطي كل اختبار معلومات عن جانب معين من السلوك الحركي1. على سبيل المثال ، يبلغ اختبار المجال المفتوح عن الحركة العامة وحالة القلق ؛ اختبارات شعاع الروتارود والمشي على التنسيق والتوازن ؛ تحليل البصمة يدور حول المشي. جهاز المشي أو عجلة الجري في ممارسة الرياضة البدنية القسرية أو الطوعية ؛ والعجلة المعقدة تدور حول تعلم المهارات الحركية. لتحليل الأنماط الظاهرية الحركية للفأر ، يجب على الباحثين إجراء هذه الاختبارات بالتتابع ، الأمر الذي يتطلب الكثير من الوقت والجهد وغالبا ما يكون هناك العديد من مجموعات. إذا كانت هناك معلومات على المستوى الخلوي أو الدوائر ، يختار الباحث عادة اختبارا يراقب جانبا ذا صلة ويتبع من هناك. ومع ذلك ، لا توجد نماذج تميز الجوانب المختلفة للسلوك الحركي بطريقة آلية.
توضح هذه المقالة بروتوكولا لاستخدام Erasmus Ladder 2,3 ، وهو نظام يسمح بتقييم شامل لمجموعة متنوعة من ميزات التعلم الحركي في الفئران. تتمثل المزايا الرئيسية في قابلية استنساخ وحساسية الطريقة ، إلى جانب القدرة على معايرة صعوبة المحرك وفصل العجز في الأداء الحركي عن ضعف التعلم الحركي الترابطي. يتكون المكون الرئيسي من سلم أفقي مع درجات عالية (H) ومنخفضة (L) بديلة مزودة بأجهزة استشعار حساسة للمس تكتشف موضع الماوس على السلم. يتكون السلم من 2 × 37 درجة (L ، 6 مم ؛ H ، 12 مم) متباعدة 15 مم عن بعضها البعض وموضوعة في نمط متناوب من اليسار إلى اليمين مع فجوات 30 مم (الشكل 1 أ). يمكن تحريك الدرجات بشكل فردي لتوليد مستويات مختلفة من الصعوبة ، أي إنشاء عقبة (رفع الدرجات العالية بمقدار 18 مم). إلى جانب نظام التسجيل الآلي وربط تعديلات نمط الدرجة بالمحفزات الحسية ، يختبر سلم إيراسموس التعلم الحركي الدقيق وتكييف الأداء الحركي استجابة للتحديات البيئية (ظهور درجة أعلى لمحاكاة عقبة ، حافز غير مشروط [الولايات المتحدة]) أو الارتباط بالمحفزات الحسية (نغمة ، حافز مشروط [CS]). يتضمن الاختبار مرحلتين متميزتين ، كل منهما يقيم التحسن في الأداء الحركي على مدار 4 أيام ، تخضع خلالها الفئران لجلسة من 42 تجربة متتالية يوميا. في المرحلة الأولية ، يتم تدريب الفئران على التنقل في السلم لتقييم التعلم الحركي “الجيد” أو “الماهر”. تتكون المرحلة الثانية من تجارب معذبة حيث يتم تقديم عقبة في شكل درجة أعلى في مسار المتحرك. يمكن أن يكون الاضطراب غير متوقع لتقييم التعلم الحركي “المتحد” (التجارب الأمريكية فقط) أو يتم الإعلان عنه بنبرة سمعية لتقييم التعلم الحركي “الترابطي” (التجارب المزدوجة).
تم تطوير سلم إيراسموس مؤخرا نسبيا 2,3. لم يتم استخدامه على نطاق واسع لأن إعداد البروتوكول وتحسينه يتطلب جهدا مركزا وقد تم تصميمه خصيصا لتقييم التعلم الترابطي المعتمد على المخيخ دون استكشاف قدرته بالتفصيل على الكشف عن أوجه القصور الحركية الأخرى. حتى الآن ، تم التحقق من صحته لقدرته على الكشف عن الإعاقات الحركية الدقيقة المرتبطة بخلل المخيخ في الفئران3،4،5،6،7،8. على سبيل المثال ، تظهر فئران الضربة القاضية connexin36 (Cx36) ، حيث تضعف تقاطعات الفجوة في الخلايا العصبية الزيتونية ، عجزا في إطلاق النار بسبب نقص الاقتران الكهربائي ولكن كان من الصعب تحديد النمط الظاهري الحركي. اقترح الاختبار باستخدام سلم إيراسموس أن دور الخلايا العصبية قليلة القسيم في مهمة التعلم الحركي المخيخي هو تشفير الترميز الزمني الدقيق للمنبهات وتسهيل الاستجابات المعتمدة على التعلم للأحداث غير المتوقعة 3,4. يظهر فأر الضربة القاضية Fragile X Messenger Ribonucleoprotein 1 (Fmr1) ، وهو نموذج لمتلازمة X الهشة (FXS) ، ضعفا إدراكيا معروفا إلى جانب عيوب أكثر اعتدالا في تكوين الذاكرة الإجرائية. لم تظهر خروج المغلوب Fmr1 أي اختلافات ذات دلالة إحصائية في أوقات الخطوات أو العثرات لكل تجربة أو تحسن الأداء الحركي خلال الجلسات في سلم إيراسموس ولكنها فشلت في ضبط نمط المشي الخاص بها على العقبة التي تظهر فجأة مقارنة بزملائها من النوع البري (WT) ، مما يؤكد عجزا محددا في الذاكرة الإجرائية والترابطية 3,5. علاوة على ذلك ، أظهرت الخطوط الطافرة للفأر الخاصة بالخلية مع عيوب في وظيفة المخيخ ، بما في ذلك ضعف إنتاج خلية Purkinje ، والتقوية ، ومخرجات الخلايا العصبية الجزيئية أو الخلايا الحبيبية ، مشاكل في التنسيق الحركي مع تغير اكتساب أنماط الخطوات الفعالة وفي عدد الخطوات المتخذة لعبور السلم6. تسبب إصابات الدماغ الوليدية عجزا في التعلم المخيخي واختلال وظيفي في خلايا Purkinje يمكن اكتشافه أيضا باستخدام Erasmus Ladder 7,8.
في هذا الفيديو ، نقدم دليلا شاملا خطوة بخطوة ، والذي يوضح بالتفصيل إعداد غرفة السلوك وبروتوكول الاختبار السلوكي وتحليل البيانات اللاحق. تم تصميم هذا التقرير ليكون متاحا وسهل الاستخدام ومصمما خصيصا لمساعدة الوافدين الجدد. يوفر هذا البروتوكول نظرة ثاقبة للمراحل المختلفة للتدريب الحركي والأنماط الحركية المتوقعة التي تتبناها الفئران. أخيرا ، تقترح المقالة سير عمل منهجي لتحليل البيانات باستخدام نهج الانحدار غير الخطي القوي ، مع استكمال التوصيات والاقتراحات القيمة لتكييف البروتوكول وتطبيقه في سياقات بحثية أخرى.
Protocol
Representative Results
Discussion
يقدم سلم إيراسموس مزايا كبيرة لتقييم النمط الظاهري الحركي بما يتجاوز الأساليب الحالية. الاختبار سهل الإجراء ، وآلي ، وقابل للتكرار ، ويسمح للباحثين بتقييم الجوانب المختلفة للسلوك الحركي بشكل منفصل باستخدام مجموعة فأر واحدة. في الدراسة الحالية ، سمحت قابلية التكاثر بتوليد بيانات قوية مع …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نعرب عن تقديرنا للفني السمعي البصري ومنتج الفيديو ريبيكا دي لاس هيراس بونس وكذلك كبير الأطباء البيطريين غونزالو مورينو ديل فال ، للإشراف على الممارسة الجيدة أثناء تجربة الفئران. تم تمويل العمل من خلال منح من برنامج التميز GVA (2022/8) ووكالة الأبحاث الإسبانية (PID2022143237OB-I00) إلى إيزابيل بيريز أوتانيو.
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. |
References
- 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).
