ימב שימוש מפצה והתנהגות הערכה של למידה מיומנות מוטורית בעקבות הסנסורית Cortex פגיעה במודל של עכברים של שבץ איסכמי
Summary
Mouse models have become increasingly popular in studies of behavioral neuroscience. As models advance, it is important to develop sensitive behavioral measures specific to the mouse. This protocol describes the Pasta Matrix Reaching Task, which is a skilled motor task for use in mouse models of stroke.
Abstract
מודלים העכבר הפכו פופולריים יותר ויותר בתחום מדעי המוח התנהגות, ובמיוחד במחקרים של שבץ ניסיוני. כפי מראש דגמים, חשוב לפתח אמצעים התנהגותיים רגישים ספציפיים לעכבר. הפרוטוקול הנוכחי מתאר משימה מוטורית מיומנת לשימוש במודלים של עכברים של שבץ מוחי. פסטה מטריקס להגיע לפונקציות המשימה כassay התנהגותי תכליתי ורגיש המאפשר הנסיינים כדי לאסוף נתונים תוצאה מדויקים ולתפעל שימוש איבר לחקות תופעות קליניות בבני אדם, כולל אסטרטגיות מפצות (כלומר, למד אי שימוש) והתמקדתי אימון שיקומי. בשילוב עם כלים neuroanatomical, משימה זו גם מאפשרת לחוקרים לחקור את המנגנונים התומכים בהתאוששות התנהגותיים של פונקציה (או היעדרה) בעקבות שבץ מוחי. המשימה היא פשוטה ונוחה להתקנה ולהתנהגות, המציעה מגוון של אפשרויות הדרכה ובחינות לשאלות מחקר רבות הנוגעות לפותוצאת nctional בעקבות פציעה. למרות המשימה הוחל על מודלים עכבר של שבץ, זה יכול להיות גם מועיל במחקרים של תוצאה תפקודית במודלים של פגיעה בגפיים העליונים אחרים.
Introduction
מודלים העכבר הפכו פופולריים יותר ויותר למחקר שבץ ניסיוני נובעת בחלקו הנוחות שלהם והמחיר הסביר, כמו גם הזמינות של קווים מהונדסים המתאימים בתחום ההדמיה vivo בין יישומים אחרים. עם זה גדל פופולריות במודלים ניסיוניים, העניין בפיתוח ערכות התנהגותיות רגישות של תוצאה תפקודית בעקבות פציעה גדל גם 1-7. הפיתוח של פרוטוקולי אימון בעלי חיים המחקים את שני שיקום ואסטרטגיות פיצוי בשימוש על ידי ניצולי שבץ אדם משפר את היכולת לתרגם בהצלחה את הממצאים ממחקרים בבעלי חיים ניסיוניים לשימוש במרפאת 8. אימון מיומנות מוטורית במטריקס פסטה הגעה משימות (PMRT) כבר נקבע בעבר כהערכה התנהגותיות רגישה של תוצאת מיומנות המוטורית הבאות עלבון איסכמי של קליפת המוח הסנסורית 3.
אחד מהעניין העיקריים בשיקום חששות מחקר שבץ מוחי וההתפתחות וההבנה של אסטרטגיות התנהגותיות שמקדמות התאוששות משופרת של הפונקציה הבאה עלבון. נכון לעכשיו, אסטרטגיות שיקום בבני האדם לגרום ל8 החלמה שלמות. בנוסף, מטפל בשיקום חייב להילחם באסטרטגיות פיצוי שניצולי שבץ לפתח במהלך התאוששות שעשויה לערער את היכולת שלהם להחזיר את הפונקציה של האיבר שלהם המושפע (ים) באופן מלא. לדוגמא, בעקבות שבץ חד צדדי שמשפיע על תפקוד בגפיים עליון, בני אדם נוטים לפתח תלות באיבר שלהם המושפע פחות 9, 10. תוך שיפור יכולתו של אדם לתפקד בטווח הקצר, זה למד שאינו שימוש באיבר הפגוע עלול לעכב את פוטנציאל ההתאוששות האולטימטיבית שלה, כפי שהודגם במודלים של בעלי החיים 11-13. ממצאים אלו בבעלי חיים סייעו ליידע את הפיתוח ושימוש בתרפים בתנועה מושרה אילוץ בבני אדם 14. מודלים של בעלי החיים הם beneficiaליטר לשיפור אסטרטגיות שיקום על ידי ומאפשר לחוקרים לחקור את המנגנונים הנוירוביולוגי המשרתים ולקדם את ההתאוששות של תפקוד. בנוסף להיותו הערכה התנהגותית יעילה של תפקוד לאחר השבץ, PMRT כבר נקבע כאסטרטגיה שיקומית יעילה כדי לקדם את התוצאה תפקודית משופרת לאחר השבץ הסנסורית 15. גם PMRT יכול לשמש לאי שימוש ביעילות לחקות למד מהאיבר הפגוע ולכן מציע תובנה מניפולציות התנהגותיות שעשויות לשפר את ההתאוששות תפקודית למרות ראשוני הסתמכות יתר על האיבר המושפע פחות 13.
בניית PMRT כבר תוארה בעבר 3. בקצרה, קאמרי לכת מורכבת מארבעה קירות פרספקס (20 סנטימטר, ארוכים 15 סנטימטר, ורחבים 8.5 סנטימטר) עם חלק עליון ותחתון פתוחים. יש חריץ במרכז (13 סנטימטר וברוחב 5 מ"מ) המשתרע מהבסיס התחתון של הקיר הקדמי של החדר, המשמשכצמצם לכת (איור 1 א). מטריקס הפסטה הוא אבן כבדה פלסטיק (8.5 סנטימטר, רוחב 5 סנטימטר, ו1.5 סנטימטר) עם חורים בקוטר 1 מ"מ קדחו לחלוטין באמצעות העומק של הבלוק. יש בסך הכל של 260 חורים, החל 2 מ"מ מהחלון והגיע עם 2 מ"מ בין כל חור (איור 1). מטריקס הפסטה תוכנן כך שחתיכות יבשות, בכיוון אנכי פסטה להאריך דרך כל העומק של הבמה המטריצה עם כמחצית מהחתיכה חשופה הפסטה. חתיכת פלסטיק או קרטון תקורה נשלפת יש לחתוך לגודל והדביקה בצורה מאובטחת לחלק התחתון של המטריצה. זה מונע את חתיכות פסטה מהנפילה של מטריקס במהלך הובלה ומאפשר הסרה קלה של חתיכות פסטה שבורות.
PMRT הוא assay התנהגותי תכליתי ורגיש המאפשר הנסיינים כדי לאסוף נתונים תוצאה מדויקים ולתפעל שימוש איבר לחקות תופעות קליניות. כo התנהגותייםutcome מידה, PMRT מאפשרת הנסיינים לאסוף נתונים התנהגותיים שיותר משקפים במדויק את האפקטיביות של אסטרטגיה שיקומית מאשר המדד המסורתי של גודל אוטם 3, 16. כמניפולציה התנהגותית, PMRT מאפשר הנסיינים לשלוט שימוש גפה עליון בעכברים ב כדי לחקות את החוויות קליניות של שיקום (כלומר אימון מושפע איבר) או אי שימוש למד (אימון איבר מושפע פחות כלומר). בשילוב עם שיטות neuroanatomical, PMRT מספק לחוקרים הזדמנות לחקור את המנגנונים התומכים בהתאוששות התנהגותיים של פונקציה או פלסטיות הסתגלותי בעקבות שימוש איבר פיצוי לאחר שבץ. PMRT יכול להיות מיושם בהמשך למודלים אחרים עכבריים של פגיעה מוחית ופגיעה בגפיים עליונה, כגון פגיעה מוחית טראומטית. יתרון נוסף של PMRT הוא affordability שלה. הציוד הדרוש למשימה יכול להיות בנוי באופן סביר למדי בבית, איסוף נתונים עושהאינו דורש כמות גדולה של שטח או משאבים כספיים, והמשימה היא פשוטה מספיק לסטודנטים לתואר ראשון כדי לאסוף באופן אמין הנתונים. יתר על כן, PMRT רגיש לגירעונות קטנים אפילו התנהגותיות 3, 13. פרוטוקול זה מספק דרך פשוטה ויעילה כדי להעריך את למידת מיומנות מוטורית, לקדם את ההתאוששות התנהגותיים בעקבות פציעה, ותופעות שאינם שימוש למדו לחקות במודל עכברי שהוקם בשבץ.
Protocol
Representative Results
Discussion
PMRT מייצג דרך פשוטה, כמוני להערכת ביצועי לכת מיומנת בעכברים. למרות זמן רב, זה אפשרי עבור סטודנטים לתואר ראשון חסרי ניסיון בעבר להיות מאומן כדי לאסוף נתונים אמינים לשחזור עם רק כמה אימונים. המשימה היא רגישה מספיק כדי למדוד שינויים קלים בביצועי מיומנות מוטורית עכבר הבא ?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to thank Theresa Jones, Ph.D. for her guidance and assistance in adapting the reaching task to mice. Data presented in this manuscript were supported by grants from NIH-NINDS (NS64586 to TAJ and NS076275 to ALK) and a predoctoral NRSA to KAT (F31AG034032). The NIH was not involved in any aspect of study designs or analyses presented in this manuscript nor in the composition of this manuscript.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| Reaching Chamber | Reaching chambers are made in house with Plexiglas | ||
| Pasta Matrix Block | The Pasta Matrix box is made in house using a heavy plastic block | ||
| Capellini Pasta | DeCecco | DeCecco brand capellini pasta can be purchased in a grocery store or through an online retailer such as Amazon |
Referências
- Branchi, I., Ricceri, L. Transgenic and knock-out mouse pups: the growing need for behavioral analysis. Genes Brain and Behavior. 1 (3), 135-141 (2002).
- Bucan, M., Abel, T. The mouse: Genetics meets behaviour. Nature Reviews Genetics. 3 (2), 114-123 (2002).
- Tennant, K. A., Jones, T. A. Sensorimotor behavioral effects of endothelin-1 induced small cortical infarcts in C57BL/6 mice. J. Neurosci. Methods. 181 (1), 18-26 (2009).
- Tennant, K. A., et al. The organization of the forelimb representation of the C57BL/6 mouse motor cortex as defined by intracortical microstimulation and cytoarchitecture. Cerebral Cortex. 21 (4), 865-876 (2011).
- Zhang, L., et al. A test for detecting long-term sensorimotor dysfunction in the mouse after focal cerebral ischemia. J. Neurosci. Methods. 117 (2), 207-214 (2002).
- Li, X. L., Blizzard, K. K., Zeng, Z. Y., DeVries, A. C., Hurn, P. D., McCullough, L. D. Chronic behavioral testing after focal ischemia in the mouse: functional recovery and the effects of gender. Exp. Neurol. 187 (1), 94-104 (2004).
- Bouet, V., Freret, T., Toutain, J., Divoux, D., Boulouard, M., Schumann-Bard, P. Sensorimotor and cognitive deficits after transient middle cerebral artery occlusion in the mouse. Exp. Neurol. 203 (2), 555-567 (2007).
- Krakauer, J. W., Carmichael, S. T., Corbett, D., Wittenberg, G. F. Getting Neurorehabilitation Right: What Can Be Learned From Animal Models. Neurorehabil. Neural Repair. 26 (8), 923-931 (2012).
- Taub, E., Uswatte, G., Mark, V. W., Morris, D. M. M. The learned nonuse phenomenon: implications for rehabilitation. Europa Medicophysica. 42 (3), 241-256 (2006).
- Taub, E. Harnessing brain plasticity through behavioral techniques to produce new treatments in neurorehabilitation. Am. Psychol. 59 (8), 692-704 (2004).
- Allred, R. P., Maldonado, M. A., Hsu, J. E., Jones, T. A. Training the “less-affected” forelimb after unilateral cortical infarcts interferes with functional recovery of the impaired forelimb in rats. Restorative Neurol. Neurosci. 23 (5-6), 297-302 (2005).
- Allred, R. P., Jones, T. A. Maladaptive effects of learning with the less-affected forelimb after focal cortical infarcts in rats. Exp. Neurol. 210 (1), 172-181 (2008).
- Kerr, A. L., Wolke, M. L., Bell, J. A., Jones, T. A. Post-stroke protection from maladaptive effects of learning with the non-paretic forelimb by bimanual home cage experience in C57BL/6 mice. Behav. Brain Res. 252, 180-187 (2013).
- Taub, E., et al. Method for enhancing real-world use of a more affected arm in chronic stroke: transfer package of constraint-induced movement therapy. Stroke. 44 (5), 1383-1388 (2013).
- Tennant, K. A., et al. Age-dependent reorganization of peri-infarct “premotor” cortex with task-specific rehabilitative training in mice. Neurorehabilitation and Neural Repair. , (2014).
- Binkofski, F., Seitz, R. J., Hacklander, T., Pawelec, D., Mau, J., Freund, H. J. Recovery of motor functions following hemiparetic stroke: A clinical and magnetic resonance-morphometric study. Cerebrovascular Diseases. 11 (3), 273-281 (2001).
- Xu, T., et al. Rapid formation and selective stabilization of synapses for enduring motor memories. Nature. 462 (7275), 915-919 (2009).
- Bell, J. A., Wolke, M. L., Ortez, R. C., Jones, T. A., Kerr, A. L. The effects of training intensity on functinal outcome following unilateral ischemic insult of sensorimotor cortex in C57BL/6 mice. Society for Neuroscience Annual Convention. , (2012).
- Ballermann, M., Metz, G. A. S., McKenna, J. E., Klassen, F., Whishaw, I. Q. The pasta matrix reaching task: a simple test for measuring skilled reaching distance, direction, and dexterity in rats. J. Neurosci. Methods. 106 (1), 39-45 (2001).
- Cheffer, K. A., Kerr, A. L. Effects of “good” limb training on long-term rehabilitation of motor function following ischemic stroke in C57BL/6 mice. Society for Neuroscience Annual Convention. , (2013).
- Alaverdashvili, M., Whishaw, I. Q. A behavioral method for identifying recovery and compensation: hand use in a preclinical stroke model using the single pellet reaching task. Neurosci. Biobehav. Rev. 37 (5), 950-967 (2013).
- Rosenzweig, S., Carmichael, S. T. Age-dependent exacerbation of white matter stroke outcomes: a role for oxidative damage and inflammatory mediators. Stroke. 44 (9), 2579-2586 (2013).
- Allred, R. P., Cappellini, C. H., Jones, T. A. The “good” limb makes the “bad” limb worse: experience-dependent interhemispheric disruption of functional outcome after cortical infarcts in rats. Behav. Neurosci. 124 (1), 124-132 (2010).
- Tennant, K. A., et al. Skill learning induced plasticity of motor cortical representations is time and age-dependent. Neurobiol. Learn. Mem. 98 (3), 291-302 (2012).
- Mathers, C. D., Boerma, T., Fat, D. M. Global and regional causes of death. Br. Med. Bull. 92 (1), 7-32 (2009).
- Go, A. S., et al. Heart disease and stroke statistics–2013 update: a report from the American Heart Association. Circulation. 127 (1), (2013).
- Clarke, J., Mala, H., Windle, V., Chernenko, G., Corbett, D. The Effects of Repeated Rehabilitation “Tune-Ups” on Functional Recovery After Focal Ischemia in Rats. Neurorehabil. Neural Repair. 23 (9), 886-894 (2009).
- Adkins, D. L., Voorhies, A. C., Jones, T. A. Behavioral and neuroplastic effects of focal endothelin-1 induced sensorimotor cortex lesions. Neurociência. 128 (3), 473-486 (2004).
- Bryant, A., Bernier, B., Jones, T. A. Abnormalities in skilled reaching movements are improved by peripheral anesthetization of the less-affected forelimb after sensorimotor cortical infarcts in rats. Behav. Brain Res. 177 (2), 298-307 (2007).
- Whishaw, I. Q., Coles, B. Varieties of paw and digit movement during spontaneous food handling in rats: Postures, bimanual coordination, preferences, and the effect of forelimb cortex lesions. Behav. Brain Res. 77 (1-2), 135-148 (1996).
- Whishaw, I. Q., Dringenberg, H. C., Pellis, S. M. Spontaneous Forelimb Grasping in Free Feeding by Rats – Motor Cortex Aids Limb and Digit Positioning. Behav. Brain Res. 48 (2), 113-125 (1992).
- Horie, N., Maag, A., Hamilton, S. A., Shichinohe, H., Bliss, T. M., Steinberg, G. K. Mouse model of focal cerebral ischemia using endothelin-1. J. Neurosci. Methods. 173 (2), 286-290 (2008).
- Maldonado, M. A., Allred, R. P., Felthauser, E. L., Jones, T. A. Motor skill training, but not voluntary exercise, improves skilled reaching after unilateral ischemic lesions of the sensorimotor cortex in rats. Neurorehabil. Neural Repair. 22 (3), 250-261 (2008).
- Clarkson, A. N., Lopez-Valdes, H. E., Overman, J. J., Charles, A. C., Brennan, K. C., Carmichael, S. T. Multimodal examination of structural and functional remapping in the mouse photothrombotic stroke model. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 33 (5), 716-723 (2013).
- Liu, Z., Chopp, M., Ding, X., Cui, Y., Li, Y. Axonal remodeling of the corticospinal tract in the spinal cord contributes to voluntary motor recovery after stroke in adult mice. Stroke. 44 (7), 1951-1956 (2013).
