Bewertung der geschickten Vorhension bei Mäusen mit einem Auto-Trainer
Summary
Die Methode zur Bewertung der Auswirkungen der Ausbildung auf die motorischen Fähigkeiten ist ein nützliches Instrument. Leider können die meisten Verhaltensbeurteilungen arbeitsintensiv und/oder teuer sein. Wir beschreiben hier eine Robotik-Methode zur Beurteilung von Prehension (Reach-to-Grasp) Fähigkeiten bei Mäusen.
Abstract
Wir beschreiben eine Methode, um naive Mäuse in eine neuartige Vorhensionsaufgabe (Reach-to-Grasp) einzuführen. Mäuse sind singart in Käfigen mit einem frontalen Schlitz untergebracht, der es der Maus ermöglicht, aus ihrem Käfig zu greifen und Futterpellets zu holen. Minimale Nahrungsbeschränkung wird angewendet, um die Mäuse zu ermutigen, die Nahrungsentnahme aus dem Schlitz durchzuführen. Als die Mäuse beginnen, sich mit dem Kommen zum Schlitz für Nahrung zu verbinden, werden die Pellets manuell weggezogen, um die Verlängerung und Pronation ihrer Pfote zu stimulieren, um das Pellet zu greifen und durch den frontalen Schlitz zu holen. Wenn die Mäuse beginnen, nach den Pellets zu greifen, wenn sie am Schlitz ankommen, kann der Verhaltenstest durchgeführt werden, indem die Rate gemessen wird, mit der sie das gewünschte Pellet erfolgreich erfassen und abrufen. Sie werden dann einem Auto-Trainer vorgestellt, der sowohl den Prozess der Bereitstellung von Futterpellets für die Maus zum Greifen automatisiert, als auch die Aufzeichnung erfolgreicher und fehlgeschlagener Reichweiten- und Greifversuche. Dies ermöglicht die Erfassung von Erreichensdaten für mehrere Mäuse mit minimalem Aufwand, die gegebenenfalls in der experimentellen Analyse verwendet werden können.
Introduction
Methoden zur experimentellen Prüfung einer motorischen Fähigkeiten vor und nach der neurologischen Verletzung sowie modulationen Timing, Menge und Art des motorischen Trainings sind wichtig für die translationale Forschung. In den letzten zehn Jahren sind Mäuse aufgrund der damit verbundenen Leichtigkeit der genetischen Manipulation zu einem beliebten Modellsystem geworden, in dem die Mechanismen des motorischen Lernens vor und nach der Verletzung aufgeklärt werden können. Verhaltenstests bei Mäusen wurden jedoch nicht in der gleichen Weise optimiert, wie es bei anderen Säugetieren (insbesondere Ratten) der Fall war. Darüber hinaus gibt es wichtige Unterschiede zwischen dem Verhalten einer Maus und einer Ratte, die stark darauf hindeuten, die beiden Arten in verschiedenen Weisen zu trainieren1,2.
Geschickte prehensile Bewegungen verwenden eine Hand / Pfote, um Nahrung in den Mund zu legen, ein Objekt zu manipulieren, oder ein Werkzeug zu verwenden. Tatsächlich ist das Erreichen verschiedener Objekte im täglichen Leben eine grundlegende Funktion der oberen Gliedmaßen und die Reichweite-zu-Essen-Akt ist eine Form der Vorhension, die viele Säugetiere verwenden. Viele der genetischen, physiologischen und anatomischen Veränderungen, die dem Erwerb von prehensile Fähigkeiten zugrunde liegen, wurden im Feld3gut definiert. Bei der Übersetzung präklinischer Befunde in klinische Ergebnisse braucht man einen relevanten Test, der effizient und reproduzierbar ist. Studien an Nagetieren und Menschen zeigen, dass das Verhalten der Vorhension beim Menschen und bei Tieren ähnlich ist4. Dementsprechend deuten diese Ähnlichkeiten darauf hin, dass Prehension-Tests als translationsmodell für die Untersuchung des motorischen Lernens sowie von Beeinträchtigungen und Behandlungen menschlicher Krankheiten dienen können. Daher kann die Bewertung der Vorhension bei Mäusen ein leistungsfähiges Werkzeug in der translationalen Forschung bieten, das sowohl Gesundheit als auch Krankheitszustände untersucht4.
Leider kann die Vorarbeit bei Mäusen, auch für eine kleine Laborumgebung, mühsam und zeitaufwändig sein. Um dieses Problem zu lindern, beschreiben wir hier eine automatisierte Version der Prehension-Aufgabe. Die beschriebene Aufgabe erfordert, dass Mäuse eine einzelne Pfote durch den Frontalschlitz des Heimkäfigs der Maus ausdehnen, die verlängerte Pfote pronieren, die Belohnung für das Futterpellet erfassen und das Pellet zum Verzehr zurück ins Käfiginnere ziehen. Die resultierenden Daten werden entweder als Prehension-Erfolg oder -Fehler dargestellt. Diese Automatisierung zeichnet die Daten erfolgreich auf und reduziert den Aufwand und die Zeit, mit der sich die Forscher mit der Aufgabe auseinandersetzen müssen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Unser Auto-Trainer evaluiert die Reichweite von Forelimb (Prehension) automatisiert. Um diesen Endpunkt zu erreichen, wurden viele der Parameter, die für die Mausvorhensionsaufgabe entwickelt wurden, einschließlich Pelletplatzierung, Pelletgröße und Trainingskriterien, über mehrere Jahre iteriert und an frühere Protokolleangepasst 2,5 ,6. Der Fortschritt hier ist die Automatisierung der Aufgabe mit einem Roboter, der Haus…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Das Auto-Trainingsgerät wurde von Jason Dunthorn, Uri Tasch und Dan Tasch von Step Analysis, LLC mit Unterstützung für Design-Eingabe und Anweisungen von Robert Hubbard, Richard O’Brien und Steven Zeiler entwickelt.
Teresa Duarte vom Champalimaud Centre for the Unknown lieferte wertvolle Einblicke und Ideen zur Beschreibung und Kategorisierung von Maus-Reaching-Aktionen.
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 |
Referências
- 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).
