Valutazione della prensione qualificata nei topi utilizzando un auto-allenatore

Summary

Metodo per valutare l’impatto della formazione sulle capacità motorie è uno strumento utile. Sfortunatamente, la maggior parte delle valutazioni comportamentali può essere laboriosa e/o costosa. Descriviamo qui un metodo robotico per valutare la prensione (reach-to-grasp) abilità nei topi.

Abstract

Descriviamo un metodo per introdurre topi ingenui a un nuovo compito di prensione (reach-to-grasp). I topi sono alloggiati in gabbie con una fessura frontale che permette al mouse di uscire dalla sua gabbia e recuperare pellet di cibo. La restrizione alimentare minima viene utilizzata per incoraggiare i topi a eseguire il recupero del cibo dalla fessura. Quando i topi iniziano ad associarsi arrivando alla fessura per il cibo, i pellet vengono tirati via manualmente per stimolare l’estensione e la pronazione della zampa per afferrare e recuperare il pellet attraverso lo slot frontale. Quando i topi iniziano a raggiungere i pellet quando arrivano allo slot, il saggio comportamentale può essere eseguito misurando la velocità con cui riescono a cogliere e recuperare il pellet desiderato. Vengono poi introdotti in un auto-addestratore che automatizza sia il processo di fornitura di pellet alimentari per il mouse da afferrare, sia la registrazione di tentativi di raggiungere e afferrare riusciti e non riusciti. Ciò consente la raccolta di dati di raggiungimento per più topi con il minimo sforzo, da utilizzare nell’analisi sperimentale a seconda dei casi.

Introduction

I metodi per testare sperimentalmente un’abilità motoria lesioni pre e post-neurologiche, nonché modulare la tempistica, la quantità e il tipo di allenamento motorio sono importanti per la ricerca traslazionale. Nell’ultimo decennio, i topi, a causa della conseguente facilità di manipolazione genetica, sono diventati un sistema modello popolare in cui chiarire i meccanismi dell’apprendimento motorio pre e post-lesione. Tuttavia, i saggi comportamentali nei topi non sono stati ottimizzati nello stesso modo in cui tali saggi sono stati per altri mammiferi (soprattutto ratti). Inoltre, ci sono importanti differenze tra il comportamento di un topo e un ratto che suggeriscono fortemente l’addestramento delle due specie in modi diversi^1,2.

Abili movimenti prensile utilizzano una mano / zampa per posizionare il cibo in bocca, per manipolare un oggetto, o per utilizzare uno strumento. Infatti, raggiungere a cogliere vari oggetti nella vita quotidiana è una funzione fondamentale degli arti superiori e l’atto reach-to-eat è una forma di prensione che molti mammiferi usano. Molti dei cambiamenti genetici, fisiologici e anatomici alla base dell’acquisizione delle abilità prensili sono stati ben definiti nel campo³. Nel tradurre i risultati preclinici in esiti clinici, è necessario un test pertinente che sia efficiente e riproducibile. Studi sui roditori e sulla portata umana dimostrano che il comportamento della prensione è simile negli esseri umani e negli animali⁴. Di conseguenza, queste somiglianze suggeriscono che i test di prehension possono servire come modello traslazionale per studiare l’apprendimento motorio, nonché i menomazioni e i trattamenti della malattia umana. Pertanto, la valutazione della prehension nei topi può offrire un potente strumento nella ricerca traslazionale che studia sia la salute che la malattia^{afferma 4}.

Purtroppo, il compito di prehension nei topi, anche per un ambiente di laboratorio su piccola scala, può essere laborioso e dispendioso in termini di tempo. Per risolvere questo problema, descriviamo qui una versione automatizzata dell’attività di prehension. Il compito descritto richiede ai topi di estendere una singola zampa attraverso la fessura frontale della gabbia di casa del topo, far promettere la zampa estesa, afferrare la ricompensa del pellet alimentare e tirare il pellet all’interno della gabbia per il consumo. I dati risultanti vengono presentati come un successo di prehension o un fallimento. Questa automazione registra con successo i dati e riduce l’onere e il tempo con cui i ricercatori devono impegnarsi il compito.

Protocol

Tutti i metodi qui descritti sono stati approvati dall’ACUC (Animal Care and Use Committee) della Johns Hopkins University. 1. Preparazione delle gabbie per topi per l’uso Creare un’apertura scanalata con dimensioni di 0,8 cm di larghezza e 7 cm di altezza dalla base all’estremità anteriore di ogni gabbia, come illustrato nella Figura 1. Questa fessura serve come l’apertura attraverso la quale l’animale raggiungerà.NOTA: l’auto-formatore è stato p…

Representative Results

In generale, si consiglia di che ogni sessione di formazione consista in circa 20-30 prove, che possono essere impostate dall’utente, eseguite automaticamente dal formatore automatico e salvate in un unico file di registro per sessione e mouse. Ogni prova può essere eseguita consecutivamente, subito dopo l’altra, con 2-5 s di pausa. I topi formati sull’auto-formatore mostrano un aumento delle abilità in 10 sessioni di allenamento. <p class="jove_content" fo:keep-together.within-page…

Discussion

Il nostro auto-trainer valuta la comprensione degli arti anteriori (prensioni) in modo automatizzato. Per raggiungere questo endpoint, molti dei parametri progettati per l’attività di prensione del mouse, tra cui il posizionamento del pellet, le dimensioni del pellet e i criteri di allenamento, sono stati iterati nel corso di diversi anni e adattati dai protocolli precedenti^{2,5 ,6}. Il progresso qui è l’automazione del compito…

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