Dit manuscript wordt beschreven van een semi-geautomatiseerde taak die supinatie bij ratten kwantificeert. Ratten bereiken, begrijpen en een sferische manipulandum supinate. De rat wordt beloond met een pellet overschrijdt de beurt hoek een criterium dat door de gebruiker ingesteld. Deze taak verhoogt de doorvoer, gevoeligheid voor schade, en objectiviteit ten opzichte van traditionele taken.
Taken die nauwkeurig beweeglijkheid in diermodellen meten zijn kritiek te begrijpen hand functie. Huidige rat gedrags taken die beweeglijkheid grotendeels meten gebruik videoanalyse van bereiken of voedsel manipulatie. Hoewel deze taken eenvoudig te implementeren zijn en robuust over ziekte modellen zijn, zijn ze subjectief en moeizaam voor de experimentator. Automatiseren van traditionele taken of het maken van nieuwe geautomatiseerde taken kunt maken van de taken meer efficiënte, objectieve en kwantitatieve. Omdat het ratten zijn minder beïnvloed vingervlugge dan primaten, centraal zenuwstelsel systeem (CNS) letsel produceert meer subtiele tekorten in beweeglijkheid, echter, supinatie is zeer bij knaagdieren en cruciaal bij de hand functie bij primaten. Dus, we ontwierpen een semi-geautomatiseerde taak die voorpoot supinatie bij ratten maatregelen. Ratten zijn opgeleid om te bereiken en een knop-vormige manipulandum begrijpen en draai van de manipulandum in supinatie een beloning ontvangen. Ratten kunnen de vaardigheid binnen 20 ± 5 dagen verwerven. Terwijl het eerste deel van de opleiding is zeer gecontroleerd, wordt veel van de opleiding gedaan zonder direct toezicht. De taak betrouwbaar en reproducibly vangt subtiele tekorten na blessure en functionele herstel dat komt nauwkeurig overeen met klinisch herstel Curven toont. Analyse van de gegevens wordt uitgevoerd door gespecialiseerde software via een grafische gebruikersinterface die is ontworpen voor intuïtief. Wij geven ook oplossingen voor veelvoorkomende problemen ondervonden tijdens training en Toon dat kleine correcties aan gedrag vroeg in opleiding produceren betrouwbare verwerving van supinatie. De knop supinatie taak biedt dus efficiënt en kwantitatieve evaluatie van een kritische beweging voor beweeglijkheid bij ratten.
Een verlies van beweeglijkheid nadat zenuwstelsel letsel of ziekte aanzienlijk onafhankelijkheid en kwaliteit van leven voor beïnvloede individuen 1,,2,,3,4 vermindert. Beweeglijkheid is dus een belangrijk resultaat maatregel voor het begrip van de wetenschap van neurale reparatie en herstel als ook de fundamenten van neurale controle van beweging en motorisch leren. Traditioneel, zijn handmatige taken, zoals het bereiken van één pellet, pasta manipulatie, en Irvine, Beatties en Bresnahan (IBB) voorpoot schaal gebruikt om te evalueren van beweeglijkheid in dieren, specifiek knaagdieren 5, 6,7. Deze taken hebben als gevolg van hun minimale taak Acquisitietijd worden gepopulariseerd. Zij zijn echter van kwalitatieve aard, moeizaam voor de experimentator, en soms, ongevoelig voor functionele bijzondere waardevermindering na blessure met subtiele tekorten 5,,7,,8,9. Deze beperkingen van traditionele taken hebben aangespoord de ontwikkeling van meer kwantitatieve metingen van motor functie in dieren, in het bijzonder het bereiken van de voorpoot.
Er zijn verschillende voordelen aan het automatiseren van taken, namelijk de objectiviteit, de grotere gegevensdoorvoer en de verminderde analyse tijd. Nieuwe geautomatiseerde taken bieden een gevoeliger maatregel beweeglijkheid na blessure dan conventionele taken 8,10te evalueren. Daarnaast voorzien ze adaptieve opleiding en testen die de opleiding kleermakers en moeite om de prestaties van een dier. Tot slot, geautomatiseerde taken genereren grote hoeveelheden gegevens, waarmee twee voordelen. In de eerste plaats verhoogt een verhoging in gegevens, zowel binnen een proces en het aantal experimenten de statistische macht van een studie. Ten tweede, het geeft neurowetenschappers een grotere set gegevens waaruit motorisch leren, opleiding, en compensatie meer krachtig door middel van analyse van kinetische en kinematische informatie 11te gaan studeren.
Verschillende groepen hebben geprobeerd om traditionele taken te automatiseren. High speed camera’s kunnen worden gebruikt kinematische gegevens verzamelen van taken, zoals de interne pellet taak 12te bereiken. Alaverdashvili en Wishaw hebben high-speed camera’s gebruikt om bereiken bewegingen en analyseren van cijfers bewegingen met behulp van frame-voor-frame-motion meting software piek Motus 13. Deze software niet identificeren cijfers met behulp van computer-visie, maar in plaats daarvan vereist de experimentator te digitaliseren bewegende punten door de cursor. Bovendien hebben sommige taken in combinatie met feeders en kooien is gebruikt voor het automatiseren van de opleiding proces 14,15,16.
Andere groepen hebben krachtsensors evenals high speed camera’s gebruikt om te evalueren van ruimtelijke aanpassingen in geschoolde voorpoot bereiken met behulp van manipulatie van de pasta, terwijl anderen hebben ontworpen taken vast te leggen van meer complexe bewegingen 17van kracht. Een dergelijke taak is een bereik en pull taak die gebruikmaakt van een drie-mate-van-vrijheid robotic apparaat om vast te leggen van de vlakke en roterende beweging van bewegingen 18van de voorpoot van de rat. Dit heeft voordelen in zijnde kundig voor het meten van de kinetiek van bewegingen, maar met een verhoging in de complexiteit en de kosten.
Wij tonen hier, een semi-automatische voorpoot taak die supinatie in ratten 8 maatregelen. Voorpoot supinatie is de rotatie van de poot vanuit naar de palm palm. Supinatie is zowel een uitstekende markering van corticospinal tract functie en een klinisch relevante beweging bij de mens die nodig is voor het dagelijks leven activiteiten 8,19,20. Bovendien, is supinatie zeer gevoelig voor schade en inactivering, vooral in vergelijking met enkele pellet bereiken van 8. De taak van supinatie, ontwikkeld in een samenwerking tussen de Burke Medical Research Institute en de Universiteit van Texas in Dallas, de roterende beweging van de maatregelen in het horizontale vlak 8,10. Ratten worden geplaatst in een gedrags vak (figuur 1A) en zijn getraind in het doen van drie bewegingen (figuur 1B): bereiken via een rechthoekige opening; begrijpen van een sferische manipulandum; supinate tot een hoek van de aangewezen.
De taak van het gedrag wordt gecontroleerd door de PC-software (Figuur 1 c). De controlerende software verzendt instructies naar een microcontroller die aangesloten op de auto-positioner, optische encoder, spreker en feeder. De microcontroller en de aansluiting van randapparatuur worden aangeduid als de doos van de microcontroller. Informatie vloeit voort uit optische encoder, de microcontroller, vervolgens de computer, en dan terug naar de microcontroller. Als de controlerende software heeft de microcontroller gesignaleerd dat de proef een succes was, activeert de microcontroller de feeder als u wilt afzien van een pellet. Aan het begin van elke sessie geeft de controlerende software de informatie van de etappe de microcontroller, die leidt van de auto-positioner positie van de knop op de gedefinieerde afstand van de etappe van het diafragma. De auto-positioner kan ook handmatig worden bediend met behulp van de pijltoetsen, gelegen aan de auto-positioner. De optische encoder registreert gegevens op 100 Hz en maatregelen wijzigingen in de hoek. Alle gegevens worden opgeslagen in binaire indeling.
De experimentator gebruikt opleiding van de opeenvolgende fasen binnen de software om te trainen van de rat van gewenning aan supinating tempogebonden hoek en succes. Tijdens de gewenning, wordt de knop manipulandum binnen het diafragma venster zonder een tegenwicht geplaatst. Na een week van zeer gecontroleerde opleiding, de rat Hiermee koppelt u de knop aan een beloning en begint de knop zelfstandig draaien. Zodra de rat is in staat om zelfstandig, is de knop ingetrokken tot 1,25 cm in 0.25 cm stappen totdat de rat annuleertekenzwenking onafhankelijk op 1,25 cm. tegenwicht is dan toegevoegd in stappen van 1 g van 3 g naar 6 g. Automated opleiding stadia trein het dier naar de knop supinate bij 6 g tot 75 graden. Deze fase van de opleiding is grotendeels ongecontroleerde; Zodra de taak ratten aannemen met goede vorm (hieronder besproken), blijven ze goed supinate. Opleiding is voltooid als ratten 75 graden op een succespercentage (hit rate) van 75% 8 supinate. Hier beschrijven we een typische opleiding protocol en de huidige oplossingen voor veelvoorkomende problemen die wij hebben ondervonden. We tonen de progressie van representatieve geslaagde en mislukte ratten door middel van het protocol van de opleiding, en laten zien dat de taak kan worden gewijzigd om aan te tonen van functionele stoornis met subtiele of meer ernstige tekorten.
De knop supinatie taak evalueert voorpoot supinatie in ratten met behulp van kwantitatieve en semi-geautomatiseerde methoden. Om te bereiken deze eindpunten, hebben veel van de parameters die zijn ontworpen voor de taak, inclusief knop uitlijning, manipulandum ontwerp en de criteria van de opleiding, over meerdere jaren is herhaald. Knop uitlijning is ingesteld, we experimenteerden met drie verschillende aanpassingen van de knop met betrekking tot het diafragma: links van de knop die is uitgelijnd met de linkerkant van het diafragma, de knop gecentreerd in diafragma, en de rechterkant van de knop uitgelijnd met de rechterkant van de een perture. We vestigden zich aan de rechterkant van de knop worden uitgelijnd met de rechterkant van het diafragma, als deze geproduceerde ratten die werden opgeleid in de kortste hoeveelheid tijd en die supinated met minimale compenserende mechanismen, in het bijzonder interferentie van de linker poot.
We gewijzigd wat betreft manipulandum ontwerp, verschillende designelementen om te draaien met de voorpoot te maximaliseren en minimaliseren van gebruik van het lichaam. Bovendien, aangepast we de moeilijkheidsgraad van de taak om de ernst van het voorspelde tekort. Na pyramidotomy, supinatie is de beweging die sterk wordt beïnvloed, maar de bijzondere waardevermindering is nog steeds relatief subtiel. Dus, we getraind de ratten naar een hogere basislijn criterium (75°) om ervoor te zorgen dat de grote tekorten werden waargenomen na blessure. Voor corticale laesies, die meer afbreuk te doen aan, was 60 graden drempel bij 7,5 g voldoende om aan te tonen een significant tekort na blessure. Aanvullende parameters die werden geoptimaliseerd door een trial-and-error aanpak omvatten apertuurgrootte, knop afstand van diafragma, en venster van de tijd om een succesvolle proef.
Er zijn enkele kritische punten in het gehele protocol opleiding waarvoor zorgvuldig toezicht. Als u traint op basislijn, is de adaptive thresholding methode gebruikt met succes om te trainen van ratten tot 75° 10. Echter kan ratten plateau op een piek hoek kleiner is dan 75°; de prestaties blijft hetzelfde na 4-5 sessies. Om prestaties te verbeteren, kan een statische drempel worden ingezet. Een statische drempel de drempel nog altijd een set graad, die onafhankelijk is van de prestaties van de rat, in tegenstelling tot een adaptieve drempel die verandert op basis van recente prestaties. Als de rat randplateau tijdens adaptieve opleiding, moet de experimentator een statische drempel wijzigen. Statische opleiding etappes varieert van 20 tot 70 graden in stappen van 10°. (Etappe K28 – K33). Kies de statische fase op basis van de rat gemiddelde piek hoek in de vorige 2 of meer sessies. Bijvoorbeeld, als de rat is gemiddeld 45°, selecteert u de statische fase voor 50 graden (K31). Alle statische stadia instellen de “Init. Propageren.”5 °. Tijdens de opleiding als de rat motivatie verliest, handmatig voeden de rat als het supinates dicht bij maar niet boven de drempel.
Bovendien, tijdens de nulmeting regress ongeveer 5% van de ratten 5-10° in hun hoek supinatie en 5-10% in slagingspercentage tussen sessies. Als dit gebeurt, de rat worden niet hersteld van de hoek van de gemiddelde piek 75° na 3-4 sessies, verlagen de statische fase tot binnen 10 graden van de huidige gemiddelde hoek van de rat voordat hij terugkeerde naar stap 3.5. Het is belangrijk om niet opnieuw een rat naar de adaptieve fases zodra het heeft gelegd op statische opleiding stadia.
Er zijn enkele beperkingen aan de taak. Zodra de onjuiste greep standpunt heeft vastgesteld, kan veranderen van grijpen gedrag (Figuur 2) moeilijk zijn. Vroegtijdige opsporing en correctie is dus belangrijk. Om op te lossen van een rat greep, kan het diafragma worden gewijzigd door vernauwing van de grootte van het diafragma in de horizontale en/of verticale richting; meestal tape we een glasplaatje aan de rand van het diafragma die moeten worden aangepast. Voor de meeste ratten verbetert dit hun greep vorm, want het dwingt hen om te begrijpen van de manipulandum op een specifieke wijze. Dit, beurtelings, verbetert hun vermogen tot goed supinate.
Naast deze uitdaging kunnen ratten compenserende mechanismen om te supinate ontwikkelen. Voorbeelden hiervan zijn het gebruik van het hoofd op de steun van de voorpoot in supinatie; verlaging van de elleboog en de schouder gezamenlijke te Draai de knop; met behulp van de linker poot draai de knop of de bereiken paw duw. Al deze gedragingen kunnen worden gebruikt met succes de taak te voltooien. Zoals hierboven vermeld, kunnen gedrag met betrekking tot de greep worden gecorrigeerd door het manipuleren van het diafragma. Compenserende mechanismen buiten de greep, echter, vereist actieve deelname door de experimentator compenserende gedrag niet te belonen. Na blessure, hebben we ratten nemen verschillende proeven te plaatsen van de poot in de juiste positie voor supinating waargenomen. Hoewel we hebben niet geanalyseerd welke onderdelen van de taak kunnen bijdragen tot het verlies van supinatie, dit kunnen onder meer verlies van nauwkeurige grip en verminderde kracht modulatie, onder de vele mogelijkheden.
De semi-automatische supinatie taak duurt, gemiddeld 20 ± 5 dagen te trainen ratten op basislijn, en 25% van de dieren niet worden opgeleid voor de taak. Bijdragen aan de trainingstijd is het feit dat wij natuurlijk recht-preferente ratten niet hebt geselecteerd, maar in plaats daarvan alle dieren dwingen te gebruiken hun juiste poten zoals gebruikelijk is in de meeste bereiken testen. We hebben niet geprobeerd met behulp van de links-voorkeur-ratten, maar het zou een interessante exploratieve studie eerst identificeren paw voorkeur en vervolgens de trein van de dominante poot. Als u wilt dit, zouden we moeten spiegelen van de oriëntatie van de deuren, zodat het diafragma wordt omgekeerd; Dit kan gemakkelijk worden gedaan.
Vergeleken met traditionele taken zoals de IBB of één pellet bereiken, meet de taak van supinatie kwantitatief en objectief voorpoot bereiken. Het toont de gevoeligheid voor ernstige blessure (corticale laesie) en subtiele letsel (pyramidotomy), en de procedure van de opleiding kan worden aangepast afhankelijk van de ernst van het letsel model. Want het is een semi-automatische, staat de taak van de experimentator te trainen meerdere ratten gelijktijdig, afhankelijk van de fase van de opleiding. Dit verbetert sterk de productiviteit en de rat doorvoer van de experimentator. De taak is betrouwbaar en reproduceerbaar tussen ratten. Door het creëren van een gids voor probleemoplossing (Figuur 2) voor onderzoekers om te verwijzen naar tijdens de opleiding protocol, hebben we verschillende onjuist gedrag alsmede oplossingen corrigeren gestandaardiseerd. Ten slotte, de taak biedt een intuïtieve middel voor het analyseren van grote hoeveelheden gegevens en geeft de experimentator de mogelijkheid om dieper ingaan op de kinetiek van supinatie.
In de toekomst, zullen we gebruiken de semi-automatische supinatie taak als een platform om te evalueren van type, de dosis en tijdstip van rehabilitatie. Ons lab is geïnteresseerd in de effecten van stimulatie op functionele verbetering na blessure. Bovendien, wij zijn geïnteresseerd in hoe therapieën die neurale stimuleren herstel of verbetering van neurale geleiding en communicatie kan invloed hebben op rehabilitatie. Wij hebben ook belang bij het wijzigen van de taak om compatibel te zijn met electrofysiologie zodat we motorisch leren bestuderen kunnen; ratten met hoofdcaps routinematig uitvoeren van de taak, en het toevoegen van een commutator voor het opnemen of stimulatie zou eenvoudig te doen. De taak, zoals wordt beschreven, is voor ratten, maar er zijn ook laboratoria experimenteren met het gebruik van muizen voor de taak. In het algemeen, kan deze taak kan worden gebruikt voor het evalueren van de voorpoot functie bij knaagdieren in een breed scala van modellen van schade en ziekte staten en op zijn beurt voor de evaluatie van rehabilitatie strategieën. Vooruit, dat we zullen blijven verbeteren van de taak, met verfijningen om te helpen verminderen van onjuist gedrag en taak verwerving tarief en de trainingstijd te verbeteren.
The authors have nothing to disclose.
Dit onderzoek is gefinancierd door de NIH-NINDS R03 NS091737.
Base Cage – Rat Model | Vulintus | MotoTrak Rat System | N/A |
Controller | Vulintus | MotoTrak Rat System | N/A |
Behavior Module | Vulintus | MotoTrak Rat System | Supination Task, Methacrylate Dual Stop Knobs |
Pellet Dispenser – 45mg | Vulintus | MotoTrak Rat System | N/A |
Autopositioner | Vulintus | MotoTrak Rat System | N/A |
45 mg, Chocolate Flavor, 50,000/Box | Bio-Serv | F0299 | N/A |
HP Z230 Tower WorkStation | HP | N/A | Intel Xeon CPU E3-1225 v3 @ 3.20 GHz, 16GB RAM, 1TB HDD. Min Requirements: 8GB RAM, Multi-Core Processor |
Dexterity | Burke Medical Research Institute | Matlab software for data analysis | |
Enviropak | WF Fisher and Son | N/A | N/A |