采集大鼠自主行为数据以表征卒中后功能缺损

摘要

本文介绍了一种用于在社会性群体笼养环境中采集个体自主发起行为实验数据的系统。通过使用自动化精细抓取评估方法，验证了该系统的有效性，可实现对中风后运动功能障碍、与动机相关的潜在行为改变、昼夜节律变化以及其他创新性依赖变量的表征。

摘要

大鼠模型的行为测试常用于心理学、生物医学和行为学研究等多种目的。许多传统方法涉及研究人员与实验中每只动物之间的一对一单独测试。这种设置对研究人员而言可能非常耗时，且研究人员的存在可能以非预期的方式影响行为数据。此外，传统的大鼠饲养笼缺乏该物种通常所需的环境丰富性、运动和社交机会，这种环境背景也可能扭曲行为数据的结果。克服这些局限性对于包括获得性脑损伤研究在内的多项科研应用具有重要意义。本文介绍了一种在无需人员在场的情况下，于群体饲养笼中自动训练和测试个体大鼠行为的示例方法。可通过射频识别技术（RFID）针对个体大鼠定制测试会话。该系统的验证是在测量卒中前后前肢精细运动功能的示例背景下进行的。系统测量了卒中后行为障碍的传统特征以及新型指标，包括成功率、拉力的多个方面、行为片段分析、启动频率与模式、会话持续时间以及昼夜节律模式。这些变量可实现近乎全自动的采集，限制较少；尽管该装置无法控制暴露时间、测试时机和练习频率等实验条件，但验证结果显示个体间这些变量具有一致性。

引言

在从认知过程研究到疾病状态探索等众多研究领域中，利用大鼠模型进行行为学训练和测试至关重要¹。通常，这类训练和测试以单只动物为对象，在一对一的实验环节中进行，研究人员需手动将动物从其居住笼中取出，并暂时安置于某种实验装置中。然而，这种方法存在若干困难和局限性。首先，行为学测试对研究人员而言耗时极长，若需进行训练，则所需时间更甚。其次，已有研究证实，该方法会自动影响——甚至可能干扰——所获取的数据²。当涉及与环境丰富化相关的变量时，这些干扰尤为显著。具体而言，实验大鼠传统上被饲养在仅够容纳一至两只大鼠的小型笼具中³，若未提供跑轮，它们可能终生缺乏有意义的运动机会。此外，对于大鼠这类社会性物种而言，单独饲养可能成为重要的应激源⁴。这些与福利相关的问题很可能影响大鼠的生理状态^5,6，进而阻碍典型物种行为的正常发展⁴，并影响啮齿类动物模型在人类相关研究中的质量。

近年来，研究人员已针对这些问题提出了多种解决方案。最简单的解决方案是实现行为测试和训练的自动化^7,

方案

所有实验程序和动物护理均经北德克萨斯大学机构动物护理与使用委员会（IACUC）批准，并遵循美国国立卫生研究院《实验动物护理与使用指南》。本研究所用的成年雄性和雌性Long-Evans大鼠（400–800 g，1.5岁）均饲养于群养笼具中。

1. 仪器设备准备

1. 根据设计文件和组装说明获取或组装单鼠转门装置（ORT）（参见 补充文件 1 和 补充编码文件 1）。参见 Butcher 等。¹⁶ 如需更多详细信息。
   注意：操作限制装置（ORT）的尺寸需与大鼠体型相匹配，因此同一饲养笼内的动物体型应大致相近。若不希望自行组装ORT，也可购买预组装成品（参见 材料表).
2. 获取并安装射频识别（RFID，参见 材料表读取器并获取动物，注射RFID标签。
   注意：注射射频识别全双工（FDX）标签时，当大鼠穿过操作反应箱（ORT）时，标签的朝向必须与射频识别天线呈垂直方向。在本项验证中，标签被皮下植入肩胛骨之间，且位于与脊柱平行的平面上。
3. 将射频识别（RFID）天线固定到操作反应测试仪（ORT）的管子上。
4. 构建或获取适合实验问题的行为装置和群体饲养笼具。在此示例中，使用定制....

结果

动物在两个独立的群养笼中进行训练和测试，其中一个笼子饲养四只雌性大鼠，另一个笼子饲养四只雄性大鼠。所有大鼠均在四天或更短时间内学会通过ORTs。四只雌性大鼠达到 >在约6周的训练后，85%的试验达到120 g力度要求，而雄性大鼠则在10周内达到相同标准（相比之下，经过标准训练的剥夺型大鼠约需3周）⁷训练时长在第2至第6周期间因多种软硬件故障而显著延长，期间需持续进行故障排查。在解决这些问题后，训练得以顺利进行，预计后续的训练周期将与现有文献报道的时间相当。⁷雄性大鼠的训练时间也更长，以提供更多机会让其中一只雄性大鼠开始拉绳；然而，该大鼠始终未开始拉绳行为，因此在第7周后被排除于进一步的分析和手术之外。当大鼠的行为表现趋于稳定后，每只笼子均采集了5天的卒中前基线数据。数据仅限于OR设备全天保持连接至笼具的日子（部分日期因饲养相关操作需短暂断开连接而不计入）。雌性大鼠笼具的基线数据采集于卒中前第7、8、9、10和12天；雄性大鼠的基线数据采集于卒中前第8、9、10、11和13天。

在进.......

讨论

本方案具有多种用途。首先，也是最广泛的应用，操作式反应箱（ORT）的开发旨在实现社会性、丰富化饲养环境下对单个受试动物的自动化行为训练与数据采集。尽管本研究旨在验证在脑卒中背景下收集典型行为指标并对其进行拓展分析的可行性，但该系统同样适用于其他应用场景和行为任务。甚至本验证研究中采集的指标也可根据需要进行调整，以纳入替代性强化程序、替代性行为等。其次，本研究评估了该系统在采集脑卒中后精细抓取能力受损相关数据方面的性能。此前已有研究验证了当前方案在教学和测量基本杠杆按压行为方面的有效性¹⁶。现有数据表明，该方法是采集脑卒中相关运动功能缺陷数据的有效手段，既可获取传统精细抓取评估中的典型指标，也可获得新型指标。在对群养笼位操作式反应箱系统进行调试过程中，一个关键问题是动物是否会以足够高的频率自主启动行为实验，以及它们在不同实验条件下（尤其是在脑卒中后）是否仍能维持这一行为。研究发现，所有或几乎所有的动物均可被充分激励，积极参与简单操作式行为程序，目前也已成功应用于脑卒中后的行为测试。脑卒中后阶段虽需一定程度的人工行为塑造，但动物能迅速恢复自主参与行为任务，且无需实验人员在场。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
3D 打印机			咨询当地创客空间
螺栓	Boltdepot	1346	6-32 或 8-32，长度 0.5"
螺栓	Boltdepot	1348	6-32 或 8-32，长度 0.75"
门铰链	XJS (Amazon)	43398-16234	1" 柜用不锈钢门铰链套装；可选（若未打印“完美铰链”""）
电钻			任何电动电钻均可使用
拉伸弹簧	Nieko (Amazon)	50456A	根据 ORT 尺寸和所需张力选择并调整弹簧
颗粒糖
锁紧螺母	Boltdepot	2551	6-32 或 8-32
卷尺
微控制器	Arduino	A000066	Arduino Uno
微动开关	Sparkfun	KW4-Z5F	微型微动开关（SPDT-滚轮杠杆型）
单鼠转门（ORT）	Vulintus		如不自行组装，请联系该公司获取报价
用于行为评估的任选操作箱：本实验使用 Vulintus 提供的自动等长拉力操作箱	Vulintus	无货号：请联系 Vulintus	请联系 Vulintus 获取报价
PLA 耗材丝	OVERTURE (Amazon)	UK-MATTEPLA17511
有机玻璃	Lesnlok (Amazon)	B09P74K7BR	透明，厚度 1/8"，按需裁切
有机玻璃切割刀
Python 程序	Python 软件基金会		软件可应要求提供
RFID 读取器	Priority 1 Design	RFIDRW-E-USB	带天线
RFID 标签	Unified Information Devices	UC-1485-10
杆	Boltdepot	23632	裁切至长度> 3.5"
旋转工具			用于在装置和群体饲养笼中钻孔以安装 ORT；任何可用的五金工具均可
砂纸	HSYMQ (Amazon)	TOMPOL-1118-1915-11
套筒扳手组			任何套筒扳手组均可使用
电烙铁
强力胶		234790
导线	Plusivo (Amazon)	EAN0721248989789