Summary
Viene presentato un sistema per l'acquisizione di dati da sessioni di comportamento individuale auto-avviate all'interno di un ambiente di gabbia di colonia sociale. L'efficacia di questo sistema è dimostrata utilizzando una valutazione automatizzata della portata qualificata, che consente la caratterizzazione di disturbi motori post-ictus, potenziali alterazioni comportamentali legate alla motivazione, variazioni circadiane e altre variabili dipendenti innovative.
Abstract
I test comportamentali nei modelli di ratto sono spesso utilizzati per diversi scopi, tra cui la ricerca psicologica, biomedica e comportamentale. Molti approcci tradizionali prevedono sessioni di test individuali e individuali tra un singolo ricercatore e ciascun animale in un esperimento. Questa configurazione può richiedere molto tempo per il ricercatore e la loro presenza può avere un impatto sui dati comportamentali in modi indesiderati. Inoltre, la gabbia tradizionale per la ricerca sui ratti impone una mancanza di arricchimento, esercizio fisico e socializzazione che normalmente sarebbe tipica della specie, e questo contesto può anche distorcere i risultati dei dati comportamentali. Il superamento di queste limitazioni può essere utile per diverse applicazioni di ricerca, incluso lo studio delle lesioni cerebrali acquisite. Qui viene presentato un metodo di esempio per addestrare e testare automaticamente il comportamento dei singoli ratti in una gabbia di colonia senza la presenza di esseri umani. L'identificazione a radiofrequenza può essere utilizzata per adattare le sessioni al singolo ratto. La convalida di questo sistema è avvenuta nel contesto di esempio della misurazione delle prestazioni motorie degli arti anteriori prima e dopo l'ictus. Vengono misurate le caratteristiche tradizionali dei disturbi comportamentali post-ictus e le nuove misure abilitate dal sistema, tra cui il tasso di successo, vari aspetti della forza di trazione, l'analisi dell'attacco, il tasso di inizio e i modelli, la durata della sessione e i modelli circadiani. Queste variabili possono essere raccolte automaticamente con poche limitazioni; Sebbene l'apparato rimuova il controllo sperimentale dell'esposizione, dei tempi e della pratica, la convalida ha prodotto una ragionevole coerenza in queste variabili da animale ad animale.
Introduction
L'addestramento comportamentale e i test con modelli di ratto sono importanti in innumerevoli aree di ricerca, dall'esplorazione dei processi cognitivi agli stati patologici e altro ancora1. In genere, questa formazione e test vengono condotti con singoli animali in sessioni individuali, con un ricercatore che rimuove manualmente l'animale dalla gabbia domestica e lo colloca temporaneamente in una sorta di apparato. Sfortunatamente, ci sono diverse difficoltà e limitazioni con questo approccio. In primo luogo, i test comportamentali possono richiedere molto tempo per i ricercatori e, quando è necessaria la formazione, tale richiesta di tempo diventa ancora maggiore. In secondo luogo, questo approccio influisce automaticamente - o addirittura potenzialmente confonde - i dati acquisiti, come è stato stabilito altrove2. Questi fattori confondenti sono particolarmente salienti quando si considerano le variabili correlate all'arricchimento. In particolare, i ratti da laboratorio sono tradizionalmente alloggiati in piccole gabbie che sono abbastanza grandi per uno o due ratti3 e, se non vengono fornite ruote da corsa, possono passare una vita senza opportunità significative di esercizio. Inoltre, l'alloggio isolato può essere una delle principali fonti di stress in una specie sociale come il ratto4. Alcuni di questi inconvenienti legati al benessere probabilmente hanno un impatto sulla fisiologia dei ratti 5,6, che può prevenire lo sviluppo di espressioni comportamentali specie-tipiche4 e influire sulla qualità dei modelli di roditori applicati ai contesti umani.
Negli ultimi anni i ricercatori hanno perseguito diversi tipi di soluzioni a questi problemi. Il tipo più semplice di soluzione è stato quello di automatizzare i test comportamentali e la formazione 7,8,9,10, eliminando così la necessità per un singolo ricercatore di occuparsi di un singolo animale. Un'ulteriore soluzione è stata quella di automatizzare il trasferimento degli animali nelle camere sperimentali11,12, eliminando ulteriormente la necessità del coinvolgimento umano. Infine, sono state esplorate diverse configurazioni che consentono agli animali di essere alloggiati in gabbie di colonie con altri animali e con più spazio per l'esplorazione e l'arricchimento13. Nonostante questi vantaggi, tali configurazioni di colonie possono limitare o complicare gli sforzi per raccogliere dati comportamentali differenziati individualmente (anche se vedi sforzi per utilizzare la visione artificiale)14,15. Se sono richiesti dati comportamentali individuali, può essere più difficile o complesso identificare e recuperare gli animali dalla gabbia della colonia anche per le sessioni comportamentali. Al momento, esistono pochi sistemi per la raccolta di dati comportamentali individuali da colonie (arricchite)che ospitano 16,17,18.
Questi inconvenienti possono avere un impatto specifico sulla ricerca sugli effetti comportamentali della lesione cerebrale acquisita. In primo luogo, è chiaro che la presenza e/o il sesso degli esseri umani e le pratiche di manipolazione influenzano il comportamento dei roditori 2,19 e queste variabili possono avere un impatto differenziale sul comportamento dei ratti prima rispetto a quelli di cui all'uomo. dopo l'ictus. In secondo luogo, gli esiti comportamentali umani dopo l'ictus possono essere peggiorati da una diminuzione volontaria dell'impegno con il dosaggio raccomandato di esercizi di riabilitazione20. Attualmente, gli esperimenti sui roditori tendono a non modellare questo tipo di contesto, perché i ratti non sono liberi di scegliere di impegnarsi o astenersi dalle sessioni comportamentali.
Questo articolo introduce un protocollo progettato per facilitare i test comportamentali individuali nell'ambito della gabbia di colonie arricchite. Questo approccio non solo affronta i vincoli delle pratiche attuali, ma apre anche strade per l'esplorazione di misure innovative. È stato sviluppato un tornello a un ratto (ORT) che può essere apposto su una gabbia di colonia, consentendo agli animali di entrare nelle camere comportamentali in modo indipendente e avviare le proprie sessioni di addestramento e test. Il sistema è conveniente; ogni ORT può essere assemblato a basso costo (dato accesso a una stampante 3D). In passato, la convalida di questo sistema è stata effettuata utilizzando una camera operante di base, dimostrando che gli animali potevano essere costantemente addestrati a eseguire una semplice pressione a leva operante senza la presenza di uno sperimentatore16. Tuttavia, la questione se questa configurazione sia applicabile ad altri scenari rimane irrisolta. L'obiettivo è convalidare l'efficacia della configurazione della gabbia per colonie ORT, precedentemente stabilita, per l'addestramento e la quantificazione del comportamento di portata qualificato rilevante per la compromissione motoria a seguito di un ictus. La configurazione è stata utilizzata per generare nuove variabili che in genere non vengono esplorate nella ricerca sull'ictus. Queste variabili includono metriche di performance per il compito di portata qualificata e misurazioni dell'auto-iniziazione, che potrebbero essere pertinenti alla motivazione e al processo decisionale. Inoltre, sono stati rilevati efficacemente i cambiamenti indotti dall'ictus nei modelli circadiani di auto-iniziazione giornaliera durante l'intero periodo di 24 ore.
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Protocol
Tutte le procedure e la cura degli animali sono state approvate dal comitato istituzionale per la cura e l'uso degli animali dell'Università del Texas settentrionale (IACUC) e hanno aderito alla guida del National Institutes of Health per la cura e l'uso degli animali da laboratorio. I ratti Long-Evans maschi e femmine adulti (400-800 g, 1,5 anni), utilizzati nel presente studio, sono stati alloggiati in gabbia per colonie.
1. Preparazione dell'attrezzatura
- Ottenere o assemblare il tornello a un ratto (ORT) secondo il progetto files e le istruzioni per la costruzione (vedi File supplementare 1 e Codifica supplementare File 1). Fare riferimento a Butcher et al.16 per ulteriori dettagli.
NOTA: Gli ORD sono specifici per le dimensioni dei ratti, quindi una gabbia per colonie dovrebbe includere animali che hanno approssimativamente le stesse dimensioni. Se non si desidera auto-assemblare gli ORT, possono essere acquistati pre-assemblati (vedi Tabella dei materiali). - Procurarsi e collegare un lettore di identificazione a radiofrequenza (RFID, vedere Tabella dei materiali) e ottenere e iniettare gli animali con tag RFID.
NOTA: Quando si iniettano tag RFID full duplex (FDX), l'orientamento deve essere perpendicolare all'antenna RFID mentre il ratto cammina attraverso l'ORT. In questa convalida, i tag sono stati impiantati per via sottocutanea tra la scapola su un piano parallelo alla colonna vertebrale. - Fissare l'antenna RFID al tubo dell'ORT.
- Costruire e/o ottenere l'apparato comportamentale e la gabbia di colonia appropriati per la domanda sperimentale. In questo esempio, la gabbia per colonie costruita su misura21,22 è stata utilizzata in combinazione con camere operative disponibili in commercio (vedi Tabella dei materiali), sebbene in teoria potesse essere utilizzata qualsiasi attrezzatura.
NOTA: Dovrebbe essere presa in considerazione la competizione di animali alloggiati in colonia per l'accesso all'apparato comportamentale tramite l'ORT. Anticipa la necessità di un apparato comportamentale ORT + ogni 4-6 animali. - Attacca l'ORT (o gli ORT) tra l'apparato comportamentale e la gabbia della colonia.
- Praticare un foro portale nell'apparato comportamentale e nella gabbia delle colonie utilizzando un utensile rotante Dremel (vedi Tabella dei materiali) o uno strumento simile. Il diametro interno deve essere uguale al diametro esterno del tunnel ORT costruito.
NOTA: L'ORT deve essere sollevato di alcuni centimetri per funzionare, quindi sarà necessaria una piccola piattaforma o supporto per allineare la gabbia della colonia e le altezze dell'apparato. - Installare un sistema RFID per leggere gli animali mentre passano attraverso l'ORT e, se lo si desidera, integrarlo con l'apparato comportamentale.
2. Formazione comportamentale prechirurgica
- Ottieni una coorte di ratti della stessa dimensione e introducili nella gabbia della colonia.
NOTA: Gli animali che sono stati allevati o alloggiati estensivamente in isolamento o con pochi conspecifici possono avere più difficoltà ad esplorare la camera, specialmente quando si tratta di attraversare le aree sociali della gabbia della colonia. Gli animali dovrebbero essere esposti a gabbie di gruppo all'inizio della vita per evitare questa trappola. - Rimuovi l'accesso a qualsiasi manipolatore all'interno dell'apparato comportamentale e imposta la camera in modo che fornisca automaticamente ricompense ogni 60 s, in media, quando è occupata.
NOTA: Questo studio ha utilizzato l'acqua di saccarosio (dal 30% al 40%) come ricompensa, ma anche il latte condensato zuccherato è efficace. - Addestrare tutti i ratti a entrare regolarmente nell'apparato comportamentale tramite l'ORT.
- Almeno una volta al giorno, controlla i dati per assicurarti che tutti gli animali entrino nell'ORT. Se gli animali non entrano, inserire un oggetto delle dimensioni di una penna nel meccanismo di bloccaggio per impedirne il blocco temporaneo e consentire agli animali di esplorare più liberamente. Se gli animali continuano a non entrare, rimuovere il tornello e fissare una parete laterale temporanea per consentire il libero accesso al tunnel della camera.
- Una volta che tutti gli animali entrano regolarmente nella camera, restituisci la serratura (e il tornello) e rivaluta.
NOTA: Gli animali possono anche occupare l'ORT e la camera come tregua temporanea da altri ratti. Un modo per prevenire questo tipo di monopolizzazione della camera è quello di collegare un ORT aggiuntivo che si collega a una semplice camera di isolamento. - Introdurre il manipulandum, in questo caso di esempio, la maniglia di trazione e impostarla sulla sensibilità più alta. Inserisci la maniglia appena all'interno della scatola (fino a 2 cm) o appena fuori dalla scatola.
NOTA: Il nastro adesivo può evocare tentativi di portata se fissato sul retro dell'impugnatura, appena fuori portata. - Ridurre la frequenza con cui la ricompensa (ad esempio, il 30% di acqua di saccarosio) viene erogata automaticamente (ad esempio, ogni 90-120 s). Ricorda che può essere utilizzata qualsiasi ricompensa che si adatti alle esigenze dello sperimentatore e alle preferenze degli animali.
- Controllare i dati quotidianamente per assicurarsi che tutti gli animali abbiano imparato ad attivare la leva. Innescare la leva e/o cambiare il livello di inserimento finché tutti gli animali non tirano.
- Interrompi la consegna automatica dei premi in modo che siano disponibili solo tramite l'attivazione della maniglia.
- Se precedentemente inserita, ritrarre la leva ogni giorno (a condizione che tutti i ratti continuino a tirare a quel livello di retrazione) da 0.25 mm a 0.5 mm finché la leva non è nella sua posizione finale, da 1 cm a 1.25 cm fuori dalla camera.
NOTA: La posizione esatta della leva dipende dalle dimensioni dei ratti. Assicurarsi di scegliere una posizione che si traduca nella topografia desiderata. - Avviare un percentile o un altro programma di allenamento per aumentare progressivamente le forze di trazione richieste per attivare la maniglia.
NOTA: Questo studio ha utilizzato un programma percentile che stabilisce il criterio per il rinforzo nel quartile superiore delle precedenti 15 risposte. In alternativa, è possibile utilizzare aumenti graduali del criterio pull7. - Una volta che gli animali raggiungono in modo affidabile l'intervallo di criteri finale di 120 g di tiri, rimuovere il programma di addestramento percentile e fissare il criterio per l'attivazione della maniglia a una costante di 120 g.
- Raccogliere i dati di base a questo requisito di forza fino a quando le percentuali di successo non sono state costanti (non tendenziali) per circa una settimana.
3. Indurre l'ictus
- Indurre chirurgicamente l'ictus in tutti gli animali in gabbia della colonia contemporaneamente.
NOTA: Per indurre l'ictus è stato utilizzato un modello endoteliano-1 di ictus, che è stato descritto altrove23. - Lasciare che gli animali si riprendano in gabbia tradizionale, isolati singolarmente, per 3-7 giorni.
4. Test comportamentali post-chirurgici
- Dopo il recupero, riportare gli animali nella gabbia della colonia con l'apparato di portata qualificato collegato all'ORT.
- Eseguire il test comportamentale, mantenendo i requisiti di trazione al finale di 120 g (seguire il passaggio 2) fino a quando non vengono raccolti dati sufficienti per valutare i deficit post-ictus (da uno a più giorni).
- Implementare eventuali variabili indipendenti post-ictus o relative al recupero durante i giorni successivi mentre gli animali accedono alla camera.
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Representative Results
Gli animali sono stati addestrati e testati con quattro ratti femmine in una gabbia di colonia e quattro ratti maschi in una gabbia di colonia separata. Tutti i ratti hanno imparato a passare attraverso gli ORT in quattro giorni o meno. Le quattro femmine di ratto hanno raggiunto l'>85% di successo con il requisito di forza di 120 g in circa 6 settimane di addestramento e i ratti maschi hanno raggiunto lo stesso criterio in 10 settimane (rispetto a circa 3 settimane con l'addestramento standard con ratti privati)7. Questa durata della formazione è stata notevolmente allungata a causa di diversi problemi hardware e software che richiedevano una risoluzione continua dei problemi, tra le settimane 2 e 6. Una volta risolti questi problemi, l'addestramento è proceduto senza intoppi e si prevede che le successive tempistiche di addestramento saranno paragonabili alla letteratura attuale7. I ratti maschi sono stati anche addestrati più a lungo per fornire maggiori opportunità a un ratto maschio di iniziare a tirare; tuttavia, non l'ha mai fatto ed è stato escluso da ulteriori analisi e interventi chirurgici dopo la settimana 7. Una volta che le prestazioni del ratto si sono stabilizzate al basale, sono stati ottenuti 5 giorni di dati basali pre-ictus per ciascuna gabbia. I dati erano limitati ai giorni durante i quali l'ORT rimaneva collegato alla gabbia per l'intera giornata (alcuni giorni richiedevano disconnessioni temporanee legate all'allevamento). Per la gabbia femminile, i giorni basali erano 7, 8, 9, 10 e 12 giorni prima dell'ictus. Per i maschi, i giorni basali erano 8, 9, 10, 11 e 13 giorni prima dell'ictus.
Durante i loro interventi chirurgici di induzione dell'ictus, gli animali in questa convalida sono stati impiantati simultaneamente con elettrodi collegati a chip riceventi wireless nel loro proencefalo basale (coordinate -5,8 mm anteriore/posteriore, 0,7 mm sinistra/laterale, 8,3 mm dorsale/ventrale) o nella loro area tegmentale ventrale (coordinate -2,3 mm anteriore/posteriore, 3,3 mm sinistra/laterale, 7,0 mm dorsale/ventrale). Questi impianti erano destinati all'uso in un successivo esperimento di recupero e non sono rilevanti per la convalida ORT della gabbia della colonia qui riportata. Gli impianti sono stati progettati in modo che la pelle potesse essere chiusa su di essi, con i chip riceventi situati sottocutaneo sotto il braccio sinistro.
Una femmina è morta durante l'induzione dell'ictus. Un'altra femmina ha iniziato a declinare diversi giorni dopo il recupero, non avendo mai tirato la maniglia dopo l'ictus. Dopo l'eutanasia, si è scoperto che probabilmente aveva avuto un'emorragia cerebrale qualche tempo dopo l'ictus. Questi due animali sono stati completamente eliminati dal set di dati, inclusa la valutazione pre-ictus.
Dopo l'ictus, gli animali non hanno ripreso immediatamente la normale trazione della leva, anche se hanno continuato a entrare nella camera tramite l'ORT e hanno dovuto essere incoraggiati attraverso brevi sessioni di modellatura manuale (cioè, distanza della leva ridotta e ricompense consegnate in base all'avvicinamento o al tentativo di tirare la leva). Le femmine di ratto non tiravano durante i giorni 4-7 dopo l'ictus e quindi venivano somministrate un'esca supplementare a leva (cioè una piccola quantità di burro di arachidi sulla leva) e una modellatura manuale nei giorni 8-11. Hanno iniziato a tirare autonomamente l'11° giorno. I maschi sono stati autorizzati a riprendersi fino al giorno 6 in base alla precedente esperienza con le femmine. Non hanno tirato durante il giorno 6 dopo l'ictus. Sono stati sottoposti a esca supplementare il giorno 7. Hanno iniziato a tirare autonomamente l'8° giorno dopo l'ictus. Una volta che gli animali hanno contattato nuovamente il rinforzo per i tentativi di trazione, l'esca o la sagomatura supplementare è stata interrotta e sono stati raccolti i dati post-ictus. I maschi non hanno tirato abbastanza il giorno 8 per un'analisi completa delle variabili dipendenti più complesse (misure circadiane e pausa post-attacco), quindi è stato permesso loro di continuare a tirare il 9°, 10° e 11° giorno con lo stesso criterio. L'8°, il 10° el'11° giorno erano giorni completi. Il primo giorno di trazione dopo l'ictus è stato utilizzato per tutte le analisi tranne l'analisi circadiana e l'analisi delle pause tra gli attacchi; Per questa analisi sono stati utilizzati un giorno per le femmine e tre giorni interi per i maschi. Per l'analisi post-ictus, le due femmine di ratto hanno fornito 55 e 844 tiri in un giorno e i tre ratti maschi hanno fornito 536, 153 e 190 tiri in tre giorni.
I dati sono stati organizzati in base a pull e bouts. Per evitare di registrare tremori derivanti dall'apparecchiatura stessa, i tiri sono stati misurati utilizzando una soglia di 5 g con un'isteresi di +/- 1 g. È stata registrata una trazione quando l'animale ha esercitato una pressione superiore a 6 g e si è fermata quando la maniglia ha registrato una forza inferiore a 4 g. Gli animali tendevano a tirare in attacchi di diversi tiri rapidi. Una volta che ogni singolo tiro raggiungeva i 120 g, veniva fornito il rinforzo. Un incontro era considerato un gruppo di tiri i cui picchi erano tutti separati da meno di 1 s. Questa soglia è stata selezionata sulla base di dati precedenti, che indicavano che un cluster di intervalli tra picchi inferiore a 1 s si sviluppava naturalmente e altri intervalli tra picchi erano molto più lunghi. I ratti generalmente tiravano molte volte di seguito prima di visitare l'alimentatore, anche quando i primi tiri nell'incontro attivavano l'alimentatore.
Sono state analizzate un totale di 7 variabili dipendenti. È stato eseguito un test t accoppiato tra le medie basali e le misure post-ictus, riportate in Figura 1, Figura 2 e Figura 3. Queste cifre mostrano anche i dati per singoli animali per fornire un'impressione della variazione tra i giorni e tra gli individui per ciascuna misura che potrebbe essere prevista.
La Figura 1 mostra le prestazioni pre e post-ictus lungo diverse misure di prestazione tipiche delle valutazioni della portata qualificata 7,8,10. Tutti i dati post-ictus sono stati aggregati in un unico punto dati anche se ci sono voluti diversi giorni per raccogliere prove sufficienti. Il protocollo e il sistema automatizzato auto-avviato hanno valutato con successo il tasso di successo per attacco, la forza media per trazione e le trazioni per attacco, che hanno mostrato sensibilità all'ictus con vari gradi di significatività statistica.
La Figura 2 illustra due nuove variabili che derivano dalla configurazione della gabbia della colonia-ORT: l'avvio della sessione e la durata cumulativa della sessione. Sorprendentemente, l'ictus non ha influenzato l'inizio della sessione. Le femmine hanno iniziato in modo affidabile le sessioni più dei maschi sia prima che dopo l'ictus, tuttavia nessuno dei due ha cambiato la frequenza dopo l'ictus. Al contrario, la durata trascorsa nella camera è aumentata per la maggior parte dei ratti, forse a causa della diminuzione del tasso di successo degli attacchi (il cui risultato è un tasso di ricompense diminuito)
L'inizio della sessione (che rappresenta una scelta tra arricchimento e ricompense sociali disponibili nella gabbia della colonia e rinforzo alimentare) e la durata del tempo nella camera (nel caso di una preferenza di luogo condizionata con il valore della ricompensa) potrebbero anche essere presi come indici di motivazione 24,25,26,27. Sono state incluse ulteriori misure basate sulla motivazione, come lo "sforzo" quantificato dai tiri per sessione minuto28 e dalle pause tra gli attacchi29, che possono essere visti nella Figura 3. Queste variabili sono state influenzate dall'ictus. Come anticipato, il numero di tiri per minuto di sessione è diminuito e la durata delle pause tra gli attacchi è aumentata. Tuttavia, i cambiamenti in quest'ultima misura sono stati complessi. La distribuzione delle pause sembrava diventare più caotica, comprese pause più lunghe, alcune pause molto lunghe e anche pause più brevi. Ciò potrebbe indicare un guasto nell'unità motoria qualificata originale; se è così, potrebbe essere un indice facilmente misurabile dello stesso.
Nonostante le piccole dimensioni del gruppo, è stata condotta un'indagine per determinare se una qualsiasi delle variabili misurate mostrasse correlazioni con il tasso di successo, implicando potenzialmente il loro significato funzionale. I test di Shapiro Wilk sono stati eseguiti per valutare l'equa distribuzione dei dati per le variabili tasso di successo, picco medio di tiro, attacco al minuto, durata cumulativa della sessione, pause tra gli attacchi e tiri per attacco. Il test di Shapiro Wilk ha indicato che la distribuzione di alcune variabili si allontanava significativamente dalla normalità. Pertanto, sono state eseguite le correlazioni dell'ordine di rango di Spearman per determinare la relazione tra il tasso di successo pre o post-ictus e le seguenti variabili: picco medio, attacco di tiro al minuto, durata cumulativa della sessione, pause tra gli attacchi e tiri per attacco. Nessuna variabile prima dell'ictus diversa dalla forza di trazione media era significativamente correlata con il tasso di successo (vedi Tabella 1). Dopo l'ictus, la maggior parte delle variabili non ha mostrato alcuna correlazione significativa con il tasso di successo, ad eccezione della forza di trazione media (Tabella 1).
Infine, l'ORT consente un'analisi non solo del comportamento motorio esperto, ma anche del pattern circadiano. La Figura 4 mostra la proporzione di ogni ora per ogni gabbia in cui è stata occupata l'ORT, presentata come media rispetto al basale e ai giorni post-ictus. La linea blu nella figura indica un conteggio medio del numero di voci all'ora effettuate durante il giorno. Prima dell'ictus, gli animali si impegnavano con il compito di raggiungere l'abilità ad alti livelli al mattino, diminuendo la loro durata durante il giorno. Poche ore prima dell'accensione delle luci, il coinvolgimento è aumentato di nuovo (femmine) o è aumentato leggermente (maschi) prima di interrompersi poco dopo l'accensione delle luci. Questa distribuzione circadiana bimodale è cambiata completamente dopo l'ictus. Gli animali si impegnavano meno al mattino e il loro tempo nella camera raggiungeva il picco nel corso della giornata. Tale schema può riflettere il sonno generale e i disturbi circadiani spesso osservati dopo l'ictus 30,31,32,33.
Figura 1: Misurazione dei cambiamenti tipici delle prestazioni nella portata dell'esperto dopo l'ictus utilizzando la procedura ORT. È stata misurata la prestazione della portata qualificata prima e dopo l'ictus. Le medie giornaliere per animale per tasso di successo per attacco, forza media per tiro e numero di tiri per attacco vengono visualizzate su 5 giorni di basale e un giorno dopo l'ictus (a sinistra) e tra una media del basale e un giorno dopo l'ictus (post-ictus) con test t accoppiati riportati. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Diversi parametri di sessione auto-avviata mostrano diverse tendenze a cambiare dopo l'ictus. Le misure di auto-iniziazione per le sessioni di comportamento di portata qualificata prima e dopo l'ictus sono state rese possibili dalla procedura ORT. Le medie giornaliere per animale per l'inizio della sessione e la durata cumulativa della sessione giornaliera vengono visualizzate su 5 giorni di basale e un giorno dopo l'ictus (a sinistra) e tra una media del basale e un giorno dopo l'ictus (post-ictus) con test t accoppiati riportati. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Le variabili legate alla motivazione cambiano dopo l'ictus. Sono state determinate le misure delle prestazioni delle sessioni comportamentali di portata qualificata prima e dopo l'ictus relative alla motivazione. Le medie giornaliere per animale per la durata della pausa tra gli attacchi e la frequenza giornaliera degli attacchi per minuto di sessione vengono visualizzate su 5 giorni di basale e un giorno dopo l'ictus (a sinistra) e tra una media del basale e un giorno dopo l'ictus (post-ictus) con test t accoppiati riportati. Le pause tra gli attacchi sono cambiate in termini di queste medie giornaliere, ma ancora più sorprendentemente, anche la distribuzione delle lunghezze delle pause individuali dopo l'ictus è cambiata su entrambi i lati della media. Le singole lunghezze di pausa sono raggruppate per tutti gli animali e visualizzate come distribuzioni su un asse logaritmico (all'estrema destra). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Il pattern circadiano delle sessioni auto-avviate cambia dopo l'ictus. Sono state determinate le misure del pattern circadiano delle sessioni di comportamento di portata qualificate auto-avviate prima (a sinistra) e dopo (a destra) l'ictus per tutti gli animali, le femmine e i maschi. Questi dati includono tutti gli ingressi e tutti i tempi di occupazione della camera per gabbia, mediati tra i giorni pre-ictus e post-ictus. Le due gabbie vengono quindi nuovamente mediate per mostrare le distribuzioni totali (riga superiore). I modelli pre-ictus includevano un elevato coinvolgimento al mattino, che è diminuito durante il periodo di veglia con un nuovo picco appena prima della fase di sonno. I modelli post-ictus mostrano che la durata della sessione aumenta durante il giorno e raggiunge il picco prima della fase di sonno. I ratti erano in cicli di luce inversa nella loro stanza di alloggio. Il periodo di accensione delle luci è mostrato in grigio per indicare il normale periodo di inattività del ratto. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
| Correlazioni | ||||||
| Variabili | Variabile di confronto | Spearman | ||||
| n | Prima di Stroke rs | p | Dopo l'ictus rs | p | ||
| Forza di trazione media | Percentuale di successo | 5 | 1 | <0,001 | -0.975 | 0.005 |
| Attacco di trazione al minuto | Percentuale di successo | 5 | 0.3 | 0.624 | -0.154 | 0.805 |
| Durata cumulativa della sessione | Percentuale di successo | 5 | -0.1 | 0.873 | 0.564 | 0.322 |
| Pause tra un attacco e l'altro | Percentuale di successo | 5 | -0.6 | 0.285 | 0.205 | 0.741 |
| Tiri per attacco | Percentuale di successo | 5 | 0.1 | 0.873 | -0.821 | 0.089 |
Tabella 1: Coefficienti di correlazione di Spearman tra variabili. Le correlazioni dell'ordine di rango di Spearman sono state eseguite per determinare la relazione tra il tasso di successo pre o post-ictus e sono state determinate le seguenti variabili: picco medio, attacco di tiro al minuto, durata cumulativa della sessione, pause tra gli attacchi e tiri per attacco. Prima della correlazione, sono stati eseguiti test di Shapiro Wilk per valutare l'equa distribuzione di tutte le variabili del test e hanno indicato che alcune variabili si discostavano significativamente dalla normalità. Nessuna variabile prima dell'ictus diversa dalla forza di trazione media era significativamente correlata con il tasso di successo. Questa tabella illustra i risultati dei coefficienti di correlazione di Spearman (ρ) valutati se esisteva una relazione tra il tasso di successo e cinque variabili di test.
File supplementare 1: Passaggi per la creazione dell'ORT. Istruzioni per la stampa e la costruzione di un "Tornello One Rat". Nelle istruzioni sono inclusi un elenco di tutti i materiali necessari e istruzioni dettagliate (con immagini). Il file include anche le istruzioni per il collegamento di un microinterruttore per registrare le entrate e le uscite, nonché il cablaggio e la programmazione per il collegamento di un lettore RFID. Fare clic qui per scaricare questo file.
File di codifica supplementare 1: Ciò include tutti i componenti necessari per la stampa 3D del "tornello One Rat". Questo file può essere utilizzato direttamente o accessibile utilizzando le istruzioni nel file supplementare 1. Tutti i componenti in questo file devono essere scalati utilizzando il pezzo "righello" incluso (vedere File supplementare 1 per ulteriori dettagli). Fare clic qui per scaricare questo file.
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Discussion
Questo protocollo ha molteplici usi. In primo luogo, e più in generale, l'ORT è stato sviluppato allo scopo di consentire la formazione comportamentale automatizzata di un singolo soggetto e la raccolta di dati nel contesto dell'edilizia sociale arricchita. Mentre questo studio ha testato l'idea di raccogliere misure comportamentali tipiche ed elaborarle nel contesto dell'ictus, lo stesso può essere fatto per altre applicazioni e compiti comportamentali. Anche le misure raccolte in questa convalida possono anche essere adattate secondo necessità per includere programmi di rinforzo alternativi, comportamenti alternativi, ecc. In secondo luogo, questo studio ha valutato la capacità del sistema di raccogliere dati relativi alla compromissione della portata qualificata a seguito di un ictus. L'attuale protocollo è stato convalidato in precedenza per l'apprendimento e la misurazione della pressione di base della leva16. I dati attuali mostrano che si tratta di un approccio valido per raccogliere dati sui deficit motori correlati all'ictus e che sono possibili misure tipiche delle tradizionali valutazioni della portata degli esperti, nonché nuove misure. Durante la risoluzione dei problemi del sistema ORT della gabbia per colonie, una grande domanda era se gli animali avrebbero avviato autonomamente sessioni comportamentali con sufficiente frequenza e se lo avrebbero fatto in vari contesti sperimentali, in particolare dopo l'ictus. È stato scoperto che tutti o quasi tutti gli animali possono essere incoraggiati a partecipare a sufficienza a semplici procedure operanti e ora per i test comportamentali post-ictus. I periodi post-ictus hanno richiesto un po' di modellamento manuale, ma gli animali sono tornati rapidamente a impegnarsi nel compito comportamentale senza la presenza dello sperimentatore.
Durante la risoluzione dei problemi, sono stati scoperti diversi punti procedurali che aumentano le probabilità di successo e questi sono stati integrati nel protocollo. Questi includevano la necessità di scalare l'ORT in base alle dimensioni del ratto e di assicurare che gli animali siano di dimensioni simili e allevati in un contesto sociale. Inoltre, è stato scoperto che un singolo ORT è il più efficace per ospitare 4-6 ratti a causa della potenziale elevata competizione per la camera. Vale la pena notare che questa competizione non sembra indurre uno stress maggiore rispetto ai metodi tradizionali; Un esperimento precedente ha registrato livelli ridotti di cortisolo nella configurazione della gabbia della colonia rispetto ai tradizionali test comportamentali16. Inoltre, è stato riscontrato che, per gli animali timidi, rimuovere il tornello o lasciarlo aperto durante la fase iniziale di addestramento aiuta a consentire a più ratti di esplorare la camera insieme.
Sebbene questo approccio sia efficace nella valutazione dei deficit motori post-ictus, è essenziale riconoscere alcune limitazioni. In primo luogo, gli animali post-ictus potrebbero non ricominciare immediatamente a tirare e potrebbero richiedere alcune sessioni di modellatura e/o esca manuale. Con questo e altri approcci specifici, la completa automazione della formazione e dei test potrebbe essere più difficile. Tuttavia, questa non è una limitazione esclusiva della configurazione della gabbia della colonia ORT, e gli animali nelle sessioni comportamentali avviate dallo sperimentatore hanno spesso lo stesso problema.
Un'altra limitazione è la possibilità di utilizzare le camere per scopi diversi da quelli previsti. Aneddoticamente, sono stati osservati diversi casi in cui gli animali sono entrati nelle camere comportamentali e hanno trascorso una quantità significativa di tempo all'interno senza partecipare attivamente al compito comportamentale. Questo accadeva occasionalmente con tutti gli animali, ma specialmente con i maschi. Ciò potrebbe essere stato semplicemente dovuto al fatto che l'ORT forniva un po' di privacy agli animali quando non desideravano impegnarsi socialmente. Detto questo, l'aggiunta di stanze "da soli" alla gabbia della colonia utilizzando altri ORT mitiga questo problema.
È stato anche osservato che gli animali occasionalmente si fermavano nel tunnel con l'ORT semiaperto e rimanevano lì per periodi di tempo. Questo è il motivo per cui è meglio avere il lettore RFID vicino alla camera comportamentale in modo che l'animale non venga registrato fino a quando non entra completamente. Si potrebbe ipotizzare che indugiare nell'ORT sia piacevole allo stesso modo di uno scivolo di compressione. In ogni caso, gli animali non si soffermano lì in modi che impedirebbero la raccolta dei dati, in particolare quando sono disponibili camere di isolamento alternative collegate all'ORT.
Un'altra limitazione è che la sessione auto-avviata può essere più difficile da equiparare il tempo della sessione comportamentale o le opportunità di risposta comportamentale tra gli individui nei gruppi. Questa limitazione può essere particolarmente rilevante per gli studi relativi all'ictus, data la relazione tra tempo di allenamento cumulativo e recupero. Tuttavia, questa limitazione può essere almeno parzialmente affrontata. Se un esperimento lo richiede, è possibile programmare molti apparati comportamentali per terminare le sessioni quando viene raggiunta una durata target o un numero target di risposte (ad esempio, attraverso la cessazione delle ricompense o la retrazione del manipulandum). Questa soluzione non affronta alcuna tendenza degli individui a non raggiungere i propri obiettivi. Ma, ancora una volta, questa limitazione non è unica per questa configurazione.
Questa configurazione ha anche il vantaggio che l'allenamento comportamentale o l'esposizione possono verificarsi durante il giorno piuttosto che in pochi momenti ristretti. Questo potrebbe essere utile in diversi contesti; In particolare nell'ictus potrebbe essere utilizzato per studiare l'effetto del dosaggio degli approcci di riabilitazione comportamentale.
Infine, l'ORT probabilmente non può essere utilizzato per procedure avverse come la sconfitta sociale, il nuoto forzato, la paura condizionata, ecc. L'ORT richiede che il paradigma comportamentale sia appetitivo; altrimenti, è probabile che gli animali evitino semplicemente le camere comportamentali.
Nonostante le limitazioni, questa procedura aggiunge vantaggi significativi ai paradigmi comportamentali attualmente disponibili per i ratti. In primo luogo, la configurazione consente una raccolta continua di dati ad alto rendimento, liberando tempo per lo sperimentatore. Sebbene sia importante monitorare continuamente l'attrezzatura e gli animali, gli sperimentatori devono essere presenti solo per brevi periodi di tempo durante il giorno. L'esecuzione di sessioni comportamentali per 8 animali avrebbe richiesto 4-10 ore di sessioni giornaliere utilizzando l'approccio tradizionale. L'approccio ORT-gabbia per colonie non solo riduce quel tempo praticamente a zero (supponendo un apparato funzionante e automatizzato), ma consente anche la raccolta di dati durante i fine settimana con poca necessità di presenza aggiuntiva; Tale continua disponibilità di attività comportamentali durante i fine settimana aumenta anche l'arricchimento totale disponibile per gli animali.
Il protocollo ORT-colony cage offre vantaggi in termini di dati e vantaggi logistici. Sono disponibili molte variabili dipendenti che non sono tradizionalmente possibili, tra cui il ritmo, la durata o altri parametri delle sessioni auto-avviate come quelle esplorate qui. Le variabili circadiane sono spesso misurate utilizzando ruote da corsa; tuttavia, questo protocollo consente di esaminare i modelli e i parametri di scelta in altri tipi di comportamento. L'ORT potrebbe anche essere utilizzato per collegare le gabbie delle colonie e fornire accesso visivo o olfattivo al sesso opposto, rendendo possibile non solo valutare la motivazione ma anche il modello circadiano della ricerca del compagno. Questo studio ha caratterizzato diverse nuove variabili dipendenti che potrebbero essere utili nella ricerca sull'ictus, comprese le variabili circadiane e le variabili relative all'inizio che possono aiutare a esplorare le domande traslazionali relative o nel contesto della perdita di motivazione e della depressione che possono verificarsi dopo l'ictus34,35. Sebbene non affrontate qui, anche altre importanti variabili rilevanti per l'ictus, come le analisi qualitative della cinematica della portata, dovrebbero essere facilmente affrontabili con questo protocollo di gabbia per colonie ORT tramite telecamere attivate dal movimento.
Infine, un vantaggio significativo di questo protocollo è la sua capacità di consentire agli animali di rimanere in ambienti grandi, arricchiti e sociali per la maggior parte della loro vita. I progressi nel benessere degli animali sono importanti nei laboratori di base non solo per ragioni etiche ma anche scientifiche. Gli animali che possono muoversi e socializzare dovrebbero servire come modelli migliori per gli stati patologici che non comportano naturalmente restrizioni o privazioni. Inoltre, la natura autosufficiente delle sessioni comportamentali in questo protocollo significa che gli esseri umani non devono essere presenti durante la raccolta dei dati comportamentali. La presenza di esseri umani in un laboratorio può influenzare i dati comportamentali, a volte in modo differenziale a seconda dell'essere umano in questione, di quanto bene sono addestrati e di come gestiscono gli animali 2,19. Tali impatti incontrollati e variabili sui dati possono essere ridotti al minimo con il protocollo attuale.
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Disclosures
Gli autori non hanno conflitti da rivelare.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato finanziato in parte dalla dotazione Beatrice H. Barrett per la ricerca sulle relazioni neuro-operanti con l'Università del Texas settentrionale (UNT). Siamo grati per il contributo e l'assistenza di tutti i membri del Neuroplasticity and Repair Laboratory, in particolare Valerie Rojas, Mary Kate Moore, Cameron Scallon e Hannah McGee.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3D printer | Consult with local makerspace | ||
| bolt | Boltdepot | 1346 | 6-32 or 8-32 by 0.5" |
| bolt | Boltdepot | 1348 | 6-32 or 8-32 by 0.75" |
| door hinge | XJS (Amazon) | 43398-16234 | 1" cabinet stainless steel door hinge set; Optional (if "perfect hinge" is not printed) |
| drill | Any electric drill works | ||
| extension spring | Nieko (Amazon) | 50456A | Choose and adjust spring based on ORT sized and desired tension |
| granulated sugar | |||
| lock nuts | Boltdepot | 2551 | 6-32 or 8-32 |
| measuring tape | |||
| microcontroller | Arduino | A000066 | Arduino Uno |
| microswitch | Sparkfun | KW4-Z5F | mini microswitch (SPDT-roller lever) |
| One Rat Turnstile (ORT) | Vulintus | Contact company to request quote if not self-assembling | |
| Operant Chambers as desired for behavioral assessment: For this experiment we used automated isometric pull chambers from Vulintus | Vulintus | No cat #: contact Vulintus | Contact Vulintus for quote |
| PLA filament | OVERTURE (Amazon) | UK-MATTEPLA17511 | |
| plexiglass | Lesnlok (Amazon) | B09P74K7BR | clear, 1/8" thickness, Cut to size |
| plexiglass cutter | |||
| python program | Python Software Foundation | software available on request | |
| RFID reader | Priority 1 Design | RFIDRW-E-USB | With antenna |
| RFID tag | Unified Information Devices | UC-1485-10 | |
| rod | Boltdepot | 23632 | cut to > 3.5" |
| Rotary tool | Used to bore hole in apparatus and colony caging for ORT; any hardware usable | ||
| sand paper | HSYMQ (Amazon) | TOMPOL-1118-1915-11 | |
| socket wrench set | Any socket wrench set works | ||
| soldering iron | |||
| super glue | 234790 | ||
| wire | Plusivo (Amazon) | EAN0721248989789 |
References
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