收集自发的大鼠行为数据以表征中风后缺陷

摘要

提出了一种系统，用于从社会群体笼环境中自发的个体行为会话中获取数据。该系统的功效通过自动化熟练伸展评估得到证明，可以表征中风后运动障碍、与动机相关的潜在行为改变、昼夜节律变化和其他创新的因变量。

摘要

大鼠模型中的行为测试经常用于多种目的，包括心理、生物医学和行为研究。许多传统方法涉及在实验中单个研究人员和每只动物之间进行单独的、一对一的测试会话。对于研究人员来说，这种设置可能非常耗时，并且它们的存在可能会以不需要的方式影响行为数据。此外，用于大鼠研究的传统笼子缺乏通常对该物种来说典型的富集、锻炼和社会化，这种情况也可能扭曲行为数据的结果。克服这些限制对于一些研究应用可能是值得的，包括获得性脑损伤的研究。在这里，提出了一种示例方法，用于在没有人类在场的情况下自动训练和测试蜂群笼中的个体大鼠行为。射频识别可用于为个体大鼠定制疗程。该系统的验证是在测量中风前后熟练前肢运动性能的示例环境中进行的。测量了中风后行为障碍的传统特征和系统启用的新措施，包括成功率、拉力的各个方面、回合分析、启动率和模式、会话持续时间和昼夜节律模式。这些变量可以自动收集，几乎没有限制;尽管该装置取消了对暴露、时间和实践的实验控制，但验证在动物与动物之间的这些变量中产生了合理的一致性。

引言

使用大鼠模型进行行为训练和测试在无数研究领域中都很重要，从认知过程的探索到疾病状态等等¹.通常，这种训练和测试是在一对一的课程中对单个动物进行的，研究人员手动将动物从笼子中取出，并暂时将它们放置在某种设备中。不幸的是，这种方法存在一些困难和局限性。首先，行为测试对研究人员来说可能需要花费大量时间，而当需要培训时，时间要求就变得更大了。其次，这种方法会自动影响甚至可能混淆所获取的数据，正如在其他地方所确定的那样².在考虑富集相关变量时，这些混杂因素尤为突出。具体来说，实验室大鼠传统上被饲养在小笼子里，这些笼子只够容纳一到两只老鼠³，如果没有提供跑轮，它们可能会一辈子没有有意义的锻炼机会。此外，孤立的住房可能是大鼠等社会物种的主要压力来源⁴.其中一些与福利相关的缺点可能会影响大鼠的生理学 ^5,6，^这可能会抢占物种典型行为表达的发展⁴ 并影响应用于人类环境的啮齿动物模型的质量。

近年来，研究人员一直在寻求几种类型的解决方案来解决这些问题。最简单的解决方案是自动化行为测试和训练7,8,9,10，从而消除了单个研究人员关注单个动物的要求。另一个解决方案是将动物自动转移到实验室^11,12，^进一步消除了对人类参与的需要。最后，已经探索了几种设置，这些设置允许动物与其他动物一起被安置在笼子里，并有更多的探索和丰富空间¹³.尽管有这些优点，但这种菌落设置可能会限制或复杂化收集个体差异化行为数据的努力（尽管请参阅使用计算机视觉的努力）^14,15。如果需要个体行为数据，那么从群体笼养中识别和检索动物以进行行为会话也可能更加困难或复杂。目前，很少有系统用于从（富集）殖民地收集个体行为数据 ^16,17,18。

这些缺点可能会特别影响对获得性脑损伤行为影响的研究。首先，很明显，人类的存在和/或性别以及处理方式会影响啮齿动物的行为 ^2,19，这些变量可能会对大鼠之前的行为产生不同的影响。中风后。其次，中风后的人类行为结果可能会因自愿减少对推荐剂量的康复锻炼的参与而恶化²⁰.目前，啮齿动物实验往往不会对这种环境进行建模，因为老鼠不能自由选择参与或放弃行为会话。

本文介绍了一种协议，旨在促进在富集菌落笼框架内的个体行为测试。这种做法不仅解决了当前做法的制约因素，而且为探索创新措施开辟了途径。已经开发出一种单鼠旋转门（ORT），可以将其固定在蜂群笼子上，使动物能够独立进入行为室并开始自己的训练和测试课程。该系统价格实惠;每个ORT都可以以低成本组装（可以使用3D打印机）。过去，该系统的验证是使用基本的操作室进行的，表明可以在没有实验者在场的情况下持续训练动物执行简单的操作杠杆按压¹⁶。然而，这种配置是否适用于其他方案的问题仍未解决。目的是验证先前建立的 ORT 殖民地笼子设置的有效性，用于训练和量化与中风后运动障碍相关的熟练伸展行为。该配置用于生成中风研究中通常不会探索的新变量。这些变量包括熟练达到任务的绩效指标和自我启动的测量，这可能与动机和决策有关。此外，中风诱导的在整个 24 小时内每日自我启动的昼夜节律模式的变化被有效检测。

研究方案

所有程序和动物护理均已获得北德克萨斯大学机构动物护理和使用委员会 （IACUC） 的批准，并遵守美国国立卫生研究院关于实验动物护理和使用指南。本研究中使用的成年雄性和雌性Long-Evans大鼠（400-800g，1.5岁）被饲养在菌落笼中。

1、设备准备

1. 根据设计文件和施工说明获取或组装独鼠闸机 （ORT）（见 补充文件1 和 补充编码文件1）。有关详细信息，请参阅 Butcher 等人 ¹⁶ 。
   注意:ORTs特定于大鼠的大小，因此菌落笼应包括大小大致相同的动物。如果不想自行组装 ORT，可以购买预组装的 ORT（参见 材料表）。
2. 获取并连接射频识别（RFID，见 材料表）阅读器，并获取并注射带有 RFID 标签的动物。
   注意: 注入 RFID 全双工 （FDX） 标签时，当大鼠穿过 ORT 时，方向必须垂直于 RFID 天线。在该验证中，标签被皮下植入肩胛骨之间，位于与脊柱平行的平面上。
3. 将 RFID 天线固定在 ORT 的管子上。
4. 构建和/或获得适合实验问题的行为装置和菌落笼。在这个例子中，定制的菌落笼^21,22 与市售的操作室（见材料表）结合使用，尽管理论上可以使用任何设备。
   注意:应考虑通过ORT访问行为设备的群居动物竞争。 预计每 4 到 6 只动物需要一个 ORT + 行为设备。
5. 将 ORT 连接到行为装置和菌落笼之间。
6. 使用Dremel旋转工具（参见 材料表）或类似仪器在行为装置和菌落笼中切割一个门户孔。内径应等于所建ORT隧道的外径。
   注意:ORT 必须升高几英寸才能运行，因此需要一个小平台或支架来对齐菌落笼和设备高度。
7. 安装 RFID 系统以在动物通过 ORT 时读取它们，并在需要时将其与行为设备集成。

2. 术前行为训练

1. 获得相同大小的大鼠队列并将它们引入菌落笼中。
   注意:在隔离中广泛饲养或饲养的动物或很少有同种动物在探索房间时可能会遇到更多困难，尤其是当它涉及穿越群体笼子的社会区域时。动物应该在生命早期就暴露在群体笼中，以避免这种陷阱。
2. 移除对行为设备内任何操纵者的访问权限，并将房间设置为在被占用时平均每 60 秒自动提供奖励。
   注意:这项研究使用蔗糖水（30%至40%）作为奖励，但加糖的炼乳也是有效的。
3. 训练所有大鼠定期 通过 ORT进入行为装置。
4. 每天至少检查一次数据，以确保所有动物都进入ORT。如果动物没有进入，将笔大小的物体插入锁定机构，以防止其暂时锁定，让动物更自由地探索。如果动物仍然没有进入，请拆除旋转门并连接一个临时侧壁，以允许自由隧道进入房间。
5. 一旦所有动物都定期进入房间，归还锁（和旋转门）并重新评估。
   注意:动物也可以占据ORT和腔室，作为对其他老鼠的暂时缓解。防止这种对腔室垄断的一种方法是连接一个额外的ORT，该ORT桥接到一个简单的隔离室。
6. 引入机械手（在本例中为拉手）并设置为最高灵敏度。将手柄插入盒子内部（最多 2 厘米）或盒子外。
   注意: 如果将 Painter 的胶带贴在手柄的背面，则可能会引起伸手尝试，刚好够不到。
7. 减少奖励（即 30% 蔗糖水）自动输送的频率（例如，每 90-120 秒一次）。请记住，任何奖励都可以用于满足实验者的需求和动物的偏好。
8. 每天检查数据，确保所有动物都学会了激活杠杆。诱饵控制杆和/或改变插入水平，直到所有动物都拉动。
9. 停止自动交付奖励，以便它们只能通过激活拉动手柄 来 使用。
10. 如果先前插入，则每天将杠杆缩回0.25毫米至0.5毫米（前提是所有大鼠继续在该缩回水平拉动），直到杠杆处于其最终位置，在腔室外1厘米至1.25厘米处。
    注意:控制杆的确切位置取决于大鼠的大小。确保选择一个位置，导致所需的到达地形。
11. 启动百分位数或其他训练计划，以逐渐增加激活手柄所需的拉力。
    注意:本研究使用百分位数计划，将强化标准设置在前 15 个响应的上四分位数。或者，可以使用拉力准则的逐步增加^7。
12. 一旦动物可靠地达到 120 g 拉力的最终标准范围，就删除百分位数训练程序并将手柄激活的标准固定在 120 g 的常数。
13. 在此力要求下收集基线数据，直到成功率稳定（非趋势）大约一周。

3.诱发中风

1. 手术同时在所有群体笼养动物中诱发中风。
   注:为了诱发中风，使用了内皮-1 中风模型，该模型已在其他地方描述过²³。
2. 让动物在传统的笼子里恢复，单独隔离 3-7 天。

4. 术后行为测试

1. 恢复后，使用 ORT 连接的熟练伸展装置将动物送回殖民地笼养。
2. 进行行为测试，将拉力要求保持在 120 g 的最终值（遵循第 2 步），直到收集到足够的数据来评估中风后缺陷（一到几天）。
3. 在随后的几天里，当动物进入腔室时，实施任何与中风后或恢复相关的自变量。

结果

这些动物在一个菌落笼中用四只雌性大鼠和在另一个菌落笼中的四只雄性大鼠进行训练和测试。所有大鼠都在四天或更短的时间内学会了通过ORTs。在大约 6 周的训练中，四只雌性大鼠在 120 g 力要求下达到了 >85% 的成功率，雄性大鼠在 10 周内达到了相同的标准（相比之下，与剥夺大鼠的标准训练相比大约 3 周）⁷。由于在第 2 周到第 6 周之间出现多个硬件和软件故障，需要持续进...

讨论

该协议有多种用途。首先，也是最广泛的，ORT 的开发目的是在社会、丰富的住房环境中实现自动化的单主题行为培训和数据收集。虽然这项研究测试了收集典型行为测量并在中风背景下详细阐述它们的想法，但其他应用和行为任务也可以这样做。即使是在此验证中收集的度量，也可以根据需要进行调整，以包括替代强化计划、替代行为等。 其次，这项研究评估了该系统收集与中风后熟练伸展能?...

材料

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"
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drill			Any electric drill works
extension spring	Nieko (Amazon)	50456A	Choose and adjust spring based on ORT sized and desired tension
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lock nuts	Boltdepot	2551	6-32 or 8-32
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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
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RFID tag	Unified Information Devices	UC-1485-10
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Rotary tool			Used to bore hole in apparatus and colony caging for ORT; any hardware usable
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