Sammeln von selbstinitiierten Verhaltensdaten von Ratten zur Charakterisierung von Defiziten nach einem Schlaganfall

Zusammenfassung

Es wird ein System zur Erfassung von Daten aus selbstinitiierten individuellen Verhaltenssitzungen innerhalb eines sozialen Koloniekäfigs vorgestellt. Die Wirksamkeit dieses Systems wird anhand einer automatisierten qualifizierten Reichweitenbewertung demonstriert, die die Charakterisierung von motorischen Beeinträchtigungen nach einem Schlaganfall, potenziellen Verhaltensänderungen im Zusammenhang mit der Motivation, zirkadianen Schwankungen und anderen innovativen abhängigen Variablen ermöglicht.

Zusammenfassung

Verhaltenstests in Rattenmodellen werden häufig für verschiedene Zwecke eingesetzt, einschließlich psychologischer, biomedizinischer und Verhaltensforschung. Viele traditionelle Ansätze beinhalten individuelle Einzeltests zwischen einem einzelnen Forscher und jedem Tier in einem Versuch. Diese Einrichtung kann für den Forscher sehr zeitaufwändig sein, und ihr Vorhandensein kann die Verhaltensdaten auf unerwünschte Weise beeinflussen. Darüber hinaus führt die traditionelle Käfighaltung für die Rattenforschung zu einem Mangel an Bereicherung, Bewegung und Sozialisierung, der normalerweise für die Art typisch wäre, und dieser Kontext kann auch die Ergebnisse der Verhaltensdaten verzerren. Die Überwindung dieser Einschränkungen kann sich für mehrere Forschungsanwendungen lohnen, einschließlich der Erforschung erworbener Hirnverletzungen. Hier wird eine beispielhafte Methode vorgestellt, um individuelles Rattenverhalten in einem Koloniekäfig ohne Anwesenheit von Menschen automatisiert zu trainieren und zu testen. Die Radiofrequenzidentifikation kann verwendet werden, um die Sitzungen auf die einzelne Ratte zuzuschneiden. Die Validierung dieses Systems erfolgte im Beispielkontext der Messung der motorischen Leistung der Vordergliedmaßen vor und nach dem Schlaganfall. Gemessen werden traditionelle Merkmale von Verhaltensbeeinträchtigungen nach einem Schlaganfall und neuartige Messungen, die durch das System ermöglicht werden, einschließlich der Erfolgsrate, verschiedener Aspekte der Zugkraft, der Kraftanalyse, der Initiierungsrate und -muster, der Sitzungsdauer und der zirkadianen Muster. Diese Variablen können mit wenigen Einschränkungen automatisch erfasst werden. Obwohl das Gerät die experimentelle Kontrolle der Exposition, des Zeitpunkts und der Praxis beseitigt, führte die Validierung zu einer angemessenen Konsistenz dieser Variablen von Tier zu Tier.

Einleitung

Verhaltenstraining und Tests mit Rattenmodellen sind in unzähligen Forschungsbereichen wichtig, von der Erforschung kognitiver Prozesse bis hin zu Krankheitszuständen und mehr¹. In der Regel werden diese Schulungen und Tests mit einzelnen Tieren in Einzelsitzungen durchgeführt, wobei ein Forscher das Tier manuell aus seinem Heimkäfig nimmt und es vorübergehend in eine Art Apparat setzt. Leider gibt es bei diesem Ansatz einige Schwierigkeiten und Einschränkungen. Erstens können Verhaltenstests für Forscher viel Zeit in Anspruch nehmen, und wenn eine Schulung erforderlich ist, wird dieser Zeitaufwand noch größer. Zweitens beeinflusst dieser Ansatz automatisch die gewonnenen Daten - oder verwirrt sie sogar potenziell -, wie an anderer Stelle festgestellt wurde². Diese Störfaktoren sind besonders deutlich, wenn man Variablen im Zusammenhang mit der Anreicherung berücksichtigt. Insbesondere werden Laborratten traditionell in kleinen Käfigen untergebracht, die gerade groß genug für ein oder zwei Ratten sind³, und wenn keine Laufräder zur Verfügung gestellt werden, können sie ein Leben lang ohne sinnvolle Trainingsmöglichkeiten auskommen. Darüber hinaus kann die isolierte Unterbringung eine Hauptquelle für Stress bei einer sozialen Spezies wie der Ratte^{sein 4}. Einige dieser tierschutzbedingten Nachteile wirken sich wahrscheinlich auf die Physiologie von Ratten^{aus 5,6}, was die Entwicklung arttypischer Verhaltensausprägungen^{verhindern kann 4} und die Qualität von Nagetiermodellen, wie sie auf menschliche Kontexte angewendet werden, beeinträchtigen könnte.

Forscher haben in den letzten Jahren verschiedene Arten von Lösungen für diese Probleme gesucht. Die einfachste Art der Lösung bestand darin, Verhaltenstests und -training zu automatisieren 7,8,9,10, wodurch die Notwendigkeit entfiel, dass sich ein einzelner Forscher um ein einzelnes Tier kümmern musste. Eine weitere Lösung bestand darin^, den Transfer der Tiere in die Versuchskammern^11,12 zu automatisieren, wodurch die Beteiligung des Menschen überflüssig wurde. Zuletzt wurden mehrere Einrichtungen untersucht, die es ermöglichen, Tiere in Kolonien in Käfigen mit anderen Tieren zu halten und mehr Raum für Erkundung und Bereicherung zu bieten¹³. Trotz dieser Vorteile können solche Kolonie-Setups die Bemühungen, individuell differenzierte Verhaltensdaten zu sammeln, einschränken oder erschweren (siehe jedoch Bemühungen um den Einsatz von Computer Vision)^14,15. Wenn individuelle Verhaltensdaten benötigt werden, kann es auch schwieriger oder komplexer sein, Tiere zu identifizieren und aus den Käfigen der Kolonie für Verhaltenssitzungen zu holen. Gegenwärtig gibt es nur wenige Systeme zur Erhebung individueller Verhaltensdaten aus (angereicherten) Koloniehaltungen 16,17,18.

Diese Nachteile können sich insbesondere auf die Forschung über die Auswirkungen erworbener Hirnverletzungen auf das Verhalten auswirken. Erstens ist klar, dass die Anwesenheit und/oder das Geschlecht von Menschen sowie die Handhabungspraktiken das Verhalten von Nagetieren beeinflussen ^2,19, und diese Variablen können das Verhalten von Ratten vor und vor dem Verhalten unterschiedlich beeinflussen. nach dem Schlaganfall. Zweitens können sich die Verhaltensergebnisse des Menschen nach einem Schlaganfall verschlechtern, indem die empfohlene Dosierung von Rehabilitationsübungen freiwillig verringert^{wird 20}. Gegenwärtig neigen Nagetierexperimente dazu, diese Art von Kontext nicht zu modellieren, da Ratten nicht frei sind, sich zu entscheiden, ob sie sich an Verhaltenssitzungen beteiligen oder darauf verzichten.

In diesem Artikel wird ein Protokoll vorgestellt, das die individuelle Verhaltensprüfung im Rahmen der ausgestalteten Koloniekäfighaltung erleichtern soll. Dieser Ansatz geht nicht nur auf die Zwänge der derzeitigen Praxis ein, sondern eröffnet auch Wege für die Erforschung innovativer Maßnahmen. Es wurde ein Ein-Ratten-Drehkreuz (ORT) entwickelt, das an einem Koloniekäfig befestigt werden kann und es den Tieren ermöglicht, selbstständig in Verhaltenskammern einzudringen und ihre eigenen Trainings- und Testsitzungen zu initiieren. Das System ist erschwinglich; Jeder ORT kann kostengünstig zusammengebaut werden (mit Zugang zu einem 3D-Drucker). In der Vergangenheit wurde die Validierung dieses Systems anhand einer einfachen operanten Kammer durchgeführt, was zeigte, dass die Tiere konsequent darauf trainiert werden konnten, eine einfache operante Hebelpresse ohne die Anwesenheit eines Versuchsleiters durchzuführen¹⁶. Dennoch bleibt die Frage, ob diese Konfiguration auf andere Szenarien anwendbar ist, ungeklärt. Ziel ist es, die Wirksamkeit des zuvor etablierten ORT-Koloniekäfigs für das Training und die Quantifizierung von qualifiziertem Reichweitenverhalten, das für motorische Beeinträchtigungen nach einem Schlaganfall relevant ist, zu validieren. Die Konfiguration wurde verwendet, um neuartige Variablen zu generieren, die in der Schlaganfallforschung normalerweise nicht erforscht werden. Zu diesen Variablen gehören Leistungsmetriken für die qualifizierte Reichweitenaufgabe und Messungen der Selbstinitiierung, die für die Motivation und Entscheidungsfindung relevant sein könnten. Darüber hinaus wurden schlaganfallinduzierte Veränderungen in den zirkadianen Mustern der täglichen Selbstinitiierung über den gesamten Zeitraum von 24 Stunden effektiv nachgewiesen.

Protokoll

Alle Verfahren und die Tierpflege wurden vom Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) der University of North Texas genehmigt und gemäß dem Leitfaden der National Institutes of Health für die Pflege und Verwendung von Labortieren eingehalten. Erwachsene männliche und weibliche Long-Evans-Ratten (400-800 g, 1,5 Jahre alt), die in der vorliegenden Studie verwendet wurden, wurden in Koloniekäfigen untergebracht.

1. Vorbereitung der Ausrüstung

1. Besorgen oder montieren Sie das Ein-Ratten-Drehkreuz (ORT) gemäß den Konstruktionsdateien und Konstruktionsanweisungen (siehe Ergänzende Datei 1 und Ergänzende Codierungsdatei 1). Weitere Informationen finden Sie in Butcher et ^al.16 .
   HINWEIS: ORTs sind spezifisch für die Größe von Ratten, daher sollte ein Koloniekäfig Tiere enthalten, die ungefähr die gleiche Größe haben. Wenn man ORTs nicht selbst zusammenbauen möchte, können sie vormontiert gekauft werden (siehe Materialtabelle).
2. Besorgen Sie sich ein Radiofrequenz-Identifikationslesegerät (RFID, siehe Materialtabelle) und bringen Sie es an und entnehmen und injizieren Sie Tiere mit RFID-Tags.
   HINWEIS: Beim Injizieren von RFID-Vollduplex-Tags (FDX) muss die Ausrichtung senkrecht zur RFID-Antenne sein, wenn die Ratte den ORT durchläuft. Bei dieser Validierung wurden Tags subkutan zwischen dem Schulterblatt in einer Ebene parallel zur Wirbelsäule implantiert.
3. Befestigen Sie die RFID-Antenne an der Röhre des ORT.
4. Konstruieren und/oder beschaffen Sie die Verhaltensapparate und die Koloniekäfige, die für die experimentelle Fragestellung geeignet sind. In diesem Beispiel wurde der speziell angefertigte Koloniekäfig^21,22 in Verbindung mit kommerziell erhältlichen operanten Kammern verwendet (siehe Materialtabelle), obwohl theoretisch jede beliebige Ausrüstung verwendet werden konnte.
   HINWEIS: Die Konkurrenz von in Kolonien gehaltenen Tieren um den Zugang zu dem/den Verhaltensapparat(en) über den ORT sollte in Betracht gezogen werden. Rechnen Sie damit, dass Sie einen ORT + Verhaltensapparat für jeweils 4 bis 6 Tiere benötigen.
5. Befestigen Sie den/die ORT(s) zwischen dem Verhaltensapparat und dem Koloniekäfig.
6. Schneiden Sie ein Portalloch in den Verhaltensapparat und den Koloniekäfig mit einem Dremel-Rotationswerkzeug (siehe Materialtabelle) oder einem ähnlichen Instrument. Der Innendurchmesser sollte dem Außendurchmesser des gebauten ORT-Tunnels entsprechen.
   HINWEIS: Der ORT muss zum Betrieb um einige Zentimeter angehoben werden, daher wird eine kleine Plattform oder ein kleiner Ständer benötigt, um den Koloniekäfig und die Gerätehöhen auszurichten.
7. Installieren Sie ein RFID-System, um Tiere beim Passieren des ORT zu lesen und auf Wunsch in das Verhaltensgerät zu integrieren.

2. Präoperatives Verhaltenstraining

1. Besorge dir eine gleich große Kohorte von Ratten und setze sie in den Koloniekäfig ein.
   HINWEIS: Tiere, die extensiv isoliert oder mit wenigen Artgenossen aufgezogen oder untergebracht wurden, können größere Schwierigkeiten haben, die Kammer zu erkunden, insbesondere wenn es darum geht, soziale Bereiche des Koloniekäfigs zu durchqueren. Tiere sollten schon früh im Leben in Gruppenkäfigen gehalten werden, um diese Falle zu vermeiden.
2. Entfernen Sie den Zugriff auf alle Manipulanda innerhalb des Verhaltensapparats und stellen Sie die Kammer so ein, dass sie durchschnittlich alle 60 s automatisch Belohnungen liefert, wenn sie besetzt ist.
   HINWEIS: In dieser Studie wurde Saccharosewasser (30 % bis 40 %) als Belohnung verwendet, aber auch gesüßte Kondensmilch ist wirksam.
3. Trainieren Sie alle Ratten, regelmäßig über den ORT in die Verhaltensapparate einzudringen.
4. Überprüfen Sie mindestens einmal täglich die Daten, um sicherzustellen, dass alle Tiere in den ORT gelangen. Wenn keine Tiere eindringen, führen Sie einen stiftgroßen Gegenstand in den Verriegelungsmechanismus ein, um zu verhindern, dass er vorübergehend verriegelt wird, damit die Tiere freier erkunden können. Wenn die Tiere immer noch nicht eindringen, entfernen Sie das Drehkreuz und befestigen Sie eine provisorische Seitenwand, um einen freien Zugang zum Tunnel zu ermöglichen.
5. Sobald alle Tiere die Kammer regelmäßig betreten haben, bringen Sie das Schloss (und das Drehkreuz) zurück und bewerten Sie es erneut.
   HINWEIS: Tiere können den ORT und die Kammer auch als vorübergehende Atempause für andere Ratten besetzen. Eine Möglichkeit, dieser Art der Monopolisierung der Kammer zuvorzukommen, besteht darin, einen zusätzlichen ORT anzubringen, der eine Brücke zu einer einfachen Isolationskammer schlägt.
6. Führen Sie das Manipulandum ein - in diesem Beispielfall den Ziehgriff - und stellen Sie es auf die höchste Empfindlichkeit ein. Stecken Sie den Griff direkt in die Box (bis zu 2 cm) oder etwas außerhalb der Box.
   HINWEIS: Malerband kann zu Greifversuchen führen, wenn es auf der Rückseite des Griffs angebracht wird, gerade außerhalb der Reichweite.
7. Reduzieren Sie die Häufigkeit, mit der die Belohnung (z. B. 30 % Saccharosewasser) automatisch geliefert wird (z. B. alle 90-120 s). Denken Sie daran, dass jede Belohnung verwendet werden kann, die den Bedürfnissen des Experimentators und den Vorlieben der Tiere entspricht.
8. Überprüfen Sie die Daten täglich, um sicherzustellen, dass alle Tiere gelernt haben, den Hebel zu betätigen. Ködern Sie den Hebel und/oder ändern Sie die Einführhöhe, bis alle Tiere ziehen.
9. Beenden Sie die automatische Lieferung von Belohnungen, sodass sie nur über die Aktivierung des Zuggriffs verfügbar sind.
10. Wenn der Hebel zuvor eingesetzt wurde, ziehen Sie ihn jeden Tag um 0,25 mm bis 0,5 mm zurück (vorausgesetzt, dass alle Ratten auf dieser Rückzugshöhe weiterziehen), bis sich der Hebel in seiner endgültigen Position befindet, 1 cm bis 1,25 cm außerhalb der Kammer.
    HINWEIS: Die genaue Position des Hebels hängt von der Größe der Ratten ab. Achten Sie darauf, eine Position zu wählen, die die gewünschte erreichende Topographie ergibt.
11. Initiieren Sie ein Perzentil oder ein anderes Trainingsprogramm, um die erforderlichen Zugkräfte zur Aktivierung des Griffs schrittweise zu erhöhen.
    HINWEIS: In dieser Studie wurde ein Perzentilschema verwendet, der das Kriterium für die Verstärkung im oberen Quartil der vorherigen 15 Antworten festlegt. Alternativ können schrittweise Erhöhungen des Pull-Kriteriums verwendet werden⁷.
12. Sobald die Tiere zuverlässig den endgültigen Kriterienbereich von 120 g Zügen erreicht haben, wird das perzentile Trainingsprogramm entfernt und das Kriterium für die Aktivierung des Griffs auf eine Konstante von 120 g festgelegt.
13. Sammeln Sie Basisdaten bei diesem Kraftbedarf, bis die Erfolgsraten etwa eine Woche lang konstant (ohne Trend) sind.

3. Auslösen eines Schlaganfalls

1. Chirurgische Einleitung eines Schlaganfalls bei allen in Kolonien gehaltenen Tieren zur gleichen Zeit.
   ANMERKUNG: Um den Schlaganfall zu induzieren, wurde ein Endothel-1-Modell des Schlaganfalls verwendet, das an anderer Stelle^{beschrieben wurde 23}.
2. Lassen Sie die Tiere sich 3-7 Tage lang in traditionellen Käfigen erholen, die einzeln isoliert werden.

4. Postoperative Verhaltenstests

1. Nach der Bergung bringen Sie die Tiere mit dem am ORT befestigten qualifizierten Greifgerät in den Käfig zurück.
2. Führen Sie den Verhaltenstest durch und halten Sie die Zuganforderungen bei einem Endwert von 120 g (Schritt 2 befolgen), bis genügend Daten gesammelt sind, um die Defizite nach dem Schlaganfall zu bewerten (von einem bis zu mehreren Tagen).
3. Implementieren Sie alle unabhängigen Variablen nach einem Schlaganfall oder in Bezug auf die Genesung während der folgenden Tage, während die Tiere die Kammer betreten.

Ergebnisse

Die Tiere wurden mit vier weiblichen Ratten in einem Koloniekäfig und vier männlichen Ratten in einem separaten Koloniekäfig trainiert und getestet. Alle Ratten lernten, die ORTs in vier Tagen oder weniger zu passieren. Die vier weiblichen Ratten erreichten in etwa 6 Wochen Training >85% erfolgreiche Kämpfe mit dem Kraftbedarf von 120 g, und die männlichen Ratten erreichten das gleiche Kriterium in 10 Wochen (im Vergleich zu etwa 3 Wochen beim Standardtraining mit entbehrungsreichen Ratten)⁷....

Diskussion

Dieses Protokoll hat mehrere Verwendungszwecke. Erstens, und am weitesten gefasst, wurde der ORT mit dem Ziel entwickelt, automatisiertes Verhaltenstraining und Datenerhebung durch ein einzelnes Subjekt im Kontext von sozialem, bereichertem Wohnen zu ermöglichen. Während in dieser Studie die Idee getestet wurde, typische Verhaltensmaße zu sammeln und im Kontext des Schlaganfalls zu vertiefen, kann dies auch für andere Anwendungen und Verhaltensaufgaben getan werden. Auch die in dieser Validierung gesammelten Maßnahm...

Materialien

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
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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
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
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