Collecte de données comportementales sur des rats auto-initiés pour caractériser les déficits post-AVC

Résumé

Un système d’acquisition de données à partir de séances de comportement individuel auto-initiées dans le cadre d’une cage de colonie sociale est présenté. L’efficacité de ce système est démontrée à l’aide d’une évaluation automatisée de la portée qualifiée, permettant de caractériser les déficiences motrices post-AVC, les altérations comportementales potentielles liées à la motivation, les variations circadiennes et d’autres variables dépendantes innovantes.

Résumé

Les tests comportementaux sur des modèles de rats sont fréquemment utilisés à diverses fins, notamment la recherche psychologique, biomédicale et comportementale. De nombreuses approches traditionnelles impliquent des séances de test individuelles entre un seul chercheur et chaque animal d’une expérience. Cette configuration peut prendre beaucoup de temps pour le chercheur, et leur présence peut avoir un impact indésirable sur les données comportementales. De plus, la mise en cage traditionnelle pour la recherche sur les rats impose un manque d’enrichissement, d’exercice et de socialisation qui serait normalement typique de l’espèce, et ce contexte peut également fausser les résultats des données comportementales. Surmonter ces limites peut s’avérer utile pour plusieurs applications de recherche, y compris l’étude des lésions cérébrales acquises. Ici, un exemple de méthode est présenté pour entraîner et tester automatiquement le comportement individuel des rats dans une cage de colonie sans la présence d’humains. L’identification par radiofréquence peut être utilisée pour adapter les sessions à chaque rat. La validation de ce système a eu lieu dans le contexte de l’exemple de la mesure de la performance motrice des membres antérieurs avant et après un AVC. Les caractéristiques traditionnelles des troubles comportementaux post-AVC et les nouvelles mesures rendues possibles par le système sont mesurées, notamment le taux de réussite, divers aspects de la force de traction, l’analyse des épisodes, le taux et les modèles d’initiation, la durée des séances et les modèles circadiens. Ces variables peuvent être collectées automatiquement avec peu de limitations. Bien que l’appareil élimine le contrôle expérimental de l’exposition, du moment et de la pratique, la validation a produit une cohérence raisonnable de ces variables d’un animal à l’autre.

Introduction

L’entraînement comportemental et les tests avec des modèles de rats sont importants dans d’innombrables domaines de recherche, de l’exploration des processus cognitifs aux états pathologiques et plus encore¹. En règle générale, cette formation et ces tests sont effectués avec des animaux individuels lors de séances individuelles, un chercheur retirant manuellement l’animal de sa cage domestique et le plaçant temporairement dans une sorte d’appareil. Malheureusement, cette approche présente plusieurs difficultés et limites. Tout d’abord, les tests comportementaux peuvent prendre beaucoup de temps pour les chercheurs, et lorsqu’une formation est nécessaire, ce temps devient encore plus important. Deuxièmement, cette approche affecte automatiquement, voire potentiellement confond, les données acquises, comme cela a été établi ailleurs². Ces facteurs de confusion sont particulièrement saillants lorsque l’on considère les variables liées à l’enrichissement. Plus précisément, les rats de laboratoire sont traditionnellement logés dans de petites cages qui sont juste assez grandes pour un ou deux rats³, et si les roues de course ne sont pas fournies, ils peuvent passer leur vie sans occasions réelles de faire de l’exercice. De plus, le logement isolé peut être une source majeure de stress chez une espèce sociale telle que le rat⁴. Certains de ces inconvénients liés au bien-être ont probablement un impact sur la physiologie des rats ^5,6, ce qui peut empêcher le développement de l’expression comportementale typique de l’espèce⁴ et avoir un impact sur la qualité des modèles de rongeurs appliqués aux contextes humains.

Les chercheurs ont cherché plusieurs types de solutions à ces problèmes au cours des dernières années. Le type de solution le plus simple a été d’automatiser les tests comportementaux et la formation 7,8,9,10, supprimant ainsi la nécessité pour un seul chercheur de s’occuper d’un seul animal. Une solution supplémentaire a été d’automatiser le transfert d’animaux vers des chambres d’expérimentation^11,12, éliminant ainsi la nécessité d’une intervention humaine. Enfin, plusieurs configurations ont été explorées qui permettent aux animaux d’être logés en cage de colonie avec d’autres animaux et avec plus d’espace pour l’exploration et l’enrichissement¹³. Malgré ces avantages, de telles configurations de colonies peuvent limiter ou compliquer les efforts de collecte de données comportementales différenciées individuellement (voir les efforts pour utiliser la vision par ordinateur)^14,15. Si des données comportementales individuelles sont nécessaires, il peut être plus difficile ou plus complexe d’identifier et de récupérer les animaux de la cage de la colonie pour les sessions comportementales également. À l’heure actuelle, il existe peu de systèmes permettant de collecter des données comportementales individuelles à partir de colonies (enrichies) 16,17,18.

Ces inconvénients peuvent avoir un impact spécifique sur la recherche sur les effets comportementaux des lésions cérébrales acquises. Tout d’abord, il est clair que la présence et/ou le sexe des humains ainsi que les pratiques de manipulation affectent le comportement des rongeurs ^2,19, et ces variables peuvent avoir un impact différentiel sur le comportement des rats avant vs. après un accident vasculaire cérébral. Deuxièmement, les résultats comportementaux humains après un AVC peuvent être aggravés par une diminution volontaire de l’engagement avec la dose recommandée d’exercices de réadaptation²⁰. Actuellement, les expériences sur les rongeurs ont tendance à ne pas modéliser ce type de contexte, car les rats ne sont pas libres de choisir de s’engager ou de s’abstenir de séances comportementales.

Cet article présente un protocole conçu pour faciliter les tests comportementaux individuels dans le cadre de la mise en cage enrichie des colonies. Cette approche permet non seulement de répondre aux contraintes des pratiques actuelles, mais aussi d’ouvrir des pistes pour l’exploration de mesures innovantes. Un tourniquet à rat unique (ORT) a été mis au point et peut être fixé à une cage de colonie, permettant aux animaux d’entrer indépendamment dans les chambres comportementales et d’initier leurs propres séances d’entraînement et de test. Le système est abordable ; chaque ORT peut être assemblé à faible coût (avec accès à une imprimante 3D). Dans le passé, la validation de ce système a été effectuée à l’aide d’une chambre opérante de base, montrant que les animaux pouvaient être entraînés de manière cohérente à effectuer une simple pression sur un levier opérant sans la présence d’un expérimentateur¹⁶. Néanmoins, la question de savoir si cette configuration est applicable à d’autres scénarios reste en suspens. L’objectif est de valider l’efficacité de la mise en cage de la colonie d’ORT, qui a été précédemment établie, pour l’entraînement et la quantification du comportement de portée qualifié pertinent pour la déficience motrice après un AVC. La configuration a été utilisée pour générer de nouvelles variables qui ne sont généralement pas explorées dans la recherche sur l’AVC. Ces variables comprennent des mesures de performance pour la tâche de portée qualifiée et des mesures d’auto-initiation, qui pourraient être pertinentes pour la motivation et la prise de décision. De plus, les changements induits par l’AVC dans les schémas circadiens de l’auto-initiation quotidienne sur l’ensemble de la période de 24 heures ont été efficacement détectés.

Protocole

Toutes les procédures et les soins aux animaux ont été approuvés par le comité institutionnel de protection et d’utilisation des animaux de l’Université du Nord du Texas (IACUC) et ont adhéré au guide des National Institutes of Health pour le soin et l’utilisation des animaux de laboratoire. Des rats Long-Evans mâles et femelles adultes (400-800 g, âgés de 1,5 an), utilisés dans la présente étude, ont été logés dans des cages de colonie.

1. Préparation de l’équipement

1. Procurez-vous ou assemblez le tourniquet à rat unique (ORT) conformément aux fichiers de conception et aux instructions de construction (voir le fichier supplémentaire 1 et le fichier de codage supplémentaire 1). Voir Butcher et ^coll.16 pour plus de détails.
   REMARQUE : Les ORT sont spécifiques à la taille d’un rat, donc une cage de colonie doit inclure des animaux qui sont à peu près de la même taille. Si l’on ne souhaite pas auto-assembler les ORT, ils peuvent être achetés pré-assemblés (voir la table des matériaux).
2. Obtenir et fixer un lecteur d’identification par radiofréquence (RFID, voir le tableau des matériaux) et obtenir et injecter des étiquettes RFID aux animaux.
   REMARQUE : Lors de l’injection de balises RFID full duplex (FDX), l’orientation doit être perpendiculaire à l’antenne RFID lorsque le rat traverse l’ORT. Dans cette validation, des étiquettes ont été implantées par voie sous-cutanée entre l’omoplate sur un plan parallèle à la colonne vertébrale.
3. Fixez l’antenne RFID sur le tube de l’ORT.
4. Construire et/ou obtenir le(s) appareil(s) comportemental(s) et la cage de la colonie appropriés pour la question expérimentale. Dans cet exemple, la cage^{de colonie 21,22} construite sur mesure a été utilisée en conjonction avec des chambres opérantes disponibles dans le commerce (voir la table des matériaux), bien que n’importe quel équipement puisse théoriquement être utilisé.
   REMARQUE : La compétition entre les animaux hébergés en colonie pour l’accès au(x) appareil(s) comportemental(s) via l’ORT doit être envisagée. Prévoyez d’avoir besoin d’un ORT + appareil comportemental pour 4 à 6 animaux.
5. Fixez le(s) ORT (s) entre l’appareil comportemental et la cage de la colonie.
6. Découpez un trou dans l’appareil comportemental et la cage de la colonie à l’aide d’un outil rotatif Dremel (voir la table des matériaux) ou d’un instrument similaire. Le diamètre intérieur doit être égal au diamètre extérieur du tunnel ORT construit.
   REMARQUE : L’ORT doit être surélevé de quelques pouces pour fonctionner, donc une petite plate-forme ou un support sera nécessaire pour aligner la cage de la colonie et les hauteurs des appareils.
7. Installez un système RFID pour lire les animaux lorsqu’ils passent dans l’ORT et, si vous le souhaitez, l’intégrer à l’appareil comportemental.

2. Formation comportementale préchirurgicale

1. Obtenez une cohorte de rats de la même taille et introduisez-les dans la cage de la colonie.
   REMARQUE : Les animaux qui ont été élevés ou logés de manière extensive en isolement ou avec peu de congénères peuvent avoir plus de difficulté à explorer la chambre, surtout lorsqu’il s’agit de traverser des zones sociales de la cage de la colonie. Les animaux doivent être exposés à la mise en cage en groupe tôt dans la vie pour éviter cet écueil.
2. Supprimez l’accès à tout manipulanda dans l’appareil comportemental et réglez la chambre pour qu’elle livre automatiquement des récompenses toutes les 60 s, en moyenne, lorsqu’elle est occupée.
   REMARQUE : Cette étude a utilisé de l’eau de saccharose (30 % à 40 %) comme récompense, mais le lait concentré sucré est également efficace.
3. Entraînez tous les rats à entrer régulièrement dans le(s) appareil(s) comportemental(s) via l’ORT.
4. Au moins une fois par jour, vérifiez les données pour vous assurer que tous les animaux entrent dans l’ORT. Si les animaux n’entrent pas, insérez un objet de la taille d’un enclos dans le mécanisme de verrouillage pour l’empêcher de se verrouiller temporairement et permettre aux animaux d’explorer plus librement. Si les animaux ne pénètrent toujours pas, retirez le tourniquet et fixez une paroi latérale temporaire pour permettre un accès libre au tunnel dans la chambre.
5. Une fois que tous les animaux entrent régulièrement dans la chambre, retournez la serrure (et le tourniquet) et réévaluez.
   REMARQUE : Les animaux peuvent également occuper l’ORT et la chambre comme répit temporaire des autres rats. Une façon d’éviter ce type de monopolisation de la chambre est de fixer un ORT supplémentaire qui fait le pont avec une simple chambre d’isolement.
6. Introduisez le manipulandum - la poignée de traction, dans cet exemple - et réglez-le sur la sensibilité la plus élevée. Insérez la poignée juste à l’intérieur de la boîte (jusqu’à 2 cm) ou juste à l’extérieur de la boîte.
   REMARQUE : Le ruban de peintre peut évoquer des tentatives de portée s’il est fixé à l’arrière de la poignée, juste hors de portée.
7. Réduire la fréquence à laquelle la récompense (c.-à-d. 30 % d’eau de saccharose) est livrée automatiquement (p. ex., toutes les 90 à 120 s). N’oubliez pas que n’importe quelle récompense peut être utilisée si elle correspond aux besoins de l’expérimentateur et aux préférences des animaux.
8. Vérifiez les données quotidiennement pour vous assurer que tous les animaux ont appris à actionner le levier. Appâtez le levier et/ou changez le niveau d’insertion jusqu’à ce que tous les animaux tirent.
9. Arrêtez la livraison automatique des récompenses afin qu’elles ne soient disponibles qu’en activant la poignée.
10. S’il a déjà été inséré, rétractez le levier chaque jour (à condition que tous les rats continuent de tirer à ce niveau de rétraction) de 0,25 mm à 0,5 mm jusqu’à ce que le levier soit dans sa position finale, à 1 cm à 1,25 cm à l’extérieur de la chambre.
    REMARQUE : La position exacte du levier dépend de la taille des rats. Assurez-vous de choisir une position qui permet d’atteindre la topographie souhaitée.
11. Lancez un centile ou un autre programme de formation pour augmenter progressivement les forces de traction requises pour activer la poignée.
    REMARQUE : Cette étude a utilisé un calendrier de percentiles qui établit le critère de renforcement au quartile supérieur des 15 réponses précédentes. Alternativement, des augmentations progressives du critère de traction peuvent être utilisées⁷.
12. Une fois que les animaux atteignent de manière fiable la plage de critères finaux de 120 g de tractions, supprimer le programme de formation en percentiles et fixer le critère d’activation de la poignée à une constante de 120 g.
13. Recueillir des données de base à cette exigence de force jusqu’à ce que les taux de réussite soient stables (sans tendance) depuis environ une semaine.

3. Provoquer un accident vasculaire cérébral

1. Induire chirurgicalement un accident vasculaire cérébral chez tous les animaux en cage de la colonie en même temps.
   REMARQUE : Pour induire l’AVC, un modèle endothélien-1 de l’AVC a été utilisé, qui a été décrit ailleurs²³.
2. Laisser les animaux se rétablir dans des cages traditionnelles, isolés individuellement, pendant 3 à 7 jours.

4. Tests comportementaux postopératoires

1. Après la récupération, retournez les animaux dans la cage de la colonie à l’aide de l’appareil à portée qualifié attaché à l’ORT.
2. Effectuez les tests comportementaux, en maintenant les exigences de traction à la limite de 120 g (suivre l’étape 2) jusqu’à ce que suffisamment de données soient recueillies pour évaluer les déficits post-AVC (d’un à plusieurs jours).
3. Mettre en œuvre toutes les variables indépendantes liées à l’AVC ou au rétablissement au cours des jours subséquents pendant que les animaux accèdent à la chambre.

Résultats

Les animaux ont été entraînés et testés avec quatre rats femelles dans une cage de colonie et quatre rats mâles dans une cage de colonie séparée. Tous les rats ont appris à passer par les ORT en quatre jours ou moins. Les quatre rats femelles ont réussi >85 % de leurs combats à la force requise de 120 g en environ 6 semaines d’entraînement et les rats mâles ont atteint le même critère en 10 semaines (contre environ 3 semaines avec un entraînement standard avec des rats dépourvus)⁷

Discussion

Ce protocole a de multiples utilisations. Tout d’abord, et c’est le plus général, l’ORT a été développé dans le but de permettre une formation comportementale automatisée à sujet unique et la collecte de données dans le contexte du logement social et enrichi. Bien que cette étude ait testé l’idée de collecter des mesures comportementales typiques et de les élaborer dans le contexte de l’AVC, la même chose peut être faite pour d’autres applications et tâches comportementales. Même les mesures ...

matériels

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
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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