İnme sonrası eksiklikleri karakterize etmek için kendi kendine başlatılan sıçan davranışsal verilerinin toplanması

Özet

Bir sosyal koloni kafesi ortamında kendi kendine başlatılan bireysel davranış oturumlarından veri elde etmek için bir sistem sunulmaktadır. Bu sistemin etkinliği, inme sonrası motor bozuklukların, motivasyonla ilgili potansiyel davranış değişikliklerinin, sirkadiyen varyasyonların ve diğer yenilikçi bağımlı değişkenlerin karakterizasyonunu sağlayan otomatik bir vasıflı erişim değerlendirmesi kullanılarak gösterilmiştir.

Özet

Sıçan modellerinde davranış testleri, psikolojik, biyomedikal ve davranışsal araştırmalar dahil olmak üzere çeşitli amaçlar için sıklıkla kullanılmaktadır. Birçok geleneksel yaklaşım, tek bir araştırmacı ile bir deneydeki her hayvan arasında bireysel, bire bir test oturumlarını içerir. Bu kurulum araştırmacı için çok zaman alıcı olabilir ve bunların varlığı davranışsal verileri istenmeyen şekillerde etkileyebilir. Ek olarak, sıçan araştırmaları için geleneksel kafesleme, normalde türler için tipik olan zenginleştirme, egzersiz ve sosyalleşme eksikliğini empoze eder ve bu bağlam davranışsal verilerin sonuçlarını da çarpıtabilir. Bu sınırlamaların üstesinden gelmek, edinilmiş beyin hasarı çalışması da dahil olmak üzere çeşitli araştırma uygulamaları için faydalı olabilir. Burada, insanların varlığı olmadan bir koloni kafesinde bireysel sıçan davranışını otomatik olarak eğitmek ve test etmek için örnek bir yöntem sunulmaktadır. Radyo frekansı tanımlaması, seansları bireysel sıçana göre uyarlamak için kullanılabilir. Bu sistemin doğrulanması, inme öncesi ve sonrası yetenekli ön ayak motor performansının ölçülmesi örnek bağlamında meydana geldi. Başarı oranı, çekme kuvvetinin çeşitli yönleri, nöbet analizi, başlama hızı ve paternleri, seans süresi ve sirkadiyen paternler dahil olmak üzere inme sonrası davranış bozukluklarının geleneksel özellikleri ve sistem tarafından sağlanan yeni ölçümler ölçülür. Bu değişkenler birkaç sınırlama ile otomatik olarak toplanabilir; Cihaz, maruziyet, zamanlama ve uygulamanın deneysel kontrolünü ortadan kaldırsa da, doğrulama, bu değişkenlerde hayvandan hayvana makul bir tutarlılık sağladı.

Giriş

Sıçan modelleriyle davranışsal eğitim ve test, bilişsel süreçlerin araştırılmasından hastalık durumlarına ve daha fazlasına kadar sayısız araştırma alanında önemlidir¹. Tipik olarak, bu eğitim ve test, bire bir oturumlarda tek hayvanlarla gerçekleştirilir, bir araştırmacı hayvanı ev kafesinden manuel olarak çıkarır ve geçici olarak bir tür aparata yerleştirir. Ne yazık ki, bu yaklaşımla ilgili çeşitli zorluklar ve sınırlamalar vardır. Birincisi, davranışsal testler araştırmacılar için çok zaman alabilir ve eğitim gerektiğinde, bu zaman gereksinimi daha da artar. İkincisi, bu yaklaşım, başka bir yerde kurulduğu gibi, elde edilen verileri otomatik olarak etkiler ve hatta potansiyel olarak karıştırır². Bu karışıklıklar, zenginleştirme ile ilgili değişkenler göz önüne alındığında özellikle belirgindir. Spesifik olarak, laboratuvar fareleri geleneksel olarak bir veya iki sıçan³ için yeterince büyük olan küçük kafeslerde barındırılır ve eğer koşu tekerlekleri sağlanmazsa, egzersiz yapmak için anlamlı fırsatlar olmadan bir ömür boyu gidebilirler. Ek olarak, izole edilmiş konut, sıçan⁴ gibi bir sosyal türde önemli bir stres kaynağı olabilir. Refahla ilgili bu dezavantajlardan bazıları muhtemelen sıçan fizyolojisini ^5,6 etkiler, bu da türe özgü davranışsal ifadenin⁴ gelişimini önleyebilir ve insan bağlamlarına uygulandığı şekliyle kemirgen modellerinin kalitesini etkileyebilir.

Araştırmacılar son yıllarda bu sorunlara çeşitli çözümler aradılar. En basit çözüm türü, davranışsal testleri ve eğitimi 7,8,9,10 otomatikleştirmek ve böylece tek bir araştırmacının tek bir hayvana katılma gereksinimini ortadan kaldırmak olmuştur. Ek bir çözüm, hayvanların deney odalarına^11,12 transferini otomatikleştirmek ve insan müdahalesine olan ihtiyacı daha da ortadan kaldırmak olmuştur. Son olarak, hayvanların diğer hayvanlarla birlikte koloni kafesinde barındırılmasına ve keşif ve zenginleştirme için daha fazla alana sahip olmasına izin veren çeşitli kurulumlar araştırılmıştır¹³. Bu avantajlara rağmen, bu tür koloni kurulumları, bireysel olarak farklılaştırılmış davranışsal verileri toplama çabalarını sınırlayabilir veya karmaşıklaştırabilir (yine de bilgisayarla görmeyi kullanma çabalarına bakınız)^14,15. Bireysel davranışsal veriler gerekiyorsa, davranışsal oturumlar için hayvanları koloni kafesinden tanımlamak ve almak da daha zor veya karmaşık olabilir. Şu anda, (zenginleştirilmiş) koloni barınağından bireysel davranışsal veri toplamak için çok az sistem bulunmaktadır 16,17,18.

Bu dezavantajlar, edinilmiş beyin hasarının davranışsal etkileri üzerine yapılan araştırmaları özellikle etkileyebilir. İlk olarak, insanların varlığının ve/veya cinsiyetinin yanı sıra işleme uygulamalarının kemirgen davranışını^{etkilediği açıktır 2,19} ve bu değişkenlerin sıçanların davranışlarını farklı şekilde etkileyebileceği açıktır. felç sonrası. İkincisi, inme sonrası insan davranışsal sonuçları, önerilen rehabilitasyon egzersizleri dozuna gönüllü olarak katılımın azalmasıyla daha da kötüleşebilir²⁰. Şu anda, kemirgen deneyleri bu tür bir bağlamı modellememe eğilimindedir, çünkü fareler davranışsal oturumlara katılmayı veya kaçınmayı seçmekte özgür değildir.

Bu makale, zenginleştirilmiş koloni kafeslemesi çerçevesinde bireysel davranış testlerini kolaylaştırmak için tasarlanmış bir protokol sunmaktadır. Bu yaklaşım sadece mevcut uygulamaların kısıtlamalarını ele almakla kalmaz, aynı zamanda yenilikçi önlemlerin araştırılması için yollar açar. Tek fareli bir turnike (ORT) geliştirilmiştir ve bir koloni kafesine takılabilir, bu da hayvanların davranış odalarına bağımsız olarak girmelerini ve kendi eğitim ve test oturumlarını başlatmalarını sağlar. Sistem uygun fiyatlı; her ORT düşük maliyetle monte edilebilir (bir 3D yazıcıya erişim verilir). Geçmişte, bu sistemin doğrulanması, hayvanların bir deneycinin varlığı olmadan basit bir edimsel kol presi gerçekleştirmek için tutarlı bir şekilde eğitilebileceğini gösteren temel bir edimsel oda kullanılarak gerçekleştiriliyordu¹⁶. Bununla birlikte, bu yapılandırmanın diğer senaryolar için geçerli olup olmadığı sorusu çözülmemiştir. Amaç, bir inme sonrası motor bozuklukla ilgili yetenekli erişim davranışını eğitmek ve ölçmek için daha önce kurulmuş olan ORT kolonisi kafesleme kurulumunun etkinliğini doğrulamaktır. Konfigürasyon, inme araştırmalarında tipik olarak keşfedilmeyen yeni değişkenler oluşturmak için kullanıldı. Bu değişkenler, vasıflı erişim görevi için performans ölçümlerini ve motivasyon ve karar verme ile ilgili olabilecek kendi kendine başlatma ölçümlerini içerir. Ayrıca, 24 saatlik periyodun tamamı boyunca günlük kendi kendine başlamanın sirkadiyen modellerinde inme kaynaklı değişiklikler etkili bir şekilde tespit edildi.

Protokol

Tüm prosedürler ve hayvan bakımı, Kuzey Teksas Üniversitesi kurumsal hayvan bakımı ve kullanımı komitesi (IACUC) tarafından onaylandı ve Laboratuvar hayvanlarının bakımı ve kullanımı için Ulusal Sağlık Enstitüleri kılavuzuna bağlı kaldı. Bu çalışmada kullanılan erişkin erkek ve dişi Long-Evans sıçanları (400-800 g, 1.5 yaş) koloni kafesine yerleştirildi.

1. Ekipman hazırlığı

1. Tek fareli turnikeyi (ORT) tasarım dosyalarına ve yapım talimatlarına göre edinin veya monte edin (bkz. Ek Dosya 1 ve Ek Kodlama Dosyası 1). Daha fazla ayrıntı için Butcher ve ^ark.16'ya bakın.
   NOT: ORT'ler sıçan boyutuna özgüdür, bu nedenle bir koloni kafesi yaklaşık olarak aynı büyüklükte hayvanları içermelidir. ORT'leri kendi kendine monte etmek istemiyorsa, önceden monte edilmiş olarak satın alınabilirler (Malzeme Tablosuna bakınız).
2. Bir radyo frekansı tanımlama (RFID, Malzeme Tablosuna bakınız) okuyucusu edinin ve takın ve RFID etiketli hayvanları elde edin ve enjekte edin.
   NOT: RFID tam çift yönlü (FDX) etiketleri enjekte ederken, sıçan ORT'den geçerken yönlendirme RFID antenine dik olmalıdır. Bu doğrulamada, etiketler omurgaya paralel bir düzlemde kürek kemiği arasına deri altına yerleştirildi.
3. RFID antenini ORT tüpüne takın.
4. Deneysel soru için uygun davranışsal aygıt(lar)ı ve koloni kafesini oluşturun ve/veya elde edin. Bu örnekte, özel yapım koloni kafesi^21,22, teorik olarak herhangi bir ekipman kullanılabilmesine rağmen, ticari olarak temin edilebilen ameliyat odaları ile birlikte kullanılmıştır (Malzeme Tablosuna bakınız).
   NOT: Koloni tarafından barındırılan hayvanların ORT aracılığıyla davranışsal aygıt(lar)a erişim için rekabeti dikkate alınmalıdır. Her 4 ila 6 hayvan için bir ORT + davranış aparatına ihtiyaç duyduğunu tahmin edin.
5. ORT(ler)i davranışsal aparat ile koloni kafesi arasına takın.
6. Bir Dremel döner alet (Malzeme Tablosuna bakınız) veya benzer bir alet kullanarak davranışsal aparat ve koloni kafesinde bir portal deliği açın. İç çap, inşa edilen ORT tünelinin dış çapına eşit olmalıdır.
   NOT: ORT'nin çalışması için birkaç inç yükseltilmesi gerekir, bu nedenle koloni kafesini ve aparat yüksekliklerini hizalamak için küçük bir platform veya stand gerekecektir.
7. Hayvanları ORT'den geçerken okumak için RFID sistemini kurun ve istenirse davranışsal aparatla entegre edin.

2. Cerrahi öncesi davranış eğitimi

1. Aynı büyüklükte sıçan kohortu elde edin ve onları koloni kafesine sokun.
   NOT: İzolasyonda veya az sayıda türdeşle birlikte yoğun bir şekilde yetiştirilen veya barındırılan hayvanlar, özellikle koloni kafesinin sosyal alanlarını geçmeyi içerdiğinde, odayı keşfetmede daha fazla sorun yaşayabilir. Bu tuzaktan kaçınmak için hayvanlar yaşamın erken dönemlerinde grup kafesine maruz bırakılmalıdır.
2. Davranışsal aygıt içindeki herhangi bir manipülandaya erişimi kaldırın ve odayı, işgal edildiğinde ortalama olarak her 60 saniyede bir ödülleri otomatik olarak dağıtacak şekilde ayarlayın.
   NOT: Bu çalışmada ödül olarak sükroz suyu (%30 ila %40) kullanılmıştır, ancak şekerli yoğunlaştırılmış süt de etkilidir.
3. Tüm sıçanları, ORT aracılığıyla davranışsal cihazlara düzenli olarak girmeleri için eğitin.
4. Günde en az bir kez, tüm hayvanların ORT'ye girdiğinden emin olmak için verileri kontrol edin. Hayvanlar girmiyorsa, geçici olarak kilitlenmesini önlemek için kilitleme mekanizmasına kalem büyüklüğünde bir nesne sokun ve hayvanların daha özgürce keşfetmesine izin verin. Hayvanlar hala girmiyorsa, turnikeyi çıkarın ve odaya serbest tünel erişimine izin vermek için geçici bir yan duvar takın.
5. Tüm hayvanlar düzenli olarak odaya girdikten sonra, kilidi (ve turnikeyi) geri koyun ve yeniden değerlendirin.
   NOT: Hayvanlar ayrıca diğer sıçanlardan geçici bir rahatlama olarak ORT ve odayı işgal edebilir. Odanın bu tür bir tekelleşmesini önlemenin bir yolu, basit bir izolasyon odasına köprü kuran ek bir ORT takmaktır.
6. Manipülandumu (bu örnekte çekme kolu) tanıtın ve en yüksek hassasiyete ayarlayın. Kolu kutunun hemen içine (2 cm'ye kadar) veya kutunun hemen dışına yerleştirin.
   NOT: Boyacı bandı, sapın arkasına, ulaşılamayacak bir yere yapıştırılırsa, ulaşma girişimlerini çağrıştırabilir.
7. Ödülün (yani %30 sükroz suyu) otomatik olarak verilme sıklığını azaltın (örneğin, her 90-120 saniyede bir). Deneycinin ihtiyaçlarına ve hayvanların tercihlerine uyan herhangi bir ödülün kullanılabileceğini unutmayın.
8. Tüm hayvanların kolu etkinleştirmeyi öğrendiğinden emin olmak için verileri günlük olarak kontrol edin. Kolu yemleyin ve/veya tüm hayvanlar çekene kadar yerleştirme seviyesini değiştirin.
9. Ödüllerin otomatik olarak teslim edilmesini durdurun, böylece yalnızca çekme kolu etkinleştirilerek kullanılabilir hale gelirler.
10. Daha önce takılmışsa, kolu her gün (tüm sıçanların bu geri çekme seviyesinde çekmeye devam etmesi şartıyla) kol son konumuna, haznenin 1 cm ila 1,25 cm dışına gelene kadar 0,25 mm ila 0,5 mm geri çekin.
    NOT: Kolun tam konumu, farelerin boyutuna bağlıdır. İstenilen erişim topografyası ile sonuçlanan bir konum seçtiğinizden emin olun.
11. Kolu etkinleştirmek için gerekli çekme kuvvetlerini aşamalı olarak artırmak için bir yüzdelik dilim veya başka bir eğitim programı başlatın.
    NOT: Bu çalışma, önceki 15 yanıtın üst çeyreğinde pekiştirme kriterini belirleyen bir yüzdelik çizelge kullanmıştır. Alternatif olarak, çekme kriterinin kademeli olarak arttırılması^{kullanılabilir 7}.
12. Hayvanlar 120 g çekme nihai kriter aralığına güvenilir bir şekilde ulaştığında, yüzdelik eğitim programını kaldırın ve tutamak aktivasyonu kriterini 120 g'lık bir sabite sabitleyin.
13. Başarı oranları yaklaşık bir hafta boyunca sabit kalana (trend olmayan) kadar bu kuvvet gereksiniminde temel verileri toplayın.

3. İnme inme indükleyici

1. Tüm koloni kafesli hayvanlarda aynı anda cerrahi olarak inme indükleyin.
   NOT: İnmeyi indüklemek için, başka bir yerde tarif edilen bir endotel-1 inme modeli kullanıldı²³.
2. Hayvanların 3-7 gün boyunca ayrı ayrı izole edilmiş geleneksel kafeslerde iyileşmesine izin verin.

4. Ameliyat sonrası davranış testi

1. İyileştikten sonra, hayvanları ORT'ye bağlı vasıflı erişim aparatı ile koloni kafesine geri koyun.
2. İnme sonrası eksiklikleri değerlendirmek için yeterli veri toplanana kadar (bir ila birkaç gün arasında) çekme gereksinimlerini 120 g'ın sonunda tutarak (2. adımı izleyin) davranışsal testi gerçekleştirin.
3. Hayvanlar odaya erişirken sonraki günlerde inme sonrası veya iyileşme ile ilgili bağımsız değişkenleri uygulayın.

Sonuçlar

Hayvanlar, bir koloni kafesinde dört dişi sıçan ve ayrı bir koloni kafesinde dört erkek sıçan ile eğitildi ve test edildi. Tüm sıçanlar ORT'lerden dört gün veya daha kısa sürede geçmeyi öğrendi. Dört dişi sıçan, yaklaşık 6 haftalık eğitimde 120 g kuvvet gereksiniminde% >85 başarılı nöbetlere ulaştı ve erkek sıçanlar 10 haftada aynı kritere ulaştı (yoksun sıçanlarla standart eğitim ile yaklaşık 3 haftaya kıyasla)⁷. Bu eğitim süresi, 2 ila 6. haftalar ar...

Tartışmalar

Bu protokolün birden fazla kullanımı vardır. Birincisi ve en geniş anlamda, ORT, sosyal, zenginleştirilmiş konut bağlamında otomatik tek denekli davranışsal eğitim ve veri toplamayı sağlamak amacıyla geliştirilmiştir. Bu çalışma, tipik davranışsal ölçümleri toplama ve bunları inme bağlamında detaylandırma fikrini test ederken, aynı şey diğer uygulamalar ve davranışsal görevler için de yapılabilir. Bu doğrulamada toplanan önlemler bile, alternatif pekiştirme programlarını, alterna...

Malzemeler

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