setting up and implementing behavioral testing in mice using the erasmus ladder system

Erasmus merdiveni kullanılarak farelerde ince motor performansın otomatik olarak değerlendirilmesi

A variety of tests have been developed to assess motor phenotypes in mice. Each test gives information on a specific aspect of motor behavior1. For example, the open field test informs on general locomotion and anxiety state; the rotarod and walking beam tests on coordination and balance; footprint analysis is about gait; the treadmill or running wheel on forced or voluntary physical exercise; and the complex wheel is about motor skill learning. To analyze mouse motor phenotypes, investigators must perform these tests sequentially, which involves a lot of time and effort and often several animal cohorts. If there is information at the cellular or circuitry level, the investigator normally opts for a test that monitors a related aspect and follows from there. However, paradigms that discriminate different aspects of motor behavior in an automated way are lacking.
This article describes a protocol to use the Erasmus Ladder2,3, a system that allows comprehensive assessment of a variety of motor learning features in mice. The main advantages are the reproducibility and sensitivity of the method, along with the ability to titrate motor difficulty and to separate deficits in motor performance from impaired associative motor learning. The main component consists of a horizontal ladder with alternate high (H) and low (L) rungs equipped with touch-sensitive sensors that detect the position of the mouse on the ladder. The ladder is made of 2 x 37 rungs (L, 6 mm; H, 12 mm) spaced 15 mm apart from each other and positioned in a left-right alternating pattern with 30 mm gaps (Figure 1A). Rungs can be moved individually to generate various levels of difficulty, that is, creating an obstacle (raising the high rungs by 18 mm). Coupled with an automated recording system and associating modifications of the rung pattern with sensory stimuli, the Erasmus ladder tests for fine motor learning and adaptation of motor performance in response to environmental challenges (appearance of a higher rung to simulate an obstacle, an unconditioned stimulus [US]) or association with sensory stimuli (a tone, a conditioned stimulus [CS]). Testing involves two distinct phases, each assessing improvement in motor performance over 4 days, during which mice undergo a session of 42 consecutive trials per day. In the initial phase, mice are trained to navigate the ladder to assess &#34;fine&#34; or &#34;skilled&#34; motor learning. The second phase consists of interleaved trials where an obstacle in the form of a higher rung is presented in the path of the moving animal. The perturbation can be unexpected to assess &#34;challenged&#34; motor learning (US-only trials) or announced by an auditory tone to assess &#34;associative&#34; motor learning (Paired trials).
The Erasmus ladder has been developed relatively recently2,3. It has not been extensively used because setting up and optimizing the protocol required focused effort and was specifically designed to assess cerebellar-dependent associative learning without exploring in detail its potential to reveal other motor deficits. To date, it has been validated for its ability to unveil subtle motor impairments linked to cerebellar dysfunction in mice3,4,5,6,7,8. For instance, connexin36 (Cx36) knockout mice, where gap junctions are impaired in olivary neurons, display firing deficits due to lack of electrotonic coupling but the motor phenotype had been hard to pinpoint. Testing using the Erasmus ladder suggested that the role of inferior olivary neurons in a cerebellar motor learning task is to encode precise temporal coding of stimuli and facilitate learning-dependent responses to unexpected events3,4. Fragile X Messenger Ribonucleoprotein 1 (Fmr1) knockout mouse, a model for Fragile-X-Syndrome (FXS), exhibits a well-known cognitive impairment along with milder defects in procedural memory formation. Fmr1 knockouts showed no significant differences in step times, missteps per trial, or motor performance improvement over sessions in the Erasmus Ladder but failed to adjust their walking pattern to the suddenly appearing obstacle compared to their wild-type (WT) littermates, confirming specific procedural and associative memory deficits3,5. Furthermore, cell-specific mouse mutant lines with defects in cerebellar function, including impaired Purkinje cell output, potentiation, and molecular layer interneuron or granule cell outputs, exhibited problems in motor coordination with altered acquisition of efficient step patterns and in the number of steps taken to cross the ladder6. Neonatal brain injury causes cerebellar learning deficits and Purkinje cell dysfunction that could also be detected with the Erasmus Ladder7,8.
In this video, we present a comprehensive step-by-step guide, which details the setup of the behavioral room, the behavioral test protocol, and subsequent data analysis. This report is crafted to be accessible and user-friendly and is designed specifically to assist newcomers. This protocol provides insight into different phases of motor training and expected motor patterns that mice adopt. Finally, the article proposes a systematic workflow for data analysis using a powerful non-linear regression approach, complete with valuable recommendations and suggestions for adapting and applying the protocol in other research contexts.

Yazar Spotlight: Erasmus Merdiveni Kullanılarak Motor Öğrenme ve Miyelin Plastisite Çalışmalarının Otomatik Değerlendirmesi Yoluyla Nöral Mekanizmaların Ortaya Çıkarılması 

Erasmus Merdiveni Kullanılarak Farelerde İnce ve İlişkisel Motor Öğrenmenin İzlenmesi

In the lab, we study brain plasticity. One of our goals is to identify the neural circuits and mechanisms that are engaged and understand what's wrong in disease, so we can find suitable targets for interventions that are lacking. One of our critical needs is to have robust training protocols to evaluate, to induce plasticity, and evaluate the impact of genetic manipulations in healthy mice and in disease models.Current research needs sensitive, versatile, and automatic techniques to assess mice behavior. We are mainly interested in motor behavioral learning, and traditional tests requires sequential implementation, which consumes significant time and resources. Also, traditional tests don't always have enough accuracy.However, Erasmus Ladder allows motor learning future explanation and analysis in a single automated setup. While existing paradigms often focus on specific aspects of motor behavior, our approach aims to discriminate between fine motor learning, challenge motor learning, and associative motor learning in an automated and non invasive way, filling a gap in current methodologies. Testing is easy to conduct, automated, reproducible, and allow researchers to study different aspects of motor behavior separately using a single mouse cohort.The automatic software and adjustable parameters announce the precision of data collection and analysis, and also the versatility and customization of the protocol according to the scientific question. Our lab will focus on further refining the Erasmus Ladder protocols, combining cellular and molecular techniques to investigate motor adaptation and the underlying neuronal mechanisms. In particular, one of our projects focuses on myelin plasticity, a phenomenon triggered during complex motor skill learning that could help finding cures for patients with dysmyelinating disease.

Watch this Scientific Journal Video about Setting Up and Implementing Behavioral Testing in Mice Using the Erasmus Ladder System at JoVE.com

Setting Up and Implementing Behavioral Testing in Mice Using the Erasmus Ladder System  

Erasmus Ladder Sistemini Kullanarak Farelerde Davranış Testlerinin Kurulması ve Uygulanması

Başlamak için, deney farelerini test odasının dışına yerleştirin. Test odasında, ağ yönlendiricisi, gerekli yazılıma sahip bilgisayar, hava kompresörü, iki kale kutusu ve tüm basamaklarıyla birlikte merdiven dahil olmak üzere Erasmus merdiven sisteminin tüm bileşenlerinin kullanıma hazır olduğundan emin olun. Erasmus ladder yazılımını açın.Deneme protokolü oluşturmak için Dosya'yı ve ardından Yeni Deneme'yi seçin. Dosya'ya ve ardından Yeni'ye tıklayın. Denemeye bir ad verin ve Tamam'ı tıklayın.Ardından, varsayılan EMC protokolünün günde 42 kesintisiz deneme ile dört günlük kesintisiz oturumlardan ve bozulmamış koşullu uyaran veya yalnızca CS tonu, koşulsuz uyaran veya yalnızca ABD engeli, tonla duyurulan eşleştirilmiş engel dahil olmak üzere 42 günlük karma deneme ile dört günlük meydan okuma oturumlarından oluşup oluşmadığını kontrol edin. Sağ yan panelde, fareyi merdiveni geçmeye teşvik etmek için kullanılan ışık işaretini, hava işaretini ve arka rüzgarı ve tonu ayarlayın. Farklı bir protokol oluşturmak için Kurulum'u, ardından Deneme Protokolü'nü ve ardından Yeni'yi seçin.Şimdi sıfırdan veya EMC protokolünden kopyalanarak, seans sayısı ve günlük deneme sayısı ve türü ile ilgili tablo satırlarını düzenleyin. Oturum listesini açmak ve konuları adlandırmak için, Kurulum altında, Oturum Listesi'ni tıklatın. Ardından Konu ve Değişken Ekle'ye tıklayın.Sıralı fare listesini takip ederek her bir fare tanımlayıcısını, doğum tarihini, cinsiyetini, genotipini ve ilgili kategorileri girin. Seansa başlamadan önce merdiveni açın. Hava kompresörünün bağlı ve açık olduğundan emin olun.Daha önce oluşturulan deneme protokolünü açın ve alım penceresinden Alımı Aç'ı seçin. Fareyi, yazılım tarafından belirtilen tanımlayıcı ile başlangıç hedefi kutusuna yerleştirin. İlk oturumda alınacak fare tanımlayıcısını seçin ve Edinmeyi Başlat'a tıklayın.Oturumu başlatmak için kırmızı merdiven menü düğmesine üç kez basın. Oturumun başlangıcını izleyin ve oturumun son denemesine kadar fare hareketlerini izleyin. 42. denemenin tamamlanmasından sonra, ekranda Veri Gönderiliyor ve Alındı mesajlarının gösterildiğinden emin olun.Ardından fareyi ev kafesine geri koyun ve merdiveni ve gol kutularını temizleyin. Kaydedilen verileri görselleştirmek için, Analiz menüsünden Grafikler'de Deneme İstatistikleri, Oturum İstatistikleri ve Grup İstatistikleri'ni seçin. Dışa Aktar düğmesine tıklayın, ardından klasör konumunda dosya biçimini elektronik tablo olarak seçin.Otomatik olarak oluşturulan grafiklere sağ tıklayın ve Dosyaya farklı kaydet'i star.png. Kaydedilen elektronik tabloyu açın ve ilk dört gün boyunca bazal motivasyonu, kaygı durumlarını, duyusal tepkileri, motor performansı ve ince motor öğrenmeyi değerlendirmek için parametreleri seçin. Kale kutusundaki dinlenme süresi ve ıstakalarındaki ışığa yanıt olarak dinlenme süresinden sonra kale kutusundan ayrılma süresi dahil olmak üzere kontrol parametrelerini seçin ve çizin.Fare hedef kutusundan ayrıldıktan sonra merdiveni geçmek için harcanan süre olarak ölçülen, ipuçlarından sonra merdivendeki süreyi seçin ve çizin. Öğrenme duyarlılığının bir göstergesi olarak yanlış adımlarla denemelerin yüzdesi de dahil olmak üzere adım paterni parametrelerini seçin ve çizin. Ardından, yalnızca ABD'de yapılan denemelerde zorlanan motor öğrenmeyi ve son dört gün içinde eşleştirilmiş denemelerde ilişkisel öğrenmeyi değerlendirmek için parametreleri seçin.İpuçlarından sonra merdivendeki zamanı seçin ve çizin. Ardından, yanlış adımlarla denemelerin yüzdesini çizin. Son olarak, aynı merdiven tarafındaki engelden önceki ve sonraki basamak aktivasyonu arasındaki milisaniye hassasiyet farkını tanımlayarak pertürbasyon öncesi ve sonrası adım sürelerini çizin.Yabani tip farelerde, dinlenme süreleri ve ışık işaretine verilen tepkiler bir ila dört gün arasında tutarlı kalmıştır. Bununla birlikte, hava işaretine tepki süresi, birinci ve ikinci günler arasında hafif bir düşüş gösterdi. Merdiveni geçmek için geçen süre önemli bir öğrenme eğrisi sergiledi.Merdiven geçişi sırasındaki yanlış adımlar, rahatsız edilmeyen seanslarda bir ila dört gün içinde azaldı. Fare performansı beşinci günden sekizinci güne yükseldi ve yalnızca ABD'deki oturumlarda önemli bir öğrenme eğrisi sağladı. Bir tonla eşleştirilmiş bir engelle ilişkisel öğrenme denemelerinde, fareler oturumları yalnızca ABD'deki denemelerden daha hızlı tamamladı.Sadece tonlu sunumlarla yapılan kontrol denemelerinde, bozulmamış oturumlarınkine benzeyen önemli bir öğrenme eğrisi gözlendi. Yanlış adımlarla yapılan denemelerin yüzdesi, yalnızca ABD'deki denemelerde sabit kalırken, eşleştirilmiş denemelerde önemli ölçüde azaldı. Yalnızca ABD'de yapılan çalışmalarda pertürbasyon öncesi ve sonrası adım süreleri arasında kayda değer bir fark görüldü, ancak eşleştirilmiş denemelerde engelin üstesinden gelmek için daha hızlı öğrenmeyi gösteren eşleştirilmiş çalışmalarda görülmedi.

setting-up-implementing-behavioral-testing-mice-using-erasmus-ladder

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Setting Up and Implementing Behavioral Testing in Mice Using the Erasmus Ladder System

132 Views.  Spain - Consejo Superior de Investigaciones Científicas and Universidad Miguel Hernández. To begin, place the experimental mice outside the testing room. In the testing room, ensure that all components of the Erasmus ladder system, including the network router, the computer with the necessary software, the air compressor, two goal boxes, and the ladder with all its rungs are ready to use. Turn on the Erasmus ladder software.To create an experiment protocol, choose File, then New Experiment. Click on File, and then New. Give the experiment a name and click Okay.Next, ...