Name: evaluating skilled prehension in mice using an auto-trainer
Uploaded: 2019-09-12T13:30:00
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Das Auto-Trainingsgerät wurde von Jason Dunthorn, Uri Tasch und Dan Tasch von Step Analysis, LLC mit Unterstützung für Design-Eingabe und Anweisungen von Robert Hubbard, Richard O'Brien und Steven Zeiler entwickelt.
Teresa Duarte vom Champalimaud Centre for the Unknown lieferte wertvolle Einblicke und Ideen zur Beschreibung und Kategorisierung von Maus-Reaching-Aktionen.

Alle hier beschriebenen Methoden wurden vom ACUC (Animal Care and Use Committee) der Johns Hopkins University genehmigt.
1. Vorbereiten von Mauskäfigen für den Einsatz
<ol><li>Erstellen Sie eine Schlitzöffnung mit Abmessungen von 0,8 cm Breite und 7 cm Höhe von der Basis am vorderen Ende jedes Käfigs, wie in Abbildung 1dargestellt. Dieser Schlitz dient als Öffnung, durch die das Tier erreicht wird. HINWEIS: Der Auto-Trainer wurde für den Einsatz mit de...

<ol>
	<li>Whishaw, I. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+endpoint,+descriptive,+and+kinematic+comparison+of+skilled+reaching+in+mice+(mus+musculus)+with+rats+(rattus+norvegicus).">An endpoint, descriptive, and kinematic comparison of skilled reaching in mice (mus musculus) with rats (rattus norvegicus).</a> Behavior Brain Research. 78, 101-111 (1996).</li><li>Farr, T. D., Whishaw, I. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantitative+and+qualitative+impairments+in+skilled+reaching+in+the+mouse+(mus+musculus)+after+a+focal+motor+cortex+stroke.">Quantitative and qualitative impairments in skilled reaching in the mouse (mus musculus) after a focal motor cortex stroke.</a> Stroke. 33, 1869-1875 (2002).</li><li>Zeiler, S. R., Krakauer, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+interaction+between+training+and+plasticity+in+the+poststroke+brain.">The interaction between training and plasticity in the poststroke brain.</a> Current Opinion in Neurology. 26, 609-616 (2013).</li><li>Klein, A., Sacrey, L. A., Whishaw, I. Q., Dunnett, S. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+use+of+rodent+skilled+reaching+as+a+translational+model+for+investigating+brain+damage+and+disease.">The use of rodent skilled reaching as a translational model for investigating brain damage and disease.</a> Neuroscience and Biobehavioral Reviews. 36, 1030-1042 (2012).</li><li>Zeiler, S. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Medial+premotor+cortex+shows+a+reduction+in+inhibitory+markers+and+mediates+recovery+in+a+mouse+model+of+focal+stroke.">Medial premotor cortex shows a reduction in inhibitory markers and mediates recovery in a mouse model of focal stroke.</a> Stroke. 44, 483-489 (2013).</li><li>Becker, A. M., Meyers, E., Sloan, A., Rennaker, R., Kilgard, M., Goldberg, M. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+automated+task+for+the+training+and+assessment+of+distal+forelimb+function+in+a+mouse+model+of+ischemic+stroke.">An automated task for the training and assessment of distal forelimb function in a mouse model of ischemic stroke.</a> Journal of Neuroscience Methods. 258, 16-23 (2016).</li><li>Bruinsma, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+automated+home-cage-based+5-choice+serial+reaction+time+task+for+rapid+assessment+of+attention+and+impulsivity+in+rats.">An automated home-cage-based 5-choice serial reaction time task for rapid assessment of attention and impulsivity in rats.</a> Psychopharmacology. , 1-12 (2019).</li><li>Francis, N. A., Kanold, P. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Automated+operant+conditioning+in+the+mouse+home+cage.">Automated operant conditioning in the mouse home cage.</a> Frontiers in Neural Circuits. 11 (10), (2017).</li><li>Balcombe, J. P., Barnard, N. D., Sandusky, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Laboratory+routines+cause+animal+stress.">Laboratory routines cause animal stress.</a> Contemporary Topics in Laboratory Animal Science. 43, 42-51 (2004).</li><li>Fenrich, K. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Improved+single+pellet+grasping+using+automated+ad+libitum+full-time+training+robot.">Improved single pellet grasping using automated ad libitum full-time training robot.</a> Behavior Brain Research. 281, 137-148 (2015).</li><li>Ng, K. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fluoxetine+maintains+a+state+of+heightened+responsiveness+to+motor+training+early+after+stroke+in+a+mouse+model.">Fluoxetine maintains a state of heightened responsiveness to motor training early after stroke in a mouse model.</a> Stroke. 46 (10), 2951-2960 (2015).</li><li>Whishaw, I. Q., Suchowersky, O., Davis, L., Sarna, J., Metz, G. A., Pellis, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Impairment+of+pronation,+supination,+and+body+co-ordination+in+reach-to-grasp+tasks+in+human+parkinson's+disease+(pd)+reveals+homology+to+deficits+in+animal+models.">Impairment of pronation, supination, and body co-ordination in reach-to-grasp tasks in human parkinson's disease (pd) reveals homology to deficits in animal models.</a> Behavior Brain Research. 133, 165-176 (2002).</li><li>Dobrossy, M. D., Dunnett, S. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+influence+of+environment+and+experience+on+neural+grafts.">The influence of environment and experience on neural grafts.</a> Nature Review Neuroscience. 2, 871-879 (2001).</li><li>Alaverdashvili, M., Foroud, A., Lim, D. H., Whishaw, I. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=&amp;#34;Learned+baduse&amp;#34;+limits+recovery+of+skilled+reaching+for+food+after+forelimb+motor+cortex+stroke+in+rats:+A+new+analysis+of+the+effect+of+gestures+on+success.">&amp;#34;Learned baduse&amp;#34; limits recovery of skilled reaching for food after forelimb motor cortex stroke in rats: A new analysis of the effect of gestures on success.</a> Behavior Brain Research. 188, 281-290 (2008).</li></ol>

Unser Auto-Trainer evaluiert die Reichweite von Forelimb (Prehension) automatisiert. Um diesen Endpunkt zu erreichen, wurden viele der Parameter, die für die Mausvorhensionsaufgabe entwickelt wurden, einschließlich Pelletplatzierung, Pelletgröße und Trainingskriterien, über mehrere Jahre iteriert und an frühere Protokolleangepasst 2,5 ,6. Der Fortschritt hier ist die Automatisierung der Aufgabe mit einem Roboter, der Haus...

Methoden zur experimentellen Prüfung einer motorischen Fähigkeiten vor und nach der neurologischen Verletzung sowie modulationen Timing, Menge und Art des motorischen Trainings sind wichtig für die translationale Forschung. In den letzten zehn Jahren sind Mäuse aufgrund der damit verbundenen Leichtigkeit der genetischen Manipulation zu einem beliebten Modellsystem geworden, in dem die Mechanismen des motorischen Lernens vor und nach der Verletzung aufgeklärt werden können. Verhaltenstests bei Mäusen wurden jedoch nicht in der gleichen Weise optimiert, wie es bei anderen Säugetieren (insbesondere Ratten) der Fall war. Darüber hinaus gibt es wichtige Unterschiede zwischen dem Verhalten einer Maus und einer Ratte, die stark darauf hindeuten, die beiden Arten in verschiedenen Weisen zu trainieren1,2.
Geschickte prehensile Bewegungen verwenden eine Hand / Pfote, um Nahrung in den Mund zu legen, ein Objekt zu manipulieren, oder ein Werkzeug zu verwenden. Tatsächlich ist das Erreichen verschiedener Objekte im täglichen Leben eine grundlegende Funktion der oberen Gliedmaßen und die Reichweite-zu-Essen-Akt ist eine Form der Vorhension, die viele Säugetiere verwenden. Viele der genetischen, physiologischen und anatomischen Veränderungen, die dem Erwerb von prehensile Fähigkeiten zugrunde liegen, wurden im Feld3gut definiert. Bei der Übersetzung präklinischer Befunde in klinische Ergebnisse braucht man einen relevanten Test, der effizient und reproduzierbar ist. Studien an Nagetieren und Menschen zeigen, dass das Verhalten der Vorhension beim Menschen und bei Tieren ähnlich ist4. Dementsprechend deuten diese Ähnlichkeiten darauf hin, dass Prehension-Tests als translationsmodell für die Untersuchung des motorischen Lernens sowie von Beeinträchtigungen und Behandlungen menschlicher Krankheiten dienen können. Daher kann die Bewertung der Vorhension bei Mäusen ein leistungsfähiges Werkzeug in der translationalen Forschung bieten, das sowohl Gesundheit als auch Krankheitszustände untersucht4.
Leider kann die Vorarbeit bei Mäusen, auch für eine kleine Laborumgebung, mühsam und zeitaufwändig sein. Um dieses Problem zu lindern, beschreiben wir hier eine automatisierte Version der Prehension-Aufgabe. Die beschriebene Aufgabe erfordert, dass Mäuse eine einzelne Pfote durch den Frontalschlitz des Heimkäfigs der Maus ausdehnen, die verlängerte Pfote pronieren, die Belohnung für das Futterpellet erfassen und das Pellet zum Verzehr zurück ins Käfiginnere ziehen. Die resultierenden Daten werden entweder als Prehension-Erfolg oder -Fehler dargestellt. Diese Automatisierung zeichnet die Daten erfolgreich auf und reduziert den Aufwand und die Zeit, mit der sich die Forscher mit der Aufgabe auseinandersetzen müssen.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:1319px;" width="1318">
	<tbody>
		<tr height="19">
			<td height="19" style="height:19px;width:318px;">ABS Filament</td>
			<td style="width:242px;">Custom 3D Printed</td>
			<td style="width:166px;">N/A</td>
			<td style="width:595px;">utilized for pellet holder, frame, arm and funnel</td>
		</tr>
		<tr height="19">
			<td height="19" style="height:19px;">ABS Sheet</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>8586K581</td>
			<td>3/8&#34; thickness; used for platform compononents, positioning stand guides and base</td>
		</tr>
		<tr height="19">
			<td height="19" style="height:19px;">Adruino Mini</td>
			<td>Adruino</td>
			<td>A000087</td>
			<td>nano version also compatiable as well as other similar microcontrollers</td>
		</tr>
		<tr height="19">
			<td height="19" style="height:19px;">Bench-Top Adjustable-Height Positioning Stand</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>9967T43</td>
			<td>35 lbs. load capacity</td>
		</tr>
		<tr height="19">
			<td height="19" style="height:19px;">Clear Acrylic Round Tube</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>8532K14</td>
			<td>ID 3/8&#34;</td>
		</tr>
		<tr height="19">
			<td height="19" style="height:19px;">Low-Carbon&#160;Steel Wire</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>8855K14</td>
			<td>0.148&#34;&#160;diameter</td>
		</tr>
		<tr height="19">
			<td height="19" style="height:19px;">Pellet Dispenser</td>
			<td>Lafayette Instrument: Neuroscience</td>
			<td>80209-45</td>
			<td>with 45 mg interchangeable pellet size wheel and optional stand</td>
		</tr>
		<tr height="19">
			<td height="19" style="height:19px;">Photointerrupter Breakout Board&#160;</td>
			<td>SparkFun</td>
			<td>BOB-09322 ROHS</td>
			<td>designed for Sharp GP1A57HRJ00F</td>
		</tr>
		<tr height="19">
			<td height="19" style="height:19px;">Reflective Object Sensor</td>
			<td>Fairchild Semiconductor</td>
			<td>QRD1113</td>
			<td>phototransistor output</td>
		</tr>
		<tr height="19">
			<td height="19" style="height:19px;">Servo Motor</td>
			<td>SparkFun</td>
			<td>S8213</td>
			<td>generic metal gear (micro size)</td>
		</tr>
		<tr height="19">
			<td height="19" style="height:19px;">Transmissive Photointerrupter</td>
			<td>Sharp</td>
			<td>GP1A57HRJ00F</td>
			<td>gap: 10 mm, slit: 1.8 mm</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

evaluating skilled prehension in mice using an auto-trainer

Wir beschreiben eine Methode, um naive Mäuse in eine neuartige Vorhensionsaufgabe (Reach-to-Grasp) einzuführen. Mäuse sind singart in Käfigen mit einem frontalen Schlitz untergebracht, der es der Maus ermöglicht, aus ihrem Käfig zu greifen und Futterpellets zu holen. Minimale Nahrungsbeschränkung wird angewendet, um die Mäuse zu ermutigen, die Nahrungsentnahme aus dem Schlitz durchzuführen. Als die Mäuse beginnen, sich mit dem Kommen zum Schlitz für Nahrung zu verbinden, werden die Pellets manuell weggezogen, um die Verlängerung und Pronation ihrer Pfote zu stimulieren, um das Pellet zu greifen und durch den frontalen Schlitz zu holen. Wenn die Mäuse beginnen, nach den Pellets zu greifen, wenn sie am Schlitz ankommen, kann der Verhaltenstest durchgeführt werden, indem die Rate gemessen wird, mit der sie das gewünschte Pellet erfolgreich erfassen und abrufen. Sie werden dann einem Auto-Trainer vorgestellt, der sowohl den Prozess der Bereitstellung von Futterpellets für die Maus zum Greifen automatisiert, als auch die Aufzeichnung erfolgreicher und fehlgeschlagener Reichweiten- und Greifversuche. Dies ermöglicht die Erfassung von Erreichensdaten für mehrere Mäuse mit minimalem Aufwand, die gegebenenfalls in der experimentellen Analyse verwendet werden können.

Im Allgemeinen wird empfohlen, dass jede Trainingseinheit aus etwa 20-30 Tests besteht, die vom Benutzer festgelegt, automatisch vom Auto-Trainer ausgeführt und in einer einzigen Protokolldatei pro Sitzung und Maus gespeichert werden können. Jede Prüfung kann nacheinander, direkt nach der anderen, mit 2-5 s Pause durchgeführt werden. Mäuse, die auf dem Auto-Trainer trainiert werden, zeigen eine Steigerung der Fähigkeiten über 10 Trainingseinheiten.
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Evaluating Skilled Prehension in Mice Using an Auto-Trainer

Die Methode zur Bewertung der Auswirkungen der Ausbildung auf die motorischen Fähigkeiten ist ein nützliches Instrument. Leider können die meisten Verhaltensbeurteilungen arbeitsintensiv und/oder teuer sein. Wir beschreiben hier eine Robotik-Methode zur Beurteilung von Prehension (Reach-to-Grasp) Fähigkeiten bei Mäusen.

Bewertung der geschickten Vorhension bei Mäusen mit einem Auto-Trainer

We describe a method to introduce na&#239;ve mice to a novel prehension (reach-to-grasp) task. Mice are housed singly in cages with a frontal slot that ...

Unsere Technologie automatisiert eine komplizierte Verhaltensanalyse, die Zeit sparen und als Sprungbrett für viele verschiedene Arten von Studien dienen kann. Mit unserer Technik sind die Aufgabe und die Belohnung die gleiche Sache. Es gibt keine Trennung zwischen dem Ausführen einer vagen Aufgabe, möglicherweise falsch, und dem Erhalt einer Belohnung.Tiermodelle bieten die Möglichkeit, Ansätze zu testen, um die Genesung nach einer neurologischen Verletzung zu steigern. In meinem Labor testen wir beispielsweise Ansätze zur Erhöhung der Erholung nach dem Schlaganfall, da es dringend notwendig ist, innovative neue Ansätze für die Rehabilitation nach dem Schlaganfall zu entwickeln. Neben dem Schlaganfall könnte unser Auto-Trainer für das Studium des motorischen Lernens vor Verletzungen sowie in Modellen von Parkinson, Alzheimer oder traumatischen Hirnverletzungen nützlich sein.Wenn eine Maus ihr Zielgewicht erreicht, starten Sie eine Trainingseinheit, indem Sie ein 45 Milligramm Pellet auf der Pelletoberfläche direkt vor dem Schlitz platzieren, und lassen Sie die Maus das Pellet abrufen. Wenn die Maus einen offenen Steckplatz mit der Zuführung zuordnet, verwenden Sie eine Pinzette, um ein Pellet an der gleichen Position zu halten, an der die Maus die Pellets zuvor abgerufen hat. Wenn die Maus beginnt, nach dem Pellet zu beißen, ziehen Sie das Pellet etwa einen halben Zentimeter weg, so dass das Pellet aprea-reichweite des Mundes ist.Wenn die Maus eine Pfote durch den Schlitz ausstreckt, verstärken Sie das Verhalten, indem Sie der Maus erlauben, das Pellet zu essen. Während nicht instrumental zu experimentieren, zeichnen Sie auf, ob die linke oder rechte Pfote bevorzugt wird. Wenn die Maus eine Pfote mit dem Verzehr eines Pellets verbindet, verstärken Sie das Verhalten weiter, indem sie das Pellet als Reaktion auf Versuche, das Pellet mit Mund und Zunge zu holen, zurückhält.Achten Sie darauf, Ihre Mäuse davon abzuhalten, erfolgreich ein Pellet zu bekommen, ohne eine Pfote zu benutzen, oder sie werden schlechte Gewohnheiten lernen, die schwer zu lernen sind. Schlussmiten Sie die Einführung des gewünschten Pfoten-Zubruchverhaltens, indem Sie das 45-Milligramm-Pellet knapp einen Zentimeter vom äußeren Rand des Käfigtores entfernt platzieren, so dass der linke oder rechte Punkt des Pellets tangential zu einer Linie ist, die sich gerade aus dem Rand des Käfigtorschlitzes erstreckt. Dann lassen Sie die Maus versuchen, das Pellet zu holen, wachsam zu sein, um das Pellet zu entfernen und zu verhindern, dass es verbrauchen, wenn die Maus versuchen sollte, mit einer anderen Methode als Pfotenverlängerung abzurufen.Bevor Sie mit dem Training beginnen, klicken Sie auf den Run-Pfeil in der LabVIEW-Schnittstelle des Autotrainers und notieren Sie sich den Köder-Pellet-Sensor, sowohl mit als auch ohne Pellet an Ort und Stelle. Klicken Sie auf Stopp, um den Testlauf zu beenden und das Köder-Pelletsensor-Ziel auf einen Wert zwischen diesen beiden Messwerten zu ändern. Legen Sie den modifizierten Mauskäfig auf den Autotrainer und befestigen Sie das Käfigtor.Richten Sie dann das Pellet wie im manuellen Verfahren an den Rand des Steckplatzes aus, und öffnen Sie eine neue Trainingssitzung in der LabVIEW-Schnittstelle. Geben Sie die Informationen ein, die zum Aufzeichnen von Daten über die Schulungssitzung erforderlich sind, und klicken Sie auf das Feld Maus-ID, um den Dateinamen jeder Trainingssitzung einzugeben. Klicken Sie auf das Feld Gesamtpellets, um während der Routine zu verteilen, um zu steuern, wie viele Pellets für ein einzelnes Experiment ausgegeben werden.Klicken Sie auf das Feld Pause After Pellet Number, um eine fünfsekunden lange Pause zu setzen, nachdem das angegebene Pellet vom Sprungbrett entfernt wurde, und klicken Sie auf das Feld Pause Länge, um eine Pause zwischen dem Zeitpunkt, an dem ein Pellet vom Sprungbrett entfernt wird, und dem Zeitpunkt, zu dem ein neues Pellet ausgegeben wird, eine Pause einzulegen. Legen Sie den automatischen Trainer so fest, dass der Abstand, in dem das Pellet platziert wird, manuell im Feld Entfernung erreichen platziert wird, und klicken Sie auf das Feld Ordner zum Einschließen von Protokollen, um den Dateispeicherort auszuwählen, um die gesammelten Daten zu speichern. Nachdem die Informationsfelder ausgefüllt wurden, klicken Sie auf Ausführen, um die Trainingseinheit zu beginnen.Der Autotrainer gibt einzelne Pellets aus und verfolgt, ob sie durch den Trichter fallen, bis die Gesamtzahl der Pellets abgegeben wurde und das letzte Pellet entweder von der Maus geborgen oder fallen gelassen wurde. Das Programm wird an dieser Stelle automatisch beendet. Bei Bedarf kann es auch vorzeitig gestoppt werden, indem Sie auf die Stopp-Taste klicken.Sobald die Software eingerichtet ist, legen Sie den Heimkäfig der Maus, die getestet werden soll, auf den Sockel und klicken Sie auf Ausführen, damit die Maus den Steckplatz und seine neue unbekannte Umgebung untersuchen kann. Mäuse, die mit dem Autotrainer trainiert wurden, erlernten die Vorarbeit und zeigten eine deutliche Steigerung der motorischen Fähigkeiten. Diese Steigerung der Fähigkeiten ähnelt der, die beobachtet wird, wenn das Tier manuell ohne den Einsatz des Autotrainers trainiert wird.Stellen Sie sicher, dass die Mäuse ihre Pfoten verwenden. Wenn sie denken lassen, dass du sie nur essen lassen, werden sie nicht nach dir greifen. Eine Verletzung kann zu jedem Teil des motorischen Weges induziert werden, um zu bestimmen, welche Auswirkungen die Läsion auf die Motorleistung hat und wie die Erholung von dieser Läsion gefördert werden kann.

Research

JoVE Journal

Behavior

Nest Building as an Indicator of Health and Welfare in Laboratory Mice

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Forschung

Verhalten

The Modified Hole Board - Measuring Behavior, Cognition and Social Interaction in Mice and Rats

Der modifizierte Loch Board - Mess Verhalten, Kognition und Sozialinteraktion an Mäusen und Ratten

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