Name: evaluating skilled prehension in mice using an auto-trainer
Uploaded: 2019-09-12T13:30:00
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Il dispositivo di allenamento automatico è stato costruito da Jason Dunthorn, Uri Tasch e Dan Tasch presso Step Analysis, LLC, con il supporto di input di progettazione e le istruzioni fornite da Robert Hubbard, Richard O'Brien, e Steven .
Teresa Duarte del Centro Champalimaud per l'Ignoto ha fornito preziose informazioni e idee su come descrivere e classificare le azioni del topo.

Tutti i metodi qui descritti sono stati approvati dall'ACUC (Animal Care and Use Committee) della Johns Hopkins University.
1. Preparazione delle gabbie per topi per l'uso
<ol><li>Creare un'apertura scanalata con dimensioni di 0,8 cm di larghezza e 7 cm di altezza dalla base all'estremità anteriore di ogni gabbia, come illustrato nella Figura 1. Questa fessura serve come l'apertura attraverso la quale l'animale raggiungerà. NOTA: l'auto-formatore è stato p...

<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>

Il nostro auto-trainer valuta la comprensione degli arti anteriori (prensioni) in modo automatizzato. Per raggiungere questo endpoint, molti dei parametri progettati per l'attività di prensione del mouse, tra cui il posizionamento del pellet, le dimensioni del pellet e i criteri di allenamento, sono stati iterati nel corso di diversi anni e adattati dai protocolli precedenti2,5 ,6. Il progresso qui è l'automazione del compito...

I metodi per testare sperimentalmente un'abilità motoria lesioni pre e post-neurologiche, nonché modulare la tempistica, la quantità e il tipo di allenamento motorio sono importanti per la ricerca traslazionale. Nell'ultimo decennio, i topi, a causa della conseguente facilità di manipolazione genetica, sono diventati un sistema modello popolare in cui chiarire i meccanismi dell'apprendimento motorio pre e post-lesione. Tuttavia, i saggi comportamentali nei topi non sono stati ottimizzati nello stesso modo in cui tali saggi sono stati per altri mammiferi (soprattutto ratti). Inoltre, ci sono importanti differenze tra il comportamento di un topo e un ratto che suggeriscono fortemente l'addestramento delle due specie in modi diversi1,2.
Abili movimenti prensile utilizzano una mano / zampa per posizionare il cibo in bocca, per manipolare un oggetto, o per utilizzare uno strumento. Infatti, raggiungere a cogliere vari oggetti nella vita quotidiana è una funzione fondamentale degli arti superiori e l'atto reach-to-eat è una forma di prensione che molti mammiferi usano. Molti dei cambiamenti genetici, fisiologici e anatomici alla base dell'acquisizione delle abilità prensili sono stati ben definiti nel campo3. Nel tradurre i risultati preclinici in esiti clinici, è necessario un test pertinente che sia efficiente e riproducibile. Studi sui roditori e sulla portata umana dimostrano che il comportamento della prensione è simile negli esseri umani e negli animali4. Di conseguenza, queste somiglianze suggeriscono che i test di prehension possono servire come modello traslazionale per studiare l'apprendimento motorio, nonché i menomazioni e i trattamenti della malattia umana. Pertanto, la valutazione della prehension nei topi può offrire un potente strumento nella ricerca traslazionale che studia sia la salute che la malattiaafferma 4.
Purtroppo, il compito di prehension nei topi, anche per un ambiente di laboratorio su piccola scala, può essere laborioso e dispendioso in termini di tempo. Per risolvere questo problema, descriviamo qui una versione automatizzata dell'attività di prehension. Il compito descritto richiede ai topi di estendere una singola zampa attraverso la fessura frontale della gabbia di casa del topo, far promettere la zampa estesa, afferrare la ricompensa del pellet alimentare e tirare il pellet all'interno della gabbia per il consumo. I dati risultanti vengono presentati come un successo di prehension o un fallimento. Questa automazione registra con successo i dati e riduce l'onere e il tempo con cui i ricercatori devono impegnarsi il compito.

<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

Descriviamo un metodo per introdurre topi ingenui a un nuovo compito di prensione (reach-to-grasp). I topi sono alloggiati in gabbie con una fessura frontale che permette al mouse di uscire dalla sua gabbia e recuperare pellet di cibo. La restrizione alimentare minima viene utilizzata per incoraggiare i topi a eseguire il recupero del cibo dalla fessura. Quando i topi iniziano ad associarsi arrivando alla fessura per il cibo, i pellet vengono tirati via manualmente per stimolare l'estensione e la pronazione della zampa per afferrare e recuperare il pellet attraverso lo slot frontale. Quando i topi iniziano a raggiungere i pellet quando arrivano allo slot, il saggio comportamentale può essere eseguito misurando la velocità con cui riescono a cogliere e recuperare il pellet desiderato. Vengono poi introdotti in un auto-addestratore che automatizza sia il processo di fornitura di pellet alimentari per il mouse da afferrare, sia la registrazione di tentativi di raggiungere e afferrare riusciti e non riusciti. Ciò consente la raccolta di dati di raggiungimento per più topi con il minimo sforzo, da utilizzare nell'analisi sperimentale a seconda dei casi.

In generale, si consiglia di che ogni sessione di formazione consista in circa 20-30 prove, che possono essere impostate dall'utente, eseguite automaticamente dal formatore automatico e salvate in un unico file di registro per sessione e mouse. Ogni prova può essere eseguita consecutivamente, subito dopo l'altra, con 2-5 s di pausa. I topi formati sull'auto-formatore mostrano un aumento delle abilità in 10 sessioni di allenamento.
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Evaluating Skilled Prehension in Mice Using an Auto-Trainer

Metodo per valutare l'impatto della formazione sulle capacità motorie è uno strumento utile. Sfortunatamente, la maggior parte delle valutazioni comportamentali può essere laboriosa e/o costosa. Descriviamo qui un metodo robotico per valutare la prensione (reach-to-grasp) abilità nei topi.

Valutazione della prensione qualificata nei topi utilizzando un auto-allenatore

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 ...

La nostra tecnologia automatizza una complicata analisi comportamentale che può far risparmiare tempo e fungere da trampolino di lancio per molti diversi tipi di studi. Con la nostra tecnica, il compito e la ricompensa sono la stessa cosa. Non c'è disconnessione tra l'esecuzione di un compito vago, forse in modo errato, e la ricezione di una ricompensa.I modelli animali offrono l'opportunità di testare approcci per aumentare il recupero dopo una lesione neurologica. Ad esempio, nel mio laboratorio testiamo approcci per aumentare il recupero post-ictus, poiché vi è l'urgente necessità di sviluppare nuovi approcci innovativi alla riabilitazione post-ictus. Oltre all'ictus, il nostro auto-trainer potrebbe essere utile per studiare l'apprendimento motorio prima delle lesioni, così come nei modelli di Parkinson, Alzheimer o lesioni cerebrali traumatiche.Quando un mouse raggiunge il suo peso obiettivo, inizia una sessione di allenamento posizionando un pellet da 45 milligrammi sulla superficie del pellet direttamente davanti allo slot e consenti al mouse di recuperare il pellet. Quando il mouse associa uno slot aperto all'alimentazione, utilizzare una coppia di pinzette per tenere un pellet nella stessa posizione in cui il mouse ha recuperato i pellet in precedenza. Quando il topo inizia a mordere per il pellet, estrarre il pellet di circa mezzo centimetro, in modo che il pellet sia fuori dalla portata della bocca.Quando il mouse estende una zampa attraverso la fessura, rafforzare il comportamento consentendo al mouse di mangiare il pellet. Sebbene non sia strumentale alla sperimentazione, registra se la zampa sinistra o destra è preferita. Poiché il topo associa l'estensione di una zampa al consumo di un pellet, rafforzare ulteriormente il comportamento trattenendo il pellet in risposta ai tentativi di recuperare il pellet con la bocca e la lingua.Fai attenzione a impedire ai tuoi topi di ottenere con successo un pellet senza usare una zampa, o impareranno cattive abitudini difficili da disarnare. Finalizzare l'introduzione del comportamento desiderato di raggiungimento della zampa posizionando il pellet da 45 milligrammi a poco meno di un centimetro dal bordo esterno del cancello della gabbia, in modo che il punto più a sinistra o a destra del pellet sia tangente a una linea che si estende direttamente dal bordo dello slot del cancello della gabbia. Quindi consentire al mouse di tentare di recuperare il pellet, essendo vigile per rimuovere il pellet e prevenire il suo consumo se il mouse dovesse tentare il recupero con un metodo diverso dall'estensione della zampa.Prima di iniziare la sessione di allenamento, fare clic sulla freccia Esegui nell'interfaccia LabVIEW dell'auto-trainer e notare la lettura del sensore pellet dell'esca, sia con che senza pellet in posizione. Fare clic su Interrompi per interrompere l'esecuzione del test e modificare la destinazione del sensore pellet dell'esca in un valore tra queste due letture. Posizionare la gabbia del mouse modificata sull'auto-trainer e apporre il cancello della gabbia.Quindi allineare il pellet al bordo dello slot come nella procedura manuale e aprire una nuova sessione di allenamento nell'interfaccia LabVIEW. Immettere le informazioni necessarie per registrare i dati relativi alla sessione di allenamento e fare clic sul campo ID mouse per immettere il nome file di ogni sessione di training. Fare clic sul campo Totale pellet da erogare durante la routine per controllare il numero di pellet erogati per un singolo esperimento.Fare clic sul campo Sospendi dopo il numero di pellet per impostare una pausa di cinque secondi dopo che il pellet indicato è stato rimosso dal trampolino, quindi fare clic sul campo Pausa lunghezza per impostare una pausa tra il momento in cui un pellet viene rimosso dal trampolino e l'erogazione di un nuovo pellet. Impostare l'auto-trainer per registrare manualmente la distanza con cui il pellet viene posizionato nel campo Distanza di copertura e fare clic sul campo Cartella da contenere registri per selezionare il percorso del file per salvare i dati raccolti. Una volta compilati i campi delle informazioni, fare clic su Esegui per iniziare la sessione di allenamento.L'auto-trainer eroga i singoli pellet e traccia se cadono attraverso l'imbuto, fino a quando il numero totale di pellet non è stato erogato e l'ultimo pellet è stato recuperato o lasciato cadere dal mouse. Il programma si fermerà automaticamente a questo punto. Se necessario, può anche essere interrotto prematuramente facendo clic sul pulsante Interrompi.Una volta impostato il software, posizionare la gabbia domestica del mouse da testare sul piedistallo e fare clic su Esegui per consentire al mouse di indagare sullo slot ed è un nuovo ambiente sconosciuto. I topi addestrati con l'auto-trainer hanno imparato il compito di prehension e mostrano un chiaro aumento dell'abilità motoria. Questo aumento di abilità è simile a quello osservato dove l'animale viene addestrato manualmente senza l'uso dell'auto-addestratore.Assicurati di far usare ai topi le zampe. Se lasci che pensino che stai solo lasciando che abbiano da mangiare, non ti raggiungeranno. Una lesione può essere indotta in qualsiasi parte del percorso motorio per determinare quali effetti ha la lesione sulle prestazioni motorie e come incoraggiare il recupero da tale lesione.

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