Name: evaluating skilled prehension in mice using an auto-trainer
Uploaded: 2019-09-12T13:30:00
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El dispositivo de auto-entrenamiento fue construido por Jason Dunthorn, Uri Tasch y Dan Tasch en Step Analysis, LLC, con soporte de entrada de diseño e instrucciones proporcionadas por Robert Hubbard, Richard O'Brien y Steven Zeiler.
Teresa Duarte del Centro Champalimaud para Lo Desconocido proporcionó valiosas ideas sobre cómo describir y categorizar las acciones de alcance del ratón.

Todos los métodos descritos aquí han sido aprobados por la ACUC (Comité de Cuidado y Uso de Animales) de la Universidad Johns Hopkins.
1. Preparación de jaulas de ratón para su uso
<ol><li>Cree una abertura ranurada con dimensiones de 0,8 cm de ancho y 7 cm de altura desde la base en el extremo frontal de cada jaula, como se ilustra en la Figura 1. Esta ranura sirve como la abertura a través de la cual el animal alcanzará. NOTA: El auto-entrenador fue ...

<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>

Nuestro auto-entrenador evalúa el alcance de las extremidades delanteras (prehensión) de forma automatizada. Para lograr este punto final, muchos de los parámetros diseñados para la tarea de prehensión del ratón, incluyendo la colocación de pellets, el tamaño del pellet y los criterios de entrenamiento, han sido iterados a lo largo de varios años y adaptados de protocolos anteriores2,5 ,6. El avance aquí es la automat...

Los métodos para probar experimentalmente una lesión motora antes y después de neurológica, así como para modular el tiempo, la cantidad y el tipo de entrenamiento motor son importantes para la investigación traslacional. En la última década, los ratones, debido a la facilidad de la manipulación genética, se han convertido en un sistema modelo popular en el que esclarecer los mecanismos del aprendizaje motor antes y después de las lesiones. Sin embargo, los ensayos conductuales en ratones no se han optimizado de la misma manera que tales ensayos han sido para otros mamíferos (especialmente ratas). Además, hay diferencias importantes entre el comportamiento de un ratón y una rata que sugieren fuertemente entrenar a las dos especies de diferentes maneras1,2.
Los movimientos prensales calificados utilizan una mano/pata para colocar alimentos en la boca, manipular un objeto o utilizar una herramienta. De hecho, llegar a captar diversos objetos en la vida diaria es una función fundamental de las extremidades superiores y el acto de alcance a comer es una forma de prehensión que muchos mamíferos utilizan. Muchos de los cambios genéticos, fisiológicos y anatómicos que sustentan la adquisición de habilidades prensiles han sido bien definidos en el campo3. Al traducir los hallazgos preclínicos a los resultados clínicos, se necesita una prueba relevante que sea eficiente y reproducible. Los estudios de alcance de roedores y humanos demuestran que el comportamiento de la prehensión es similar en humanos y en animales4. En consecuencia, estas similitudes sugieren que las pruebas de prension pueden servir como modelo traslacional para investigar el aprendizaje motor, así como impedimentos y tratamientos de enfermedades humanas. Por lo tanto, la evaluación de la prehensión en ratones puede ofrecer una poderosa herramienta en la investigación traslacional que estudia los estados de salud y enfermedad4.
Desafortunadamente, la tarea de prehensión en ratones, incluso para un entorno de laboratorio a pequeña escala, puede ser laboriosa y llevar mucho tiempo. Para aliviar este problema, aquí se describe una versión automatizada de la tarea de prehensión. La tarea descrita requiere que los ratones extiendan una sola pata a través de la ranura frontal de la jaula doméstica del ratón, pronifen la pata extendida, agarren la recompensa de pellets de alimentos y tiren del pellet de vuelta al interior de la jaula para su consumo. Los datos resultantes se presentan como un éxito de prehensión o un error. Esta automatización registra con éxito los datos y reduce la carga y el tiempo con que los investigadores deben participar en la tarea.

<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

Describimos un método para introducir ratones ingenuos en una nueva tarea de prehensión (alcance a alcance). Los ratones se alojan solos en jaulas con una ranura frontal que permite al ratón salir de su jaula y recuperar pellets de comida. Se emplea una restricción alimentaria mínima para alentar a los ratones a realizar la recuperación de alimentos de la ranura. A medida que los ratones comienzan a asociarse llegando a la ranura para la comida, los pellets se retiran manualmente para estimular la extensión y pronación de su pata para agarrar y recuperar el pellet a través de la ranura frontal. Cuando los ratones comienzan a alcanzar los pellets a medida que llegan a la ranura, el ensayo conductual se puede realizar midiendo la velocidad a la que agarran y recuperan con éxito el pellet deseado. A continuación, se introducen en un auto-entrenador que automatiza tanto el proceso de proporcionar pellets de alimentos para que el ratón pueda agarrar, como la grabación de intentos exitosos y fallidos de alcanzar y agarrar. Esto permite la recopilación de datos de alcance para varios ratones con un esfuerzo mínimo, que se utilizará en el análisis experimental según corresponda.

En general, se recomienda que cada sesión de entrenamiento consista en aproximadamente 20-30 pruebas, que pueden ser establecidas por el usuario, se ejecutan automáticamente por el auto-entrenador y se guardan en un único archivo de registro por sesión y ratón. Cada prueba se puede ejecutar consecutivamente, justo después de la otra, con 2-5 s de pausa. Los ratones entrenados en el auto-entrenador exhiben un aumento en la habilidad en 10 sesiones de entrenamiento.
<p class="jove...

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Evaluating Skilled Prehension in Mice Using an Auto-Trainer

El método para evaluar el impacto de la formación en las habilidades motoras es una herramienta útil. Desafortunadamente, la mayoría de las evaluaciones conductuales pueden ser intensivas en mano de obra y/o costosas. Aquí describimos un método robótico para evaluar la habilidad de la prehensión (alcance a agarrar) en ratones.

Evaluación de la prehensión habilidosa en ratones mediante un auto-entrenador

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 ...

Nuestra tecnología automatiza un complicado análisis de comportamiento que puede ahorrar tiempo y servir de trampolín para muchos tipos diferentes de estudios. Con nuestra técnica, la tarea y la recompensa son lo mismo. No hay desconexión entre realizar una tarea vaga, posiblemente incorrectamente, y recibir una recompensa.Los modelos animales ofrecen la oportunidad de probar enfoques para aumentar la recuperación después de una lesión neurológica. Por ejemplo, en mi laboratorio probamos enfoques para aumentar la recuperación después del accidente cerebrovascular, ya que hay una necesidad urgente de desarrollar nuevos enfoques innovadores para la rehabilitación después del accidente cerebrovascular. Además de accidente cerebrovascular, nuestro auto-entrenador podría ser útil para estudiar el aprendizaje motor antes de la lesión, así como en modelos de Parkinson, Alzheimer, o lesión cerebral traumática.Cuando un ratón alcanza su peso objetivo, iniciar una sesión de entrenamiento mediante la colocación de un pellet de 45 miligramos en la superficie del pellet directamente en frente de la ranura, y permitir que el ratón para recuperar el pellet. Cuando el ratón asocia una ranura abierta con ser alimentado, utilice un par de pinzas para sostener un pellet en la misma posición que el ratón ha recuperado los pellets previamente. A medida que el ratón comienza a morder para el pellet, tire del pellet de distancia aproximadamente medio centímetro, de modo que el pellet está fuera del alcance de la boca.Cuando el ratón extiende una pata a través de la ranura, refuerce el comportamiento permitiendo que el ratón coma el pellet. Aunque no sea instrumental para la experimentación, registre si se prefiere la pata izquierda o derecha. A medida que el ratón se asocia a extender una pata con comer un pellet, reforzar aún más el comportamiento mediante la retención del pellet en respuesta a los intentos de recuperar el pellet con la boca y la lengua.Tenga cuidado de evitar que sus ratones obtengan con éxito un pellet sin usar una pata, o aprenderán malos hábitos que son difíciles de desaprender. Finalizar la introducción del comportamiento deseado de alcance de la pata mediante la colocación del pellet de 45 miligramos justo debajo de un centímetro desde el borde exterior de la puerta de la jaula, de modo que el punto izquierdo o derecho del pellet es tangente a una línea que se extiende directamente desde el borde de la ranura de la jaula de la puerta. A continuación, permita que el ratón intente recuperar el pellet, estando vigilante para eliminar el pellet y evitar su consumo si el ratón debe intentar la recuperación por algún otro método que no sea la extensión de la pata.Antes de comenzar la sesión de entrenamiento, haga clic en la flecha Ejecutar en la interfaz LabVIEW del auto-entrenador y observe la lectura del sensor de pellets de cebo, tanto con y sin un pellet en su lugar. Haga clic en Detener para detener la ejecución de prueba y cambiar el objetivo del sensor de pellets de cebo a un valor entre esas dos lecturas. Coloque la jaula del ratón modificada en el auto-entrenador y coloque la puerta de la jaula.A continuación, alinee el pellet con el borde de la ranura como en el procedimiento manual y abra una nueva sesión de entrenamiento en la interfaz LabVIEW. Introduzca la información necesaria para registrar datos sobre la sesión de entrenamiento y haga clic en el campo ID de ratón para introducir el nombre de archivo de cada sesión de entrenamiento. Haga clic en el campo Total Pellets to Dispense During Routine para controlar cuántos pellets se dispensan para un solo experimento.Haga clic en el campo Pausa después del número de pellet para establecer una pausa de cinco segundos después de que el pellet indicado se retire del tablero de buceo y haga clic en el campo Longitud de pausa para establecer una pausa entre el momento en que se retira un pellet de la tabla de buceo y el momento en que se dispensa un nuevo pellet. Establezca el auto-entrenador para registrar manualmente la distancia a la que se coloca el pellet en el campo Distancia de alcance y haga clic en el campo Carpeta para contener registros para seleccionar la ubicación del archivo para guardar los datos recopilados. Una vez rellenados los campos de información, haga clic en Ejecutar para iniciar la sesión de entrenamiento.El auto-entrenador dispensará pellets individuales y rastreará si caen a través del embudo, hasta que el número total de pellets haya sido dispensado y el último pellet haya sido recuperado o dejado caer por el ratón. El programa se detendrá automáticamente en este punto. Si es necesario, también se puede detener prematuramente haciendo clic en el botón Detener.Una vez configurado el software, coloque la jaula de inicio del ratón para probarla en el pedestal y haga clic en Ejecutar para permitir que el ratón investigue la ranura y su nuevo entorno desconocido. Los ratones entrenados con el auto-entrenador aprendieron la tarea de prehensión y exhiben un claro aumento en la habilidad motora. Este aumento de habilidad es similar al observado cuando el animal es entrenado manualmente sin el uso del auto-entrenador.Asegúrate de hacer que los ratones usen sus patas. Si les dejas pensar que les estás dejando comer, no te alcanzarán. Se puede inducir una lesión a cualquier parte de la vía motora para determinar qué efectos tiene la lesión en el rendimiento motor, y cómo fomentar la recuperación de dicha lesión.

Research

JoVE Journal

Behavior

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

Edificio de la jerarquía como indicador de Salud y Bienestar en ratones de laboratorio

The minimization and alleviation of  suffering has moral and scientific implications. In order to mitigate this  negative experience one must be able to ...

Investigación

Comportamiento

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

La Junta Agujero Modificado - Medición de Comportamiento, Cognición e interacción social en ratones y ratas

This protocol describes the modified hole board (mHB), which combines features from a traditional hole board and open field and is designed to measure ...

A Protocol for Housing Mice in an Enriched Environment

Un Protocolo para ratones Viviendas en un ambiente enriquecido

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Quantifying Social Motivation in Mice Using Operant Conditioning

La cuantificación de la motivación social en ratones utilizando Condicionamiento operante

In this protocol, social motivation is measured in mice through a pair of operant conditioning paradigms. To conduct the experiments, two-chambered ...

Acquisition of a High-precision Skilled Forelimb Reaching Task in Rats

Adquisición de una alta precisión Skilled Miembro Anterior Alcanzar Tarea en Ratas

Movements are the main measurable output of central nervous system function. Developing behavioral paradigms that allow detailed analysis of motor ...

Determining Ultrasonic Vocalization Preferences in Mice using a Two-choice Playback Test

La determinación de Preferencias ultrasónico Vocalización en ratones utilizando una prueba de reproducción de dos elección

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An Operant Intra-/Extra-dimensional Set-shift Task for Mice

Una operante intra / extra-dimensional Conjunto de cambio de tareas para ratones

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Measuring Delay Discounting in Humans Using an Adjusting Amount Task

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Evaluación sistemática de bienestar en ratones para procedimientos con anestesia General

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