The use of an automated and home-cage based test system to improve behavioral experiments for group housed mice

Die Verwendung eines automatisierten und heimatkäfigbasierten Testsystems zur Verbesserung von Verhaltensexperimenten für Mäuse

Eine Möglichkeit, die Laborbedingungen für Tiere zu verbessern, ist die Versuche innerhalb des Heimatkäfigs durchzuführen. Bei den hier vorgestellten Experimenten diente das RFID (Radio Frequency Identification) -basierte IntelliCage System (IC) als automatisiertes und heimatkäfigbasierendes Testsystem.
Kapitel 2 beschreibt die Verhaltensmethoden, die zur Bewertung der Belastung von Labortieren in Tierversuchen zur Verfügung stehen. Es wird beschrieben, wie wichtig es ist, das Verhalten der Tiere zu untersuchen, um Rückschlüsse auf die Belastung zu ziehen, zum Beispiel durch die Bewertung der Aktivität. Durch die Verwendung von Präferenztests kann die Perspektive der Tiere einbezogen werden, da die Tiere (indirekt) gefragt werden, was sie wollen oder nicht wollen. Der Consumer Demand Test bietet dann die Möglichkeit, die Stärke der Präferenz oder Abneigung zu bestimmen. Durch den Cognitive Bias Test ist es außerdem möglich, den emotionalen Zustand der Tiere zu messen.
In Kapitel 3 wurde der IC in einer Langzeitstudie eingesetzt, um Mäuse im IC wiederholt kognitiv zu stimulieren, während gleichzeitig eine weitere Gruppe von Mäusen nie kognitiv stimuliert wurde. Die Studie zeigte jedoch nur in der frühen Lebensphase der Mäuse Unterschiede zwischen den Gruppen. Junge Mäuse, die kognitiv stimuliert wurden, zeigten eine höhere Aktivität, ein geringere Körpergewichtsentwicklung und einen niedrigeren Ruhestoffwechsel. Sie waren auch weniger attraktiv für weibliche Mäuse. Diese Unterschiede waren jedoch nicht mehr in späteren Lebensphasen auszumachen. Es konnten außerdem keine Auswirkung der kognitiven Stimulation auf Dominanz oder Langlebigkeit festgestellt werden.
In Kapitel 4 wurde ein erweiterter IC-basierter Aufbau (IC und Heimkäfig, verbunden durch eine Schleuse) verwendet, um die Stärke der Präferenz/Abneigung für verschiedene Flüssigkeiten in einem Consumer Demand Versuch zu untersuchen. Für den Zugang zu unterschiedlichen Flüssigkeiten, mussten die Mäuse täglich mehr Nosepokes machen. Die Daten zeigen, dass die Anzahl der Nosepokes von den angebotenen Flüssigkeiten abhing. Die Mäuse machten viele Nosepokes, um eine bitter schmeckende Flüssigkeit nicht trinken zu müssen, während sie deutlich weniger Nosepokes machten, um Zugang zu süß schmeckenden Flüssigkeiten zu erhalten.
In Kapitel 5 wurde die erweiterte Testapparatur eingesetzt, um einen heimatkäfigbasierten Cognitive Bias Test zu entwickeln. In dieser Studie lag der Schwerpunkt auf den drei Entwicklungsschritten, die zu einem funktionalen Testprotokoll führten. Wir zeigten die erfolgreiche Konditionierung sowie die Messung der Erwartungsvalenz (Cognitive Bias) bei weiblichen Mäusen.
In Kapitel 6 wurden die wichtigsten Herausforderungen bei der Entwicklung und die Vorteile der Verwendung des Heimkäfigsystems, aber auch die Einschränkungen zusammengefasst. So musste beispielsweise die Methode der RFID-Transponder-Implantation verbessert werden, oder es mussten verschiedene technische Probleme gelöst werden. In Kapitel 6 wurden außerdem die Vorteile der Verwendung von Heimkäfigsystemen beschrieben. Wir konnten das Verhalten von Mäusen über mehrere Monate hinweg erfolgreich aufzeichnen. Wir erhielten individuelle Daten, die Mäuse wurden in ihrer gewohnten Umgebung und während ihrer natürlichen aktiven Phase getestet. Der Einfluss der Experimentatorin wurde auf ein Minimum reduziert, ebenso wie der Einfluss der Mäuse untereinander, da sich jeweils nur eine Maus im IC aufhalten konnte und somit die Versuche ungestört von Gruppenmitgliedern absolvieren konnte.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Durchführung von Experimenten in Heimkäfigen die Möglichkeit bietet, die Laborbedingungen für Labortiere zu verbessern. Dies wird wiederum dazu beitragen, valide Daten zu erhalten, die für den Menschen von Nutzen sein werden. One possibility to improve laboratory conditions for animals is to conduct the experiments in a home-cages manner. For the experiments presented here, the RFID (radio frequency identification)- based IntelliCage (IC) served as an automated and home-cage-based test system.
Chapter 2 describes behavioral methods that are available to assess the burden on laboratory animals in animal studies. It describes the importance of examining animal behavior in order to conclude about burden, for example, by assessing activity. By using preference tests, the perspective of the animals can be included, since the animals are (indirectly) asked what they want or do not want. The Consumer Demand test then offers the possibility to determine the strength of the preference or aversion. Through the Cognitive Bias test, it is also possible to measure the emotional state of the animals.
In chapter 3, the IC was used in a long-term study to cognitively stimulate mice in the IC repeatedly, while at the same time another subset of mice was never cognitively stimulated. However, the study showed treatment effects only in the early life phase of the mice. Young mice that were cognitively stimulated showed higher activity, lower growth and a lower resting metabolic rate. They were also less attractive to female mice. However, these results were not evident at later life stages. Furthermore, no effect of cognitive stimulation on dominance or longevity could be detected.
In chapter 4, an extended IC based set-up (IC and home-cage connected by a gate) was used to investigate the strength of preference/aversion for different liquids in a Consumer Demand test. For this, the mice had to make more nosepokes daily to gain access to different liquids. The data show that the number of nosepokes was dependent on the liquids offered. The mice made many nosepokes to avoid drinking a bitter-tasting liquid, while they made significantly fewer nosepokes to gain access to sweet-tasting liquids.
In chapter 5, the extended IC based setup was used to develop a home-cage based Cognitive Bias test. In this study, the focus was on three developmental steps leading to a functional testing protocol. We showed successful conditioning, as well as measurement of cognitive bias in female mice.
In chapter 6, the main developmental challenges and advantages of using the home-cage based system but also limitations are summarized. For instance, the method of RFID transponder implantation had to be improved, or various technical problems had to be solved. Chapter 6 also describes the advantages of using home-cage based systems. We were able to successfully record the behavior of mice over several months. We obtained individual data, the mice were tested in their familiar environment and during their natural active phase. The influence of the experimenter was reduced to a minimum, as well as the influence of the mice on each other, when only one mouse could stay in the IC at a time and thus solved the tasks undisturbed by group members.
In conclusion, performing home-cage based experiments offered the possibility to refine the laboratory conditions for laboratory animals. This will again help to obtain valid data, which will be beneficial for humans.