Automated Home-Cage Monitoring

Das sogenannte Automated Home-Cage Monitoring (AHCM), oder auf Deutsch „automatisches Käfigmonitoring“, stellt eine weitere Möglichkeit dar um im Umgang mit Labortieren für Refinement zu sorgen. Nichtinvasive, tierfreundliche und stressfreie Methoden des Monitorings tragen einerseits zum verbesserten Tierwohl bei und haben andererseits einen positiven Effekt auf die Forschung. Somit können standardisierte und einheitliche Daten gewonnen werden, wodurch eine Reproduzierbarkeit der Ergebnisse gewährleistet wird. Durch AHCM-Systeme können verschiedenste Parameter, wie Bewegung, soziale Interaktion, Futter- bzw. Wasserkonsum, Körpertemperatur und Lernverhalten ohne jegliche Berührung oder Manipulation des Tieres durch den Experimentator, automatisiert gemessen und ausgewertet werden. Derzeit kommen sie vor allem in präklinischen pharmazeutischen sowie in Studien zum Verhalten zur Anwendung. Ein weiterer Vorteil neben der Standardisierbarkeit und dem tierfreundlichen Umgang des AHCM im Vergleich zu gebräuchlichen Standardtests der Verhaltensforschung, wie beispielsweise dem Open Field Test oder dem Elevated Plus Maze, ist ein kontinuierliches Monitoring über eine längere Zeitspanne, bei welchem schon kleinste Veränderungen im Verhaltensmuster der Versuchstiere aufgezeichnet werden.¹

Am Markt existiert eine Vielzahl an AHCM-Systemen. Im folgenden Abschnitt erhalten Sie einen kurzen Überblick über die gebräuchlichsten Arten des AHCM.²

Anhand OWS wird das Gedächtnis, die Flexibilität und das Lernverhalten des Nagers untersucht. In drei Öffnungen, durch welche Futter, wahlweise in fester (Pelllets) oder flüssiger Form, angeboten werden kann, wird mittels Infrarotstrahlen die Aktivität eines einzelnen Tieres gemessen. Durch Licht oder einen Ton wird das Versuchstier zur gewünschten Operant Wall geleitet. Nur bei Aufsuchen der gerade erwünschten Öffnung gibt es eine Belohnung. Chora Feeder von AM Microsystems wäre ein Beispiel für ein kommerzielles OWS.³

Das IntelliCage System wird zum Studieren von Lernverhalten und Gedächtnis eingesetzt. Ein solcher Käfig besitzt vier computergesteuerte Operant Conditioning Corners (OCC), also vier Ecken zur operanten Konditionierung. Es passen bis zu 16 Tiere in ein IntelliCage System. Jeder Nager ist durch einen persönlichen RFID-Transponder über Antennen in jeder OCC identifizierbar. Ein OCC kann zu einem Zeitpunkt immer nur von einer Maus betreten werden. Im OCC befinden sich zwei Wände zur operanten Konditionierung, welche im 90 Grad Winkel zueinanderstehen. Jede dieser Wände trägt drei LED-Lichter und eine Öffnung, welche mittels Computersteuerung geöffnet bzw. geschlossen werden kann und Zugang zu einer Wasserflasche verschafft. Infrarotlicht dient zum Monitoring dieser Öffnung. Ebenso können in jeder OCC-Luftstöße abgegeben werden um das Trinkverhalten zu beeinflussen.⁴

Computerized Visual Systems bestehen aus einer Infrarotkamera und einer daran gekoppelten lernfähigen Software. Dieses System ist sowohl bei Licht als auch bei Dunkelheit einsetzbar. Mittles CVS können unterschiedliche Verhaltensweisen und Bewegungen sowie Abweichungen derselben, beobachtet werden.⁵

AMS werden zur Aufzeichnung von Bewegungsaktivität verwendet. Es gibt zum einen Sensoren, deren Messelektroden unter der Käfigfläche angebracht sind und zum anderen Systeme, die auf Basis von Infrarotstrahlen, die in einem Laufrad als Sensoren zur Messung von Bewegung fungieren, funktionieren. Um die Aktivität mehrerer Tiere messen und voneinander unterschieden zu können, gibt es das Actual-HCA (Home Cage Analyzer) System von Actual Analytics, bei welchem die Tiere mit einem Transponder gekennzeichnet sind.⁶

• Actual-HCA (Home Cage Analyzer) von Actual Analytics
• Chora Feeder von AM Microsystems and the Instituto Italiano di Tecnologia
• Colony Rack von PhenoSys
• DVC (Digital Ventilated Cage) von Tecniplast
• IntelliCage von TSE Systems
• PhenoTyper von Noldus Information Technology
• UID Mouse Matrix home cage monitoring von Animalab

Actual-HCA (Home Cage Analyzer) - Actual Analytics

Mittels Actual-HCA können die Labornager 24/7 hinsichtlich Bewegungsaktivität, Verhalten und Körpertemperatur untersucht werden. Da alle Tiere im Käfig mit einem RFID Transponder gekennzeichnet sind, wird eine Gruppenhaltung ermöglicht. Durch Infrarotlicht können die Videoaufnahmen tags- und nachtsüber durchgeführt werden. Der Actual-HCA kann in jedes bestehende Käfigsystem integriert werden. Anwendungsbeispiele wären Studien zur Phänotypisierung, sozialer Interaktion, circadianem Rhythmus und diversen Medikamenten. Alles Weitere ist der Homepage zu entnehmen.

Publikationen

Baran SW, Bratcher N, Dennis J, Gaburro S, Karlsson EM, Maguire S, Makidon P, Noldus LPJJ, Potier Y, Rosati G, Ruiter M, Schaevitz L, Sweeney P, LaFollette MR. Emerging Role of Translational Digital Biomarkers Within Home Cage Monitoring Technologies in Preclinical Drug Discovery and Development. Front Behav Neurosci. 2022 Feb 14;15:758274. doi: 10.3389/fnbeh.2021.758274. PMID: 35242017; PMCID: PMC8885444.

Wotton JM, Peterson E, Flenniken AM, Bains RS, Veeraragavan S, Bower LR, Bubier JA, Parisien M, Bezginov A, Haselimashhadi H, Mason J, Moore MA, Stewart ME, Clary DA, Delbarre DJ, Anderson LC, D'Souza A, Goodwin LO, Harrison ME, Huang Z, Mckay M, Qu D, Santos L, Srinivasan S, Urban R, Vukobradovic I, Ward CS, Willett AM, Braun RE, Brown SDM, Dickinson ME, Heaney JD, Kumar V, Lloyd KCK, Mallon AM, McKerlie C, Murray SA, Nutter LMJ, Parkinson H, Seavitt JR, Wells S, Samaco RC, Chesler EJ, Smedley D, Diatchenko L, Baumbauer KM, Young EE, Bonin RP, Mandillo S, White JK; International Mouse Phenotyping Consortium. Identifying genetic determinants of inflammatory pain in mice using a large-scale gene-targeted screen. Pain. 2022 Jun 1;163(6):1139-1157. doi: 10.1097/j.pain.0000000000002481. Epub 2021 Sep 13. PMID: 35552317; PMCID: PMC9100450.

Wilcox AG, Bains RS, Williams D, Joynson E, Vizor L, Oliver PL, Maywood ES, Hastings MH, Banks G, Nolan PM. Zfhx3-mediated genetic ablation of the SCN abolishes light entrainable circadian activity while sparing food anticipatory activity. iScience. 2021 Sep 16;24(10):103142. doi: 10.1016/j.isci.2021.103142. PMID: 34632336; PMCID: PMC8487057.

Chora Feeder - AM Microsystems and the Instituto Italiano di Tecnologia

Wie oben erwähnt, handelt es sich bei Cora Feeder um ein Operant Wall System (OWS). Dieses System wird durch eine Phenopy Software und eine weitere Software, die auf Python basiert, kontrolliert. Cora Feeder findet seinen Einsatz in Verhaltensstudien und in Studien zum Lernverhalten. Die einsetzbaren Stimuli in Form von Licht, Tönen und Belohnung sind nach Belieben auszuwählen. Besuchen Sie die folgende Homepage um weitere Informationen zu Cora Feeder zu erhalten.

Publikationen

Balzani E, Falappa M, Balci F et al. An approach to monitoring home-cage behavior in mice that facilitates data sharing. Nat Protoc 13, 1331–1347 (2018). https://doi.org/10.1038/nprot.2018.031

Colony Rack - PhenoSys

Das Colony Rack System bietet die Möglichkeit eine Vielzahl an Mäuse gleichzeitig zu beobachten. Es besteht wahlweise aus 8, 18 oder 70 Käfigen, die alle miteinander verbunden sind. Über Transponder werden die Tiere voneinander differenziert. Mittels des Colony Racks können 24/7 Bewegungsmuster sowie soziale Interaktion aufgezeichnet werden. Das System ist gut geeignet für den Einsatz in der Neurowissenschaft. Alles Weitere ist der Homepage zu entnehmen.

Publikationen

Kempermann G, Lopes JB, Zocher S, Schilling S, Ehret F, Garthe A, Karasinsky A, Brandmaier AM, Lindenberger U, Winter Y, Overall RW. The individuality paradigm: Automated longitudinal activity tracking of large cohorts of genetically identical mice in an enriched environment. Neurobiol Dis. 2022 Dec;175:105916. doi: 10.1016/j.nbd.2022.105916. Epub 2022 Nov 4. PMID: 36336243.

Zocher S, Schilling S, Grzyb AN, Adusumilli VS, Bogado Lopes J, Günther S, Overall RW, Winter Y, Kempermann G. Early-life environmental enrichment generates persistent individualized behavior in mice. Sci Adv. 2020 Aug 26;6(35):eabb1478. doi: 10.1126/sciadv.abb1478. PMID: 32923634; PMCID: PMC7449688.

DVC - Tecniplast

Der Digital Ventilated Cage (DVC) der Firma Tecniplast beinhaltet die Gestelle, Sensorplatten, RFID IVC Haubenhalterungen, RFID Leseneeeinheiten sowie eine Software. Es bietet folgende sieben bereits integrierte Funktionen: eine Eintreuzustandsüberwachung, eine Wasser- und Futterüberwachung, eine Sensorplatte zur Messung der Tieraktivität, eine Leckageerkennung für den Fall von Undichte im Tränkesystem, ein DVC Planner zur Planung der täglichen Arbeitsabläufe, eine Käfig-Identifikation und eine automatisierte Möglichkeit zur Inventarisierung. Weitere Informationen finden Sie hier.

Publikationen

Shenk J, Lohkamp KJ, Wiesmann M, Kiliaan AJ. Automated Analysis of Stroke Mouse Trajectory Data With Traja. Front Neurosci. 2020 May 25;14:518. doi: 10.3389/fnins.2020.00518. PMID: 32523509; PMCID: PMC7262161.

Golini E, Rigamonti M, Iannello F, De Rosa C, Scavizzi F, Raspa M, Mandillo S. A Non-invasive Digital Biomarker for the Detection of Rest Disturbances in the SOD1G93A Mouse Model of ALS. Front Neurosci. 2020 Sep 1;14:896. doi: 10.3389/fnins.2020.00896. PMID: 32982678; PMCID: PMC7490341.

Intellicage - TSE Systems

In einem Intellicage System können kognitive Fähigkeiten und das Verhalten von bis zu 16 Mäusen bzw. 8 Ratten beobachtet werden. In einer OCC kann sich immer nur jeweils ein einziges Tier aufhalten. Durch Transponder sind alle Nager eindeutig identifizierbar. Der Intellicage ermöglicht stressfreie Forschung ohne menschliche Manipulation und bietet zudem ein artgerechtes soziales Umfeld. Er ist mit anderen Produkten von TSE kombinierbar. Krankheitsmodelle zu Alzheimer, Schizophrenie, Autismus, Angststörungen, Depressionen und Suchtverhalten eigenen sich gut für den Einsatz des Intellicage. Weitere Informationen zum Intellicage von TSE Systems sind der Homepage zu entnehmen.

Publikationen

Sun L, Verkaik-Schakel RN, Biber K, Plösch T, Serchov T. Antidepressant treatment is associated with epigenetic alterations of Homer1 promoter in a mouse model of chronic depression. J Affect Disord. 2021 Jan 15;279:501-509. doi: 10.1016/j.jad.2020.10.040. Epub 2020 Oct 26. PMID: 33128940.

Kiryk A, Janusz A, Zglinicki B, Turkes E, Knapska E, Konopka W, Lipp HP, Kaczmarek L. IntelliCage as a tool for measuring mouse behavior - 20 years perspective. Behav Brain Res. 2020 Jun 18;388:112620. doi: 10.1016/j.bbr.2020.112620. Epub 2020 Apr 14. PMID: 32302617.

Mehr A, Hick M, Ludewig S, Müller M, Herrmann U, von Engelhardt J, Wolfer DP, Korte M, Müller UC. Lack of APP and APLP2 in GABAergic Forebrain Neurons Impairs Synaptic Plasticity and Cognition. Cereb Cortex. 2020 Jun 1;30(7):4044-4063. doi: 10.1093/cercor/bhaa025. PMID: 32219307.

PhenoTyper - Noldus

Information Technology Bei dem PhenoTyper handelt es sich um ein individuell gestaltbaren Käfig zur Beobachtung von Labornagern. Jeder PhenoTyper ist mit einer Top Unit ausgestattet, die LED Lichter, eine Infrarotkamera sowie optional Stimuli und Sensoren beinhaltet. Durch die individuelle Gestaltung ist der PhenoTyper für „einfache“ Beobachtungen aber auch für Konditionierung geeignet. Selbst die Wände sind auswechselbar und es kann zwischen transparenten oder halb abgedunkelten Wänden gewählt werden. Der Käfig selbst ist ebenso in verschiedenen Formaten erhältlich. Weitere Informationen zum PhenoTyper finden Sie hier.

Publikationen

Rhine MA, Parrott JM, Schultz MN, Kazdoba TM, Crawley JN. Hypothesis-driven investigations of diverse pharmacological targets in two mouse models of autism. Autism Res. 2019 Mar;12(3):401-421. doi: 10.1002/aur.2066. Epub 2019 Jan 17. PMID: 30653853; PMCID: PMC6402976.

Urb M, Niinep K, Matsalu T, Kipper K, Herodes K, Zharkovsky A, Timmusk T, Anier K, Kalda A. The role of DNA methyltransferase activity in cocaine treatment and withdrawal in the nucleus accumbens of mice. Addict Biol. 2020 Jan;25(1):e12720. doi: 10.1111/adb.12720. Epub 2019 Feb 7. PMID: 30730091.

UID Mouse Matrix home cage monitoring - Animalab

Das UID Mouse Matrix home cage monitoring ermöglicht automatisierte Langzeitaufzeichnungen der Biomarker Bewegungsaktivität und Körpertemperatur von in Gruppen gehaltenen Mäusen bei allen Lichtverhältnissen. Die vom System generierten Daten sind leicht zugänglich, können aber auch zwecks weiterer Analyse direkt an Excel transferiert werden. Weitere Informationen finden Sie hier.

1)Richardson.The power of automated behavioural homecage technologies in characterizing disease progression in laboratory mice: A review.Applied Animal Behaviour Science Vol.163, 19-27 (2015).https://doi.org/10.1016/j.applanim.2014.11.018.

Jhuang H, Garrote E, Mutch J, Yu X, Khilnani V, Poggio T, et al. Automated home-cage behavioural phenotyping of mice. Nat Commun 1, 68 (2010). https://doi.org/10.1038/ncomms1064

Grieco F, Bernstein BJ, Biemans B, Bikovski L, Burnett CJ, Cushman JD, van Dam EA, Fry SA, Richmond-Hacham B, Homberg JR, Kas MJH, Kessels HW, Koopmans B, Krashes MJ, Krishnan V, Logan S, Loos M, McCann KE, Parduzi Q, Pick CG, Prevot TD, Riedel G, Robinson L, Sadighi M, Smit AB, Sonntag W, Roelofs RF, Tegelenbosch RAJ, Noldus LPJJ. Measuring Behavior in the Home Cage: Study Design, Applications, Challenges, and Perspectives. Front Behav Neurosci. (2021 Sep 24).15:735387. doi: 10.3389/fnbeh.2021.735387

2)Mingrone A, Kaffman A, Kaffman A. The Promise of Automated Home-Cage Monitoring in Improving Translational Utility of Psychiatric Research in Rodents. Frontiers in Neuroscience Vol. 14 (2020). https://doi.org/10.3389/fnins.2020.618593

3)Mingrone A, Kaffman A, Kaffman A. The Promise of Automated Home-Cage Monitoring in Improving Translational Utility of Psychiatric Research in Rodents. Frontiers in Neuroscience Vol. 14 (2020). https://doi.org/10.3389/fnins.2020.618593

Balzani E, Falappa M, Balci F, Tucci V. An approach to monitoring home-cage behavior in mice that facilitates data sharing. Nat. Protoc. 13, 1331–1347 (2018). doi: 10.1038/nprot.2018.031

4)Mingrone A, Kaffman A, Kaffman A. The Promise of Automated Home-Cage Monitoring in Improving Translational Utility of Psychiatric Research in Rodents. Frontiers in Neuroscience Vol. 14 (2020). https://doi.org/10.3389/fnins.2020.618593

5)Singh S, Bermudez-Contreras E, Nazari M, Sutherland R J, Mohajerani M H. Low-cost solution for rodent home-cage behaviour monitoring. PLoS One 14 (2019). doi: 10.1371/journal.pone.0220751

6)Mingrone A, Kaffman A, Kaffman A. The Promise of Automated Home-Cage Monitoring in Improving Translational Utility of Psychiatric Research in Rodents. Frontiers in Neuroscience Vol. 14 (2020). https://doi.org/10.3389/fnins.2020.618593

Pernold K, Iannello F, Low B E, Rigamonti M, Rosati G, Scavizzi F. Towards large scale automated cage monitoring - Diurnal rhythm and impact of interventions on in-cage activity of C57BL/6J mice recorded 24/7 with a non-disrupting capacitive-based technique. PLoS One 14:e0211063 (2019) doi: 10.1371/journal.pone.0211063

Brown L A, Hasan S, Foster R G, Peirson S N. COMPASS: continuous Open Mouse Phenotyping of Activity and Sleep Status. Wellcome Open Res.(2016). doi: 10.12688/wellcomeopenres.9892.1

Mitchell E J, Brett R R, Armstrong J D, Sillito R R, Pratt J A. Temporal dissociation of phencyclidine: induced locomotor and social alterations in rats using an automated homecage monitoring system - implications for the 3Rs and preclinical drug discovery. J. Psychopharmacol. 34, 709–715 (2020). doi: 10.1177/0269881120920455