Studie Motor Ervaring Leren door Single-pellet bereiken Taken in Muizen
Summary
Bestendige praktijk verbetert de precisie van gecoördineerde bewegingen. Hier introduceren we een pellet bereiken taak die is ontworpen om het leren en het geheugen van de voorpoot deskundigen in muizen te evalueren.
Abstract
Het bereiken van en het ophalen van objecten vereist nauwkeurige en gecoördineerde motorische bewegingen in de voorpoot. Wanneer muizen herhaaldelijk zijn opgeleid om te begrijpen en voedsel beloningen gepositioneerd op een specifieke locatie, hun motorische prestaties (gedefinieerd als nauwkeurigheid en snelheid) verbetert geleidelijk in de tijd, en plateaus te halen na aanhoudende training. Zodra een dergelijk verstrekkende vaardigheid wordt beheerst, heeft de verdere handhaving niet constant oefening nodig. Hier introduceren we een single-pellet bereiken taak om de aanschaf en het onderhoud van geschoolde voorpoot bewegingen in muizen te bestuderen. In deze video, beschrijven we eerst het gedrag van muizen die vaak worden aangetroffen in het leren en geheugen paradigma, en dan bespreken hoe deze gedragingen categoriseren en kwantificeren van de waargenomen resultaten. Gecombineerd met de muis genetica, kan dit paradigma worden gebruikt als een gedrags-platform om de anatomische onderbouwing, fysiologische eigenschappen en moleculaire mechanismen van leren en geheugen te verkennen.
Introduction
Inzicht in de mechanismen van leren en geheugen is een van de grootste uitdagingen in de neurowetenschappen. In het motorische systeem, is het verwerven van nieuwe motorische vaardigheden met de praktijk vaak aangeduid als motorisch leren, terwijl het behoud van eerder geleerde motorische vaardigheden wordt beschouwd als motor geheugen 1. Het leren van een nieuwe motorische vaardigheid wordt meestal weerspiegeld in verbetering van de gewenste motorische prestaties in de tijd, tot een punt wanneer de motorische vaardigheden ofwel geperfectioneerd of tevredenheid consistent. Voor de meeste gevallen, kan de verworven motor geheugen blijven voor een lange tijd, zelfs zonder praktijk. Bij de mens, neuroimaging studies met behulp van positron emissie tomografie (PET) en functionele magnetische resonantie imaging (fMRI) hebben aangetoond dat de primaire motorische cortex (M1) activiteit veranderingen tijdens de acquisitie fase van motorische vaardigheden leren 2-4, en tijdelijke storing van M1-activiteit door lage frequentie transcraniële magnetische stimulatie leidt tot significantly verstoord behoud van motor gedragsmatige verbetering 5. Evenzo voorpoot-opleiding in ratten induceert functionele en anatomische plasticiteit in de M1, geïllustreerd door de toename van zowel c-fos als synapsvorm / neuron verhouding in het M1 contralateraal van de getrainde voorpoot tijdens de late fase van motorische leren 6. Bovendien is een vergelijkbare training paradigma versterkt ook laag 2/3 horizontale verbindingen in de contralaterale M1 overeenkomt met de getrainde voorpoot, wat resulteert in verminderde lange termijn potentiëring (LTP) en verbeterde lange termijn depressie (LTD) na ratten verwerven van de taken 7. Dergelijke synaptische modificatie is echter niet waargenomen bij de M1 corticale gebieden overeenkomen met ongetrainde voorpoot of achterpoten 8. Als alternatief, wanneer de M1 is beschadigd door een beroerte, zijn er dramatische tekorten in voorpoot specifieke motorische vaardigheden 9. Terwijl de meeste van de motor gedrags studies zijn uitgevoerd op mensen, apens, en ratten 2-8,10-17, muizen uitgegroeid tot een aantrekkelijk model systeem vanwege zijn krachtige genetica en lage kosten.
Hier presenteren we een voorpoot specifieke motorische vaardigheden leren paradigma: een single-pellet bereiken taak. In dit paradigma worden muizen getraind om hun voorpoten te breiden door een smalle spleet te begrijpen en op te halen voedsel pellets (gierst zaden) geplaatst op een vaste locatie, een gedrag analoog aan het leren boogschieten, dart-gooien, en schieten basketballen bij de mens. Dit bereiken taak is gewijzigd van afgelopen rat studies die hebben aangetoond soortgelijke resultaten tussen muizen en ratten 18. Met behulp van twee-foton transcraniële beeldvorming, heeft ons vorige werk tijdens deze training de dynamiek van dendritische stekels (postsynaptische structuren voor de meerderheid prikkelende synapsen) in de tijd gevolgd. We vonden dat een enkele training geleid tot een snelle opkomst van nieuwe dendritische stekels op piramidale neuronen in de motorische cortex contralateraal van de getrainde voorpoot. Subsequent opleiding van hetzelfde bereiken taak bij voorkeur gestabiliseerd deze-learning geïnduceerde stekels, die bleef lang na de training beëindigd 19. Bovendien stekels die bleek tijdens herhalingen van het bereiken taak neiging te clusteren langs dendrieten, terwijl stekels gevormd tijdens tandem uitvoering van het bereiken van de taak en een andere voorpoot-specifieke motorische taak (dwz de pasta handling taak) niet clusteren 20.
In de huidige video beschrijven we stap voor stap het instellen van deze gedragsproblemen paradigma van de eerste onthouden van voedsel te vormen, en sensomotorische training. We hebben ook de gemeenschappelijke gedrag van muizen beschrijven tijdens het proces van het uitvoeren van deze gedrags paradigma en hoe deze gedragingen worden gecategoriseerd en geanalyseerd. Tot slot bespreken we de voorzorgsmaatregelen die nodig zijn om een dergelijk leerparadigma oefenen en de onderwerpen die tijdens de data-analyses kunnen worden aangetroffen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Belang van het vormgeven fase:
Door de toegenomen bezorgdheid van zich in een onbekende omgeving, is het meestal moeilijk muizen worden getraind in een nieuwe omgeving 21,22. Daarom is het doel van de vormgeving is om muizen vertrouwd te maken met de opleiding kamer, de trainer (dwz hun angst te verminderen), en de eisen die taak (dwz zaad als voedselbron te identificeren). Een ander doel van de vormen is om de gewenste onderdelen van individuele muizen bepalen toek…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk wordt ondersteund door een subsidie (1R01MH094449-01A1) van het National Institute of Mental Health aan YZ
Materials
| Training chamber in clear acrylic box | For dimensions, see Fig. 1A |
| Tilted tray for shaping | custom-made from glass slides, see Fig. 1B |
| Food platform for training | For dimensions, see Fig. 1C |
| Millet seeds | filtered from “Wild Bird Food Dove and Quail Blend Wild Bird Food (All Living Things) |
| Forceps | For placing the seeds |
| A weighing scale | For daily body weight measurement |
| A stopwatch | For time measurement during shaping/training sessions |
References
- Schmidt, R. A. Motor Learning Principles for Physical Therapy. Foundations for Physical Therapy. Contemporary Management of Motor Control Problems, Proceedings of the II STEP Conference. , 49-63 (1991).
- Honda, M., Deiber, M. P., Ibanez, V., Pascual-Leone, A., Zhuang, P., Hallett, M. Dynamic cortical involvement in implicit and explicit motor sequence learning. A PET study.. Brain. 121, 2159-2173 (1998).
- Karni, A., Meyer, G., Jezzard, P., Adams, M. M., Turner, R., Ungerleider, L. G. Functional MRI evidence for adult motor cortex plasticity during motor skill learning. Nature. 377, 155-158 (1995).
- Karni, A., et al. The acquisition of skilled motor performance: fast and slow experience-driven changes in primary motor cortex. Proc. Natl Acad. Sci. U.S.A. 95, 861-868 (1998).
- Muellbacher, W., et al. Early consolidation in human primary motor cortex. Nature. 415, 640-644 (2002).
- Kleim, J. A., Hogg, T. M., VandenBerg, P. M., Cooper, N. R., Bruneau, R., Remple, M. Cortical synaptogenesis and motor map reorganization occur during late, but not early, phase of motor skill learning. J. Neurosci. 24, 628-633 (2004).
- Rioult-Pedotti, M. S., Friedman, D., Donoghue, J. P. Learning-induced LTP in neocortex. Science. 290, 533-536 (2000).
- Rioult-Pedotti, M. S., Friedman, D., Hess, G., Donoghue, J. P. Strengthening of horizontal cortical connections following skill learning. Nat. Neurosci. 1, 230-234 (1998).
- Farr, T. D., Whishaw, I. Q. Quantitative and qualitative impairments in skilled reaching in the mouse (Mus musculus) after a focal motor cortex stroke. Stroke J. Cereb. Circ. 33, 1869-1875 (2002).
- Huang, V. S., Haith, A., Mazzoni, P., Krakauer, J. W. Rethinking motor learning and savings in adaptation paradigms: model-free memory for successful actions combines with internal models. Neuron. 70, 787-801 (2011).
- Smith, M. A., Ghazizadeh, A., Shadmehr, R. Interacting adaptive processes with different timescales underlie short-term motor learning. PLoS Biol. 4, (2006).
- Pavlides, C., Miyashita, E., Asanuma, H. Projection from the sensory to the motor cortex is important in learning motor skills in the monkey. J. Neurophysiol. 70, 733-741 (1993).
- Paz, R., Boraud, T., Natan, C., Bergman, H., Vaadia, E. Preparatory activity in motor cortex reflects learning of local visuomotor skills. Nat. Neurosci. 6, 882-890 (2003).
- Paz, R., Vaadia, E. Learning-induced improvement in encoding and decoding of specific movement directions by neurons in the primary motor cortex. PLoS Biol. 2, (2004).
- Plautz, E. J., Milliken, G. W., Nudo, R. J. Effects of repetitive motor training on movement representations in adult squirrel monkeys: role of use versus learning. Neurobiol. Learn. Mem. 74, 27-55 (2000).
- Hosp, J. A., Pekanovic, A., Rioult-Pedotti, M. S., Luft, A. R. Dopaminergic projections from midbrain to primary motor cortex mediate motor skill learning. J. Neurosci. 31, 2481-2487 (2011).
- Adkins, D. L., Boychuk, J., Remple, M. S., Kleim, J. A. Motor training induces experience-specific patterns of plasticity across motor cortex and spinal cord. 101, 1776-1782 (2006).
- Whishaw, I. Q. An endpoint, descriptive, and kinematic comparison of skilled reaching in mice (Mus musculus) with rats (Rattus norvegicus). Behav. Brain Res. 78, 101-111 (1996).
- Xu, T., et al. Rapid formation and selective stabilization of synapses for enduring motor memories. Nature. 462, 915-919 (2009).
- Fu, M., Yu, X., Lu, J., Zuo, Y. Repetitive motor learning induces coordinated formation of clustered dendritic spines in vivo. Nature. 483, 92-95 (2012).
- Whishaw, I. Q., Whishaw, P., Gorny, B. The structure of skilled forelimb reaching in the rat: a movement rating scale. J .Vis. Exp. , (2008).
- Bailey, K. R., Crawley, J. N. Anxiety-Related Behavior in Mice. In Buccafusco JJ (Ed.) Methods of Behavior Analysis in Neuroscience. Chapter 5, 2nd ed. , (2009).
- Yu, X., Zuo, Y. Spine plasticity in the motor cortex. Curr. Opin. Neurobiol. 21, 169-174 (2011).
- Qian, Y., Chen, M., Forssberg, H., Diaz Heijtz, R. Genetic variation in dopamine-related gene expression influences motor skill learning in mice. Genes Brain Behav. 12, 604-614 (2013).
- MacLellan, C. L., Gyawali, S., Colbourne, F. Skilled reaching impairments follow intrastriatal hemorrhagic stroke in rats. Behav. Brain Res. 175, 82-89 (2006).
- Hong, S. M., et al. Reduced hippocampal neurogenesis and skill reaching performance in adult Emx1 mutant mice. Exp. Neurol. 206, 24-32 (2007).
- Bureau, G., Carrier, M., Lebel, M., Cyr, M. Intrastriatal inhibition of extracellular signal-regulated kinases impaired the consolidation phase of motor skill learning. Neurobiol. Learn. Mem. 94, 107-115 (2010).
- McCormick, D. A., Lavond, D. G., Thompson, R. F. Neuronal responses of the rabbit brainstem during performance of the classically conditioned nictitating membrane (NM)/eyelid response. Brain Res. 271, 73-88 (1983).
- Molinari, M., et al. Cerebellum and procedural learning: evidence from focal cerebellar lesions. Brain. 120, 1753-1762 (1997).
- Willuhn, I., Steiner, H. Motor-skill learning in a novel running-wheel task is dependent on D1 dopamine receptors in the striatum. 神经科学. 153, 249-258 (2008).
