الدراسة موتور مهارة التعلم عن طريق واحدة بيليه المهام الوصول في الفئران
Summary
الممارسة المستمرة يحسن الدقة من الحركات المنسقة. ونحن هنا نقدم مهمة التوصل إلى واحد بيليه، الذي يهدف إلى تقييم مهارة التعلم والذاكرة من forelimb في الفئران.
Abstract
التوصل لواسترجاع الأشياء تتطلب حركات الحركية الدقيقة ومنسق في forelimb. عندما يتم تدريب الفئران مرارا وتكرارا لفهم واسترداد المكافآت الطعام المتمركزة في موقع معين، الأداء الحركي لها (كما هو موضح الدقة والسرعة) يحسن تدريجيا مع مرور الوقت، والهضاب بعد التدريب المستمر. بمجرد يتقن هذه المهارة الوصول، كذلك صيانته لا يتطلب الممارسة المستمرة. ونحن هنا نقدم مهمة التوصل إلى واحد بيليه لدراسة واقتناء وصيانة الحركات forelimb المهرة في الفئران. في هذا الفيديو، ونحن تصف السلوكيات الأول من الفئران التي واجهت عادة في هذا التعلم والذاكرة النموذج، ومن ثم مناقشة كيفية تصنيف هذه السلوكيات وقياس النتائج المرصودة. جنبا إلى جنب مع علم الوراثة الماوس، وهذا النموذج يمكن أن تستخدم كمنصة السلوكية لاستكشاف الأسس التشريحية، والخصائص الفسيولوجية، والآليات الجزيئية للتعلم والذاكرة.
Introduction
فهم آليات التعلم والذاكرة الكامنة هي واحدة من أكبر التحديات في علم الأعصاب. في الجهاز الحركي، وغالبا ما يشار إلى اكتساب المهارات الحركية الرواية مع الممارسة التعلم الحركي، في حين يعتبر الاحتفاظ المهارات الحركية تعلمت سابقا باسم الذاكرة الحركية 1. تعلم المهارات الحركية الجديدة عادة ما ينعكس في تحسين الأداء الحركي المطلوب مع مرور الوقت، حتى نقطة عند المهارات الحركية إما الكمال أو متسقة بصورة مرضية. بالنسبة لمعظم الحالات، يمكن للذاكرة الحركية المكتسبة تستمر لفترة طويلة من الزمن، حتى في غياب الممارسة. في البشر، وقد أظهرت الدراسات تصوير الأعصاب باستخدام البوزيترون الطبقي لانبعاثات (PET) والتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) أن القشرة الحركية الأولية (M1) التغييرات النشاط خلال مرحلة اكتساب المهارة الحركية التعلم 2-4، والتدخل مؤقتة من النشاط M1 من قبل التردد المنخفض التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة يؤدي إلى signiتعطلت ficantly الاحتفاظ المحركات تحسنا سلوكيا 5. وبالمثل، والتدريب forelimb محددة في الفئران يدفع اللدونة الوظيفية والتشريحية في M1، والتي تجسدت في زيادة كل من نشاط مكتب الاحصاء الاتحادي ج ونسبة المشبك / الخلايا العصبية في المقابل M1 إلى forelimb تدريب أثناء مرحلة متأخرة من المهارات الحركية التعلم 6. علاوة على ذلك، نموذج تدريب مماثل أيضا يقوي طبقة 2/3 وصلات الأفقية في M1 المقابل المقابلة لforelimb المدربين، مما أدى إلى انخفاض التقوية على المدى الطويل (الكمونية) وتعزيز الاكتئاب على المدى الطويل (LTD) بعد الحصول على الفئران المهام 7. هذا التعديل متشابك، ومع ذلك، لا يتم ملاحظتها في المناطق القشرية M1 الموافق forelimb غير مدربين أو hindlimbs 8. بدلا من ذلك، عندما تلف M1 خلال السكتة الدماغية، وهناك أوجه القصور الكبير في forelimb محددة المحركات المهارات 9. في حين أن معظم الدراسات السلوكية الحركية أجريت على البشر، قردق، والجرذان 2-8،10-17 والفئران تصبح نظاما نموذجا جذابا بسبب الوراثة القوية والتكلفة المنخفضة.
هنا نقدم forelimb محددة التعلم الحركي المهارات النموذج: مهمة التوصل إلى واحد بيليه. في هذا النموذج، ويتم تدريب الفئران على تمديد الأمامية من خلال فتحة ضيقة لفهم واسترجاع الكريات الغذائية (بذور الدخن) وضعه في مكان ثابت، وهو سلوك مماثلة لتعلم الرماية، السهام، الرمي، وكرات السلة اطلاق النار في الإنسان. تم تعديل هذه المهمة تمتد من الدراسات السابقة الفئران التي أظهرت نتائج مماثلة بين الفئران والجرذان 18. باستخدام اثنين من الفوتون التصوير عبر الجمجمة، وقد تابعت عملنا السابق ديناميات العمود الفقري شجيري (هياكل بعد المشبكي لنقاط الاشتباك العصبي مثير الأغلبية) مع مرور الوقت خلال هذا التدريب. وجدنا أن دورة تدريبية واحدة أدى إلى ظهور سريع في العمود الفقري شجيري جديدة على الخلايا العصبية الهرمية في المقابل القشرة الحركية إلى forelimb المدربين. Sالتدريب التي تبعت من نفس مهمة التوصل استقرت هذه تفضيلي العمود الفقري الناجم عن التعلم، والتي استمرت لفترة طويلة بعد إنهاء التدريب 19. علاوة على ذلك، العمود الفقري التي برزت خلال التكرار للوصول إلى المهمة تميل إلى التجمع على طول التشعبات، في حين شكلت العمود الفقري أثناء تنفيذ جنبا إلى جنب للوصول إلى مهمة ومهمة المحركات آخر forelimb محددة (أي مهمة التعامل مع المعكرونة) لم الكتلة 20.
في الفيديو الحاضر، ونحن تصف خطوة بخطوة الإعداد لهذا النموذج السلوكي، من الحرمان من الغذاء الأولي لتشكيل وتدريب الحركية. نحن أيضا تصف السلوكيات المشتركة من الفئران خلال عملية تنفيذ هذا النموذج السلوكي، وكيف يتم تصنيف هذه السلوكيات وتحليلها. أخيرا، نحن مناقشة التدابير الاحترازية اللازمة لممارسة مثل هذا النموذج التعلم والقضايا التي يمكن مواجهتها أثناء تحليل البيانات.
Protocol
Representative Results
Discussion
أهمية مرحلة تشكيل:
بسبب زيادة القلق من أن تكون في بيئة غير معروف، فإنه عادة ما يكون من الصعب على الفئران لتدريبهم في بيئة الرواية 21،22. وبالتالي، فإن الهدف من تشكيل هو تعريف الفئران مع غرفة التدريب، والمدرب (أي خفض مستويات…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويدعم هذا العمل من خلال منحة (1R01MH094449-01A1) من المعهد الوطني للصحة العقلية لYZ
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. 신경과학. 153, 249-258 (2008).
