Studie Motorik Lernen durch Einzel-Pellet Erreichen Aufgaben in Mäuse
Summary
Persistent Praxis verbessert die Präzision der Bewegungen koordiniert. Hier stellen wir ein Single-Pellet Erreichen Aufgabe, die bestimmt ist, die Lernen und Gedächtnis von Mäusen forelimb Mann beurteilen.
Abstract
Der Griff nach und Abrufen von Objekten erfordern eine präzise und koordinierte Bewegungen der Motoren in der Vordergliedmaße. Wenn Mäuse werden immer wieder geschult zu erfassen und abzurufen Futterbelohnungen an einer bestimmten Stelle positioniert, ihre Motorleistung (definiert als Genauigkeit und Geschwindigkeit) verbessert die schrittweise im Laufe der Zeit, und Plateaus nach anhaltenden Ausbildung. Sobald diese erreicht Geschick gemeistert wird, wird die weitere Wartung erfordern ständige Praxis. Hier stellen wir ein Single-Pellet Erreichen Aufgabe, den Erwerb und die Wartung von Fach forelimb Bewegungen in Mäusen untersucht. In diesem Video beschreiben wir zunächst das Verhalten der Mäuse, die häufig in diesem Lern-und Gedächtnis Paradigma auftreten, und dann diskutieren, wie diese Verhaltensweisen zu kategorisieren und zu quantifizieren, die beobachteten Ergebnisse. Kombiniert mit Mausgenetik, kann dieses Paradigma als Verhaltens Plattform, um die anatomischen Grundlagen, physiologische Eigenschaften und molekulare Mechanismen von Lernen und Gedächtnis zu erforschen verwendet werden.
Introduction
Das Verständnis der Mechanismen, die Lernen und Gedächtnis ist eine der größten Herausforderungen in der Neurowissenschaft. Im Motorsystem wird der Erwerb von neuen motorischen Fähigkeiten mit der Praxis oft als motorisches Lernen bezeichnet, während die Beibehaltung der zuvor erlernten motorischen Fähigkeiten als Motor Speicher 1 angesehen. Das Erlernen einer neuen motorischen Fertigkeit wird in der Regel zu einer Verbesserung der gewünschten Motorleistung über die Zeit reflektiert, bis zu einem Punkt, wenn die Motorik wird entweder vollkommen oder zufriedenstellend konsistent. In den meisten Fällen können die erfassten Kraftspeicher für einen langen Zeitraum, selbst in Abwesenheit der Praxis anhalten. Bei Menschen wurden bildgebende Studien mit Hilfe der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRI), dass die primären motorischen Kortex (M1) Aktivitätsänderungen während der Akquisitionsphase von motorischen Lernen 4.2 und temporäre Störungen des M1-Aktivität durch gezeigt Niederfrequenz-transkranielle Magnetstimulation führt zu significantly gestört Eigentums Motor Verhaltensverbesserung 5. Ebenso Vorderbein-spezifische Ausbildung in Ratten induziert funktionelle und anatomische Plastizität im M1, durch die Erhöhung sowohl der c-fos-Aktivität und Synapse / Neuron-Verhältnis in der kontralateralen M1 zum ausgebildeten Vorderbein während der späten Phase der motorischen Lern 6 veranschaulicht. Zudem stärkt eine ähnliche Ausbildung Paradigma auch Schicht 2/3 horizontale Verbindungen in der kontralateralen M1, die der ausgebildete Vorderbein, was zu einer verringerten Langzeitpotenzierung (LTP) und verbesserte Langzeitdepression (LTD), nachdem Ratten die Aufgaben 7 erwerben. Wie synaptische Modifikation ist jedoch nicht in der M1 kortikalen Regionen, die untrainierten forelimb oder Hinterbeine 8 beobachtet. Alternativ, wenn der M1 wird durch Schlaganfall geschädigt, gibt es dramatische Mängel in forelimb bestimmten Motor-Fähigkeiten 9. Während die meisten der Motorverhaltensstudien am Menschen, Affen durchgeführts und Ratten 2-8,10-17, Mäuse zu einem attraktiven Modellsystem wegen seiner leistungsfähigen Genetik und niedrigen Kosten.
Hier präsentieren wir eine Vordergliedmaße bestimmten Motor-skill Lernparadigma: ein Single-Pellet Erreichen Aufgabe. In diesem Paradigma werden Mäuse trainiert, ihre Vorderbeine durch einen engen Spalt erweitern zu erfassen und abzurufen Futterpellets (Hirse) an einem festen Standort, ein Verhalten analog zu lernen Bogenschießen, Dart-Werfen und Schießen Basketbälle in der menschlichen positioniert. Das Erreichen Aufgabe hat aus früheren Studien an Ratten, die ähnliche Ergebnisse zwischen Mäusen und Ratten gezeigt haben, 18 geändert. Mit Zwei-Photonen-Imaging transkranielle hat unsere bisherige Arbeit die Dynamik der dendritischen Dornen (postsynaptischen Strukturen für die meisten Synapsen) über die Zeit während dieser Ausbildung folgten. Wir fanden, dass eine einzige Trainingseinheit führte zu schnellem Auftauchen neuer dendritischen Dornen auf Pyramidenzellen im motorischen Kortex kontralateral zur ausgebildeten Vordergliedmaße. Subsequent Ausbildung von der gleichen reichende Aufgabe bevorzugt stabilisiert diese Lern-induzierte Stacheln, die hielt sich noch lange nach dem Training beendet 19. Außerdem Stacheln, die während der Wiederholungen erreicht Aufgabe entstanden eher entlang Dendriten Cluster, während Stacheln während Tandemausführung zu erreichen Aufgabe und anderen Vorderbein spezifische motorische Aufgabe (dh der Pasta Handhabungsaufgabe) gebildet hat nicht cluster 20.
In dem vorliegenden Video beschreiben wir Schritt-für-Schritt den Aufbau dieser Verhaltens Paradigma, von der ersten Nahrungsentzug der Formgebung und Motortraining. Wir beschreiben auch die gemeinsame Verhalten von Mäusen, die während des Prozesses der Ausführung dieses Verhaltensparadigma, und wie diese Verhaltensweisen kategorisiert und analysiert. Schließlich diskutieren wir die Vorsorgemaßnahmen notwendig, um eine solche Lernparadigma zu üben und die Probleme, die bei der Datenanalyse auftreten können.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bedeutung der Formungsphase:
Wegen erhöhter Angst entfernt, in einer fremden Umgebung, ist es gewöhnlich schwierig, Mäusen in einer neuen Umgebung 21,22 ausgebildet. Daher ist das Ziel der Formung zu Mäusen, die mit dem Ausbildungskammer eingeführt, der Trainer (dh ihre Angst Ebenen zu reduzieren), und die Aufgabenanforderungen (dh Samen als Nahrungsquelle zu identifizieren). Ein weiteres Ziel der Formgebung ist es, die bevorzugte Glieder der einzelnen Mäuse f…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wird durch einen Zuschuss (1R01MH094449-01A1) aus dem National Institute of Mental Health, um YZ unterstützt
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).
