Étude habiletés motrices apprentissage par simple granulés tâches Atteindre chez la souris
Summary
Pratique persistante améliore la précision des mouvements coordonnés. Ici, nous introduisons une tâche d'atteindre un seul culot, qui est conçu pour évaluer l'apprentissage et la mémoire des membres antérieurs compétences chez les souris.
Abstract
Atteinte pour la récupération des objets et exigent des mouvements de motricité précises et coordonnées dans le membre antérieur. Lorsque les souris sont formés à plusieurs reprises pour saisir et récupérer des récompenses alimentaires placés à un endroit spécifique, leur performance du moteur (défini comme la précision et la vitesse) améliore progressivement au fil du temps, et les plateaux après la formation persistante. Une fois cette compétence est maîtrisée atteindre, outre son entretien ne nécessite pas une pratique constante. Ici, nous introduisons une tâche d'atteindre un seul culot d'étudier l'acquisition et l'entretien des mouvements des membres antérieurs qualifiés chez les souris. Dans cette vidéo, nous décrivons d'abord les comportements de souris qui sont couramment rencontrées dans ce paradigme apprentissage et la mémoire, puis discuter de la façon de classer ces comportements et de quantifier les résultats observés. Combiné avec la génétique de la souris, ce paradigme peut être utilisé comme une plate-forme de comportement à explorer les fondements anatomiques, propriétés physiologiques et les mécanismes moléculaires de l'apprentissage et de la mémoire.
Introduction
Comprendre les mécanismes de l'apprentissage et de la mémoire sous-jacente est l'un des plus grands défis en neurosciences. Dans le système de moteur, l'acquisition de nouvelles habiletés motrices avec la pratique est souvent désigné comme l'apprentissage moteur, alors que le maintien des habiletés motrices déjà apprises est considéré comme la mémoire du moteur 1. Apprendre une nouvelle compétence de moteur se traduit généralement par une amélioration de la performance du moteur souhaitée au fil du temps, jusqu'à un point où la motricité est soit perfectionné ou satisfaisante cohérente. Pour la plupart des cas, la mémoire de moteur acquis peut persister pendant une longue période de temps, même en l'absence de la pratique. Chez l'homme, des études de neuro-imagerie utilisant la tomographie d'émission de positons (TEP) et l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) ont montré que le cortex moteur primaire (M1) des changements d'activité au cours de la phase d'acquisition du moteur compétence apprentissage 2-4, et l'ingérence temporaire d'activité M1 par basse fréquence de stimulation magnétique transcrânienne conduit à significantly perturbé rétention de moteur amélioration du comportement 5. De même, une formation spécifique des membres antérieurs chez le rat induit plasticité fonctionnelle et anatomique dans le M1, comme en témoigne l'augmentation à la fois de l'activité de c-fos et rapport synapse / neurone dans le controlatéral M1 à la patte antérieure formée au cours de la phase tardive de moteur compétence d'apprentissage 6. En outre, un paradigme de formation similaire renforce également la couche 2/3 des connexions horizontales dans le M1 controlatéral correspondant à la patte antérieure formés, ce qui réduit la potentialisation à long terme (LTP) et le renforcement de la dépression à long terme (LTD) après rats acquérir les tâches 7. Cette modification synaptique, cependant, n'est pas observée dans les régions corticales M1 correspondant à la patte avant sans formation ou postérieurs 8. Sinon, lorsque le M1 est endommagé par accident vasculaire cérébral, il ya des lacunes dramatiques membres antérieurs habiletés motrices spécifiques 9. Alors que la plupart des études sur le comportement du moteur ont été menées sur l'homme, le singes, et les rats 2-8,10-17, les souris deviennent un système de modèle attrayant en raison de sa génétique puissants et à faible coût.
Nous présentons ici une patte antérieure spécifique l'apprentissage des habiletés motrices paradigme: une tâche d'atteindre un seul culot. Dans ce paradigme, les souris sont formés pour étendre leurs pattes avant à travers une fente étroite pour saisir et récupérer des boulettes de nourriture (graines de millet) placées à un endroit fixe, un comportement analogue à l'arc, fléchettes jets, et de basket de tir à l'homme d'apprentissage. Cette tâche atteindre a été modifié depuis les études de rat précédentes qui ont montré des résultats similaires entre les souris et les rats 18. En utilisant deux photons imagerie transcrânienne, notre travail précédent a suivi la dynamique des épines dendritiques (structures post-synaptiques excitateurs pour synapses majoritaire) dans le temps au cours de cette formation. Nous avons constaté que d'une seule session de formation a conduit à l'émergence rapide de nouvelles épines dendritiques sur les neurones pyramidaux dans la controlatéral du cortex moteur à la patte antérieure formés. Sformation de ubsequent de la même tâche pour atteindre stabilisé préférentiellement ces épines induite apprentissage, qui a persisté longtemps après la formation terminée 19. En outre, des épines qui ont émergé au cours des répétitions d'atteindre tâche ont tendance à se regrouper le long des dendrites, tandis que les épines formées pendant l'exécution du tandem d'atteindre tâche et une autre tâche motrice spécifique-pattes avant (c'est à dire la tâche de manipulation de pâtes) ne regroupent 20.
Dans la présente vidéo, nous décrivons étape par étape de la configuration de ce paradigme comportemental, de la privation de nourriture initiale de mise en forme, et à la formation du moteur. Nous décrivons également les comportements communs de souris au cours du processus de l'exécution de ce paradigme comportemental, et comment ces comportements sont classés et analysé. Enfin, nous discutons des mesures de précaution nécessaires pour pratiquer un tel paradigme de l'apprentissage et les problèmes qui peuvent être rencontrés lors de l'analyse des données.
Protocol
Representative Results
Discussion
Importance de la phase de mise en forme:
En raison de l'anxiété accrue d'être dans un environnement inconnu, il est généralement difficile pour les souris à être formés dans un nouvel environnement 21,22. Par conséquent, l'objectif de la mise en forme est de familiariser les souris avec la chambre de formation, le formateur (réduire leurs niveaux d'anxiété), et les exigences de la tâche (c'est à dire d'identifier les semences co…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail est soutenu par une subvention (1R01MH094449-01A1) de l'Institut national de la santé mentale à 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. 신경과학. 153, 249-258 (2008).
