מיומנות מוטורית חקר למידה על ידי משימות להגיע חד גלולה בעכברים
Summary
תרגול מתמשך משפר את הדיוק של תנועות מתואמות. כאן אנחנו מציגים את משימה להגיע יחידה גלולה, שנועדה להעריך את כישורי למידה וזיכרון של forelimb בעכברים.
Abstract
אובייקטים שהגיעו ולאחזור דורשים תנועות מוטוריות מדויקות ומתואמת בforelimb. כאשר עכברים מאומנים שוב ושוב כדי להבין ולאחזר תגמולים מזון ממוקמים במיקום מסוים, הביצועים שלהם מנוע (מוגדר כדיוק ומהירות) משפר בהדרגה לאורך זמן, ומישורים לאחר אימון מתמשך. ברגע שמיומנות לכת כאלה היא שולט, האחזקה נוספת שלה אינה דורשת תרגול קבוע. כאן אנחנו מציגים את המשימה להגיע יחידה גלולה ללמוד הרכישה ותחזוקה של תנועות forelimb מיומנים בעכברים. בסרטון הזה, אנו מתארים ראשון התנהגויות של עכברים, כי הם נתקלו בדרך כלל בפרדיגמה למידה והזיכרון הזה, ולאחר מכן לדון כיצד לקטלג התנהגויות אלו ולכמת את התוצאות שנצפו. בשילוב עם גנטיקה עכבר, פרדיגמה זו יכולה להיות מנוצל כפלטפורמה התנהגותית כדי לחקור את הבסיס האנטומי, תכונות פיסיולוגיות, ומנגנונים מולקולריים של למידה וזיכרון.
Introduction
הבנת מנגנוני הלמידה בסיסית וזיכרון היא אחד האתגרים הגדולים ביותר במדעי המוח. במערכת המוטורית, רכישת מיומנויות מוטוריות רומן עם פרקטיקה המכונית לעתים קרובות כלמידה מוטורית, ואילו השמירה על מיומנויות מוטוריות למדו בעבר הוא נחשבה לזיכרון מוטורי 1. לומד מיומנות מוטורית חדשה בדרך כלל בא לידי ביטוי בשיפור בביצועי מנוע רצוי לאורך זמן, עד לנקודה שבה המיומנות המוטורית היא גם שלמות או באופן משביע רצון עקבי. ברוב המקרים, הזיכרון המוטורי רכש יכול להימשך תקופה ארוכה של זמן, גם בהיעדרו של תרגול. בבני אדם, מחקרים הדמייה באמצעות טומוגרפיה פליטת פוזיטרונים (PET) ותהודה מגנטית תפקודית (fMRI) הראו כי קליפת המוח מוטורי ראשונית (M1) שינויים בפעילות במהלך שלב רכישת המיומנות מוטורית לומדת 2-4, והפרעות זמניות של פעילות M1 ידי גרייה מגנטית בתדר נמוך מובילה לsignificantly שיבש שמירה של שיפור התנהגותי מנוע 5. בדומה לכך, הכשרת forelimb הספציפי בחולדות גורמת פלסטיות תפקודית ואנטומיים בM1, שהודגמה על ידי העלייה של שתי פעילות C-FOS ויחס סינפסה / נוירון בנגדי M1 לforelimb המאומן בשלב מאוחר של מיומנות המוטורית למידה 6. יתר על כן, הפרדיגמה הכשרה דומה גם מחזקת את השכבה 2/3 חיבורים אופקיים בM1 הנגדי המקבילים לforelimb המאומן, וכתוצאה מכך הגברה מופחתת לטווח ארוך (LTP) ודיכאון ארוך טווח משופר (בע"מ) לאחר חולדות לרכוש את המשימות 7. שינוי הסינפטי כזה, לעומת זאת, לא נצפה באזורים בקליפת המוח M1 המתאימים forelimb או hindlimbs 8 לא מאומנים. לחלופין, כאשר M1 פגום באמצעות שבץ, יש ליקויים דרמטיים בforelimb מוטורי מיומנויות ספציפיות 9. בעוד שרוב המחקרים התנהגותיים המוטוריים שנערכו על בני אדם, קוףים, וחולדות 2-8,10-17, עכברים הפכו מערכת מודל אטרקטיבית בגלל הגנטיקה החזקה שלה והעלות נמוכה.
כאן אנו מציגים פרדיגמה למידה מוטורית מיומנות forelimb ספציפי: משימה להגיע יחידה גלולה. בפרדיגמה זו, עכברים מאומנים להאריך forelimbs דרך פתח צר להבנה ולאחזר כדורי מזון (זרעי דוחן) ממוקמים במיקום קבוע, התנהגות מקבילה ללימוד חץ וקשת, חץ זריקת, וכדורי סל ירי באדם. משימה להגיע לזה שונה ממחקרים קודמים עכברוש שהראו תוצאות דומות בין עכברים וחולדות 18. באמצעות ההדמיה transcranial שני פוטונים, העבודה הקודמת שלנו יש אחרי הדינמיקה של קוצים הדנדריטים (מבני postsynaptic לסינפסות מעוררות הרוב) לאורך זמן באימונים. מצאנו שאימון אחד הוביל להופעתם המהירה של קוצים הדנדריטים חדשים על נוירונים פירמידליים בנגדי הקורטקס המוטורי לforelimb המאומן. Sאימון ubsequent של אותה המשימה להגיע מעדיף התייצב קוצים מושרה מידה אלה, שנמשך זמן רב לאחר אימון הופסק 19. יתר על כן, עמוד השדרה שצצה במהלך חזרות להגיע למשימה נטתה אשכול לאורך הדנדריטים, ואילו עמוד השדרה נוצרה במהלך ביצוע בד בבד להגיע למשימה ומשימה אחרת forelimb הספציפי מוטורית (כלומר את משימת טיפול פסטה) לא אשכול 20.
בסרטון הנוכחי, אנו מתארים צעד אחר צעד ההתקנה של הפרדיגמה ההתנהגות הזה, ממניעת המזון הראשונית לעיצוב, ולאימון מוטורי. אנו גם מתארים את ההתנהגויות הנפוצות של עכברים במהלך התהליך של ביצוע הפרדיגמה ההתנהגות הזה, וכיצד התנהגויות אלה מסווגות ונותחו. לבסוף, אנו דנים באמצעי הזהירות הדרוש כדי לתרגל את הפרדיגמה כגון למידה והבעיות שעלולות להיות נתקל במהלך נתונים מנתח.
Protocol
Representative Results
Discussion
חשיבותו של שלב העיצוב:
בגלל חרדה מוגברת מלהיות בסביבה לא מוכרת, קשה בדרך כלל לעכברים להיות מאומנים בסביבת רומן 21,22. לכן, המטרה של עיצוב היא להכיר עכברים עם חדר האימונים, המאמן (כלומר להפחית את רמות החרדה שלהם), ואת דרישות ה?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי מענק (1R01MH094449-01A1) מהמכון הלאומי לבריאות הנפש לYZ
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. Neuroscience. 153, 249-258 (2008).
