Исследование двигателя навык Обучение на Single-гранул Достижение Задачи у мышей
Summary
Стойкая практика улучшает точность координированных движений. Здесь мы вводим одного гранул идущие задачи, которая предназначена для оценки обучения и памяти из передних конечностей мастерство у мышей.
Abstract
Достижение и извлечение объекты требуют точных и скоординированных движений двигателя в передней конечности. Когда мышей неоднократно обучены понять и получить продовольственные награды, расположенных в определенном месте, их производительность двигателя (определяется как точность и скорость) улучшает постепенно с течением времени, и плато после упорных тренировок. Как только такая достижения умение освоено, его дальнейшее обслуживание не требует постоянной практики. Здесь мы вводим одного гранул идущие задачи для изучения приобретению и сохранению квалифицированных движений передних конечностей у мышей. В этом видео, мы сначала описать поведение мышей, которые обычно встречаются в этой обучения и памяти парадигмы, а затем обсудить, как классифицировать эти поведения и количественно наблюдаемые результаты. В сочетании с генетикой мыши, эта парадигма может быть использован в качестве поведенческой платформой для изучения анатомических основ, физиологические свойства и молекулярные механизмы обучения и памяти.
Introduction
Понимание механизмов, лежащих обучения и памяти является одним из самых больших проблем в области неврологии. В двигательной системы, приобретение новых двигательных навыков с практикой часто называют в качестве моторного обучения, в то время как сохранение ранее изученных двигательных навыков рассматривается в качестве моторного памяти 1. Изучение нового двигательного навыка обычно отражается в улучшении желаемой производительности двигателя в течение долгого времени, до точки, когда двигательных навыков либо совершенного или удовлетворительно последовательной. В большинстве случаев, приобрела моторная память может сохраняться в течение длительного периода времени, даже в отсутствие практики. У людей, нейровизуализации исследования с использованием позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и функциональной магнитно-резонансной томографии (МРТ), показали, что основной двигательной области (M1) изменения активности во время фазы приобретения двигательного навыка обучения 2-4, и временное нарушение деятельности М1 по низкочастотный транскраниальная магнитная стимуляция приводит к СИГВВПficantly нарушается сохранение улучшение поведения двигателя 5. Точно так же, передних конечностей-специальная подготовка у крыс вызывает функциональное и анатомическое пластичность в M1, примером которых может служить увеличению как с-ФОС деятельности и отношение синапс / нейрона в контралатеральной M1 к подготовленным передних конечностей во время поздней фазы двигательного навыка обучения 6. Кроме того, подобная подготовка парадигма также укрепляет уровня 2/3 горизонтальных связей в противоположной М1, соответствующие тренированного передних конечностей, что приводит к снижению долгосрочного потенцирования (LTP) и повышения долгосрочного депрессии (ООО) после крысы приобрести задач 7. Такое синаптической модификации, однако, не наблюдается в областях коры М1, соответствующих неопытного передней конечности или задних конечностей 8. Альтернативно, когда M1 поврежден через инсульта, есть драматические недостатки в передних конечностей конкретных двигательных навыков 9. В то время как большинство автомобильных поведенческих исследований были проведены на люди, обезьяныс, и крысы 2-8,10-17, мыши стать привлекательной моделью системы из-за его мощных генетики и низкой стоимости.
Здесь мы представляем передних конечностей конкретных мотор-умение обучения парадигму: один-гранул достижении задач. В этой парадигме, мыши обучаются расширить свои передние конечности через узкую щель, чтобы понять и извлечь пищевые гранулы (семена проса), расположенных на фиксированном месте, поведения, аналогичного обучения стрельба из лука, дартс бросанием и съемки баскетбольные мячи в человека. Это достижение задача была изменена из предыдущих исследований крыс, которые показали схожие результаты между мышей и крыс 18. Использование транскраниальной визуализации двухфотонную, наша предыдущая работа вслед за динамикой дендритных шипиков (постсинаптические структуры для большинства возбуждающих синапсов) в течение долгого времени в течение этого обучения. Мы обнаружили, что один сеанс обучения привело к быстрому появлению новых дендритных шипиков на пирамидальных нейронов в моторной коре, контралатеральный тренированного передних конечностей. Subsequent обучение той же идущей задачи преимущественно стабилизировалась эти учебные вызванной шипами, которые продолжалась еще долгое время после тренировки прекращены 19. Кроме того, шипы, которые возникли во время повторов достижения задачи, как правило, группируются вместе дендритов, в то время как шипы, образованные во время выполнения тандем достижения задачи и другой передних конечностей конкретных двигателя задачи (т.е. задачи обработки паста) не кластер 20.
В настоящем видео, мы опишем шаг за шагом настройки данного поведенческого парадигмы, от начального пищевой депривации на формирование и подготовку двигателя. Мы также описываем общие поведение мышей в процессе выполнения этой поведенческой парадигмы, и как это поведение классифицированы и проанализированы. Наконец, мы обсуждаем меры предосторожности, необходимые на практике такой обучения парадигму и вопросы, которые могут возникнуть во время анализа данных.
Protocol
Representative Results
Discussion
Важность формирования фазы:
Из-за повышенной тревожности от находясь в незнакомой обстановке, как правило, трудно для мышей обучаться в новой среде 21,22. Таким образом, цель формирования является ознакомление мышей с учебной камере, тренер (т.е. уменьшить их уров?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа поддержана грантом (1R01MH094449-01A1) из Национального института психического здоровья в 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. Neuroscience. 153, 249-258 (2008).
