Farelerde Tek pelet ulaşan Görevleri ile öğrenme Çalışması Motor Beceri
Summary
Kalıcı uygulama koordine hareketlerin hassasiyetini artırır. Burada farelerde öğrenme ve hafıza ön ayakları beceri değerlendirmek için tasarlanmış bir tek tablet ulaşan görevi tanıtmak.
Abstract
Ulaşan ve alma nesneleri ayakları hassas ve koordine motor hareketleri gerektirir. Fareler tekrar tekrar kavramak ve kalıcı eğitim sonrasında gıda belirli bir yerde konumlandırılmış ödülleri, (doğruluk ve hız olarak tanımlanan) onların motor performansı zamanla giderek artırır ve platolar almak için eğitilmiştir zaman. Böyle ulaşan beceri hakim sonra, onun daha da bakım sabit uygulama gerektirmez. Burada farelerde yetenekli ön ayakları hareketleri satın alma ve bakım çalışma tek pelet ulaşan görevi tanıtmak. Bu videoda, ilk sık bu öğrenme ve hafıza paradigma karşılaşılan farelerin davranışlarını tanımlamak, ve daha sonra bu davranışları sınıflandırmak ve gözlenen sonuçlarını ölçmek için nasıl tartışacağız. Fare genetik ile birlikte, bu paradigma anatomik temellerinin, fizyolojik özelliklerini, öğrenme ve hafızanın moleküler mekanizmalarını keşfetmek için davranışsal bir platform olarak kullanılabilir.
Introduction
Altında yatan mekanizmaların öğrenme ve bellek Anlamak nörobilim büyük zorluklardan biridir. Önceden öğrenilmiş motor becerilerinin tutma Motor bellek 1 olarak kabul edilir ise motor sisteminde, uygulama ile yeni motor becerilerin edinimi genellikle, motor öğrenme olarak adlandırılır. Bir motor beceri öğrenme, genellikle, zaman içinde istenen motor performansının iyileştirilmesi yansıtılır, motor beceri mükemmel biçimde uygun olduğu ya da ya da bir noktaya kadar. Çoğu durumda, elde edilen motor bellek bile uygulama yokluğunda, uzun bir süre boyunca devam edebilir. İnsanlarda, pozitron emisyon tomografisi (PET) ve fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI) kullanarak beyin görüntüleme çalışmaları, 2-4 öğrenme, motor beceri edinimi aşamasında birincil motor korteks (M1) faaliyet değişikliği ve M1 faaliyetin geçici girişim tarafından göstermiştir düşük frekanslı transkranial manyetik stimülasyon signi yol açarficantly motorlu davranışsal iyileştirme 5 tutulmasını bozulur. Benzer bir şekilde, sıçanlarda ön ayakları özgü eğitim 6, öğrenme, motor beceri geç aşamasında, eğitimli ayakları için M1 Kontrlateral c-fos aktivitesi ve sinaps / nöron oranı her ikisinin de artış ile örneklenen, M1 işlevsel ve anatomik plastisite neden olur. Ayrıca, benzer bir eğitim paradigma da sıçan görevleri 7 elde sonra indirgenmiş, uzun süreli potansiyasyon (LTP) ve geliştirilmiş uzun süreli depresyon (LTD) ile sonuçlanan, kat eğitimli ayakları karşılık gelen karşı taraftaki M1 içinde 2/3 yatay bağlantı güçlendirir. Bu gibi modifikasyon sinaptik Ancak eğitimsiz ayakları ya da arka ayaklarında 8'e karşılık gelen M1 kortikal bölgelerinde gözlenmemiştir. M1 inme yoluyla bozuk olduğunda, alternatif olarak, ön ayakları spesifik motor becerileri 9 dramatik eksiklikler bulunmaktadır. Motor davranışsal çalışmaların çoğu insan, maymun üzerinde yapılmıştır das ve sıçanlar 2-8,10-17, farenin çünkü güçlü genetik ve düşük maliyetli bir model sistem cazip hale gelir.
Bir tek pelet ulaşan görev: Burada bir ön ayakları spesifik motor-beceri öğrenme paradigmasını sunuyoruz. Bu paradigmada, fareler sabit bir yerde, okçuluk, dart atma, ve insan çekim basketbol öğrenmeye benzer bir davranış yerleştirilmiş gıda pelet (darı tohum) kavramak ve almak için dar bir yarık aracılığıyla ön ayakları uzatmak için eğitilmiştir. Bu görev ulaşan fareler ve sıçanlar 18 arasında benzer sonuçlar göstermiştir daha önceki çalışmalardan elde edilen sıçan modifiye edilmiştir. İki foton transkranial görüntüleme kullanarak, bizim önceki iş bu eğitim sırasında zamanla dendritik dikenler (çoğunluk uyarıcı sinapsların için postsinaptik yapılar) dinamiklerini takip etmiştir. Biz tek bir eğitim oturumu eğitimli ayakları için motor korteks Kontrlateral piramidal nöronlar yeni dendritik dikenler hızla ortaya çıkmasına neden olduğunu buldu. SAynı ulaşan görevin ubsequent eğitimi tercihen eğitim 19 sonlandırıldı süre sonra kalıcı olan, bu öğrenme kaynaklı dikenleri stabilize. Görevi ulaşma tandem yürütülmesi ve (makarna taşıma görevi yani) başka ön ayakları-spesifik motor görevi sırasında oluşan dikenleri 20 küme yoktu oysa Ayrıca, görevi ulaşan tekrarlar sırasında ortaya çıkan dikenleri, dendritler boyunca küme eğilimindeydi.
Mevcut video, ilk gıda yoksunluğu şekillendirme için, adım adım bu davranış paradigmanın kurulum tanımlamak, ve motor eğitimi için. Biz de bu davranışsal paradigma yürütme sürecinde farelerin ortak davranışları tanımlamak ve nasıl bu davranışları kategorize ve analiz edilir. Son olarak, böyle bir öğrenme paradigması uygulama için gerekli önlemler ve veri analizleri sırasında karşılaşılabilecek sorunları tartışmak.
Protocol
Representative Results
Discussion
Şekillendirme fazının önemi:
Farelere yeni bir çevrede 21,22 eğitilecek için çünkü bilinmeyen bir ortamda olmaktan artan kaygı, genellikle zordur. Bu nedenle, şekillendirme amacı eğitim odası ile fareleri tanımak için, eğitmen (yani onların kaygı düzeylerini düşürmek), ve görev gereksinimleri (yani besin kaynağı olarak tohum belirlemek için). Şekillenmesinde bir diğer amacı, gelecekteki eğitim için tek tek farelerin tercih edilen uzu…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma YZ Ruh Sağlığı Ulusal Enstitüsü'nden bir hibe (1R01MH094449-01A1) tarafından desteklenmektedir
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).
