الاستحواذ على الدقة التي تتطلب مهارات عالية Forelimb الوصول إلى العمل في الجرذان
Summary
A paradigm is presented to analyze the acquisition of a high-precision skilled forelimb reaching task in rats.
Abstract
Movements are the main measurable output of central nervous system function. Developing behavioral paradigms that allow detailed analysis of motor learning and execution is of critical importance in order to understand the principles and processes that underlie motor function. Here we present a paradigm to study movement acquisition within a daily session of training (within-session) representing the fast learning component and primary acquisition as well as skilled motor learning over several training sessions (between-session) representing the slow learning component and consolidation of the learned task. This behavioral paradigm increases the degree of difficulty and complexity of the motor skill task due to two features: First, the animal realigns its body prior to each pellet retrieval forcing renewed orientation and preventing movement execution from the same angle. Second, pellets are grasped from a vertical post that matches the diameter of the pellet and is placed in front of the cage. This requires a precise grasp for successful pellet retrieval and thus prevents simple pulling of the pellet towards the animal. In combination with novel genetics, imaging and electrophysiological technologies, this behavioral method will aid to understand the morphological, anatomical and molecular underpinnings of motor learning and memory.
Introduction
مراقبة الحركة هي الوظيفة الأساسية للجهاز العصبي المركزي (CNS). قدرة التحرك هو الإخراج قياس الرئيسي من وظيفة الجهاز العصبي المركزي وإمكانية الرئيسية للأفراد للتفاعل مع العالم الخارجي. فهم المبادئ وظيفة الحركة والآليات التي تكمن وراء التعلم من مهمة المحرك هو حاليا واحدة من التحديات الكبرى في علم الأعصاب. تم العثور على التغيرات المورفولوجية والفسيولوجية والجزيئية على الاستحواذ على المهمة السيارات الجديدة. على سبيل المثال، وشكل وعدد من نقاط الاشتباك العصبي تتغير استجابة لتدريب المحرك المهرة 1-5، ووحظت تغييرات وظيفية للأجهزة متشابك بعد التعلم الحركي. وكانت ردود متشابك العليا في الاتصالات في المنطقة التي تمثل forelimb من القشرة الحركية تدريب بالمقارنة مع نصف الكرة غير مدربين من نفس الحيوان أو ردود من الحيوانات غير المدربة 6،7. الملاحظات الكهربية أيضا تشير إلى أن التقوية على المدى الطويل (LTP) ومنذ فترة طويلةالاكتئاب الاجل (LTD) مثل آليات تجري خلال التعلم من المهارات الحركية الجديدة، وأن مجموعة من العملية متشابك، والذي يعرف بين حدود الحد من LTP وLTD التشبع، يتم تعديل 8. وعلاوة على ذلك، فقد تبين أن علامات النشاط واللدونة تعزيز الجزيئات مثل c-منظمات المزارعين، GAP-43، أو BDNF ولكن أيضا اللدونة الجزيئات تمنع مثل الأدوار التنظيمية Nogo-A العرض للذات الصلة التعلم العصبية اللدونة 9-16.
ويمكن تحقيق هذا التقدم نحو فهم أفضل للآليات الكامنة وراء التعلم الحركي فقط مع استخدام النماذج السلوكية التي تسمح بالتحكم الدقيق في الاستحواذ على المهارات الحركية الجديدة، على سبيل المثال، المهرة forelimb-تصل. فقط مهمة السلوكية منظم بشكل جيد يسمح لرصد والتقاط التغيرات المترابطة التي تحدث على التعلم وتنفيذ المهمة منها. نحن هنا لشرح بصريا نسخة معدلة من forelimb المهرةواحد بيليه مهمة التوصل في الفئران مقتبس من بويتراغو وآخرون. (17) نموذج عرض يسمح للتحليل اكتساب الحركة داخل دورة تدريبية اليومية (في الدورة) الذي يمثل عنصر التعلم السريع واكتساب الأساسي فضلا عن التعلم الحركي المهرة على مدى عدة جلسات (بين الدورة) التي تمثل المكون بطء التعلم وصيانة المهمة المستفادة 18. الأهم من ذلك، هذا النموذج السلوكي يزيد من درجة صعوبة وتعقيد المهمة المهارات الحركية بسبب ميزتين: أولا، يتم تدريب الفئران على الالتفاف محور بهم بعد كل فهم، وبالتالي إلى إعادة تنظيم الجسم قبل وصول بيليه القادم وتجديد التوجه الجسم، ومنع تنفيذ حركة مستمرة من نفس الزاوية. ثانيا، يتم استرداد الكريات من وظيفة العمودية وضعت أمام القفص. نظرا لقطرها صغير من آخر، والكريات يمكن بسهولة انطلقت تتطلب فهم دقيق لاسترجاع ناجحة وصreventing سحب بسيطة من بيليه تجاه الحيوانات.
هذا الاختبار السلوكي معقد يسمح سبر اغوار الآليات الكامنة وراء التعلم الحركي. بالمقارنة مع الفئران والجرذان هي متفوقة في أدائها للمهام سلوكية معقدة، وبالتالي أكثر ملاءمة للنماذج معقدة كما وردت في هذه الدراسة. وبالنظر إلى الاحتمالات الوراثية المتزايدة المتاحة للفئران 19،20، فإن الجمع بين طرق الاختبار السلوكي دقيقة وتسيطر عليها بشكل جيد مع التلاعب الجيني والتصوير وتقنيات الفسيولوجية يمثل مجموعة أدوات قوية لفهم أفضل للأساس العصبية الحيوية من التعلم الحركي والذاكرة.
Protocol
Representative Results
Discussion
ويتم تكييف النموذج هو مبين في هذه الدراسة من بويتراغو وآخرون 18 ويختلف عن بيليه واحد الكلاسيكية الوصول إلى نموذج 17 أساسا في جانبين:
أولا، ودراسة تحسين في الدورة يسمح تحليل المهمة المستفادة في غضون يوم واحد، والتي …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد تم تمويل هذا العمل من المنح المقدمة من مؤسسة العلوم الوطنية السويسرية (المنحة 31003A-149315-1 لMES ومنح IZK0Z3-150809 الألف إلى الياء)، إلى AZ مؤسسة هايدي Demetriades، لميس في المجلس الأوروبي للبحوث ('Nogorise') و كريستوفر ودانا ريف مؤسسة (CDRF).
Materials
| 1 | Training Box | Self Made | |
| 2 | Pedestal | Self Made | |
| 3 | Sugar Pellets | 45-mg dustless precision pellets, TSE Systems Intl. Group | |
| 4 | Animals | 5-6 week old Sprague Dawley Male Rats | |
| 5 | Laptop | Hewlett Packard | |
| 6 | Stop Watch | ||
| 7 | Forceps | Fine Science Tools (FST) | |
| 8 | Software | Excel (Microsoft), GraphPad Prism (GraphPad) | |
| 9 | Weighing scale | ||
| 10 | Counter | ||
References
- 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).
- Fu, M., Zuo, Y. Experience-dependent structural plasticity in the cortex. Trends in neurosciences. 34, 177-187 (2011).
- Holtmaat, A., Svoboda, K. Experience-dependent structural synaptic plasticity in the mammalian brain. Nature reviews. Neuroscience. 10, 647-658 (2009).
- Xu, T., et al. Rapid formation and selective stabilization of synapses for enduring motor memories. Nature. 462, 915-919 (2009).
- Yu, X., Zuo, Y. Spine plasticity in the motor cortex. Current opinion in neurobiology. 21, 169-174 (2011).
- 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. Nature neuroscience. 1, 230-234 (1998).
- Rioult-Pedotti, M. S., Donoghue, J. P., Dunaevsky, A. Plasticity of the synaptic modification range. Journal of neurophysiology. 98, 3688-3695 (2007).
- Fritsch, B., et al. Direct current stimulation promotes BDNF-dependent synaptic plasticity: potential implications for motor learning. Neuron. 66, 198-204 (2010).
- Ghiani, C. A., Ying, Z., de Vellis, J., Gomez-Pinilla, F. Exercise decreases myelin-associated glycoprotein expression in the spinal cord and positively modulates neuronal growth. Glia. 55, 966-975 (2007).
- Josephson, A., et al. Activity-induced and developmental downregulation of the Nogo receptor. Cell and tissue research. 311, 333-342 (2003).
- Karlen, A., et al. Nogo receptor 1 regulates formation of lasting memories. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 106, 20476-20481 (2009).
- Kleim, J. A., Lussnig, E., Schwarz, E. R., Comery, T. A., Greenough, W. T. Synaptogenesis and Fos expression in the motor cortex of the adult rat after motor skill learning. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 16, 4529-4535 (1996).
- Mironova, Y. A., Giger, R. J. Where no synapses go: gatekeepers of circuit remodeling and synaptic strength. Trends in neurosciences. 14, 7-23 (2013).
- Park, H., Poo, M. M. Neurotrophin regulation of neural circuit development and function. Nature reviews. Neuroscience. 14, 7-23 (2013).
- Zemmar, A., et al. Neutralization of Nogo-A enhances synaptic plasticity in the rodent motor cortex and improves motor learning in vivo. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 34, 8685-8698 (2014).
- Whishaw, I. Q., Pellis, S. M. The structure of skilled forelimb reaching in the rat: a proximally driven movement with a single distal rotatory component. Behavioural brain research. 41, 49-59 (1990).
- Buitrago, M. M., Ringer, T., Schulz, J. B., Dichgans, J., Luft, A. R. Characterization of motor skill and instrumental learning time scales in a skilled reaching task in rat. Behavioural brain research. 155, 249-256 (2004).
- Geurts, A. M., et al. Knockout rats via embryo microinjection of zinc-finger nucleases. Science. 325, 433 (2009).
- Tews, B., et al. Synthetic microRNA-mediated downregulation of Nogo-A in transgenic rats reveals its role as regulator of synaptic plasticity and cognitive function. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. , (2013).
- Li, D., et al. Heritable gene targeting in the mouse and rat using a CRISPR-Cas system. Nature. 31, 681-683 (2013).
