Erwerb eines Hochpräzise Skilled Vorderbein Erreichen Aufgabe in Ratten
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
Bewegungssteuerung ist eine Kernaufgabe des zentralen Nervensystems (ZNS). Motorik ist die Haupt meßbare Ausgabe des ZNS-Funktion und die Haupt Möglichkeit des Individuums mit der externen Welt zu kommunizieren. Das Verständnis der Prinzipien der Motorik und der Mechanismen, die zugrunde liegen, das Erlernen einer motorischen Aufgabe ist derzeit eine der großen Herausforderungen in der Neurowissenschaft. Morphologischen, physiologischen und molekularen Veränderungen wurden beim Erwerb eines neuen Kraft Aufgabe gefunden. Zum Beispiel die Form und die Anzahl der Synapsen verändern als Reaktion auf Fachkraftausbildung 1-5, und funktionelle Veränderungen der synaptischen Maschinen wurden nach motorischen Lernens beobachtet. Synaptischen Antworten wurden in den Verbindungen der forelimb darstellende Bereich des ausgebildeten motorischen Kortex im Vergleich zum ungeschulten Hemisphäre des gleichen Tier oder Antworten von trainierten Tieren und 6,7 höher. Elektrophysiologische Beobachtungen legen nahe, dass auch Langzeit-Potenzierung (LTP) und Lang-term Depression (LTD), wie Mechanismen finden während des Erlernens einer neuen motorischen Fertigkeit, und daß im Bereich der synaptischen Betrieb, der zwischen den begrenzenden Grenzen von LTP und LTD Sättigung definiert ist, wird modifiziert 8. Weiterhin hat es sich gezeigt, dass Aktivität und Plastizität Marker Vermittlermoleküle wie c-fos, GAP-43 oder BDNF auch Plastizität Hemmung Moleküle wie Nogo-Anzeige regulatorische Funktionen für das Lernen bedingten neuronalen Plastizität 9-16.
Diese Fortschritte zu einem besseren Verständnis der Mechanismen des motorischen Lernens zugrunde liegenden konnte nur mit dem Einsatz von Verhaltensparadigmen, die eine präzise Kontrolle des Erwerbs eines neuen motorischen zB Fach forelimb reich erlauben erreicht werden. Nur eine gut strukturierte Verhaltensaufgabe ermöglicht die Überwachung und Erfassung Korrelat Änderungen, die nach dem Lernen und Ausführung der jeweiligen Aufgabe auftreten. Hier wir visuell eine modifizierte Version des Fach forelimb demonstrierenSingle-Pellet Erreichen Aufgabe bei Ratten von Buitrago et al. 17 Die vorgestellte Paradigma angepasst erlaubt die Analyse der Bewegungserfassung in einem täglichen Trainingseinheit (max-session), die die schnelle Lernkomponente und Grunderwerb sowie qualifizierte motorische Lernen über mehrere Sitzungen (zwischen den Sitzungen), die die langsamen Lernkomponente und die Wartung der gelernt Aufgabe 18. Wichtig ist, erhöht diese Verhaltensparadigma den Schwierigkeitsgrad und die Komplexität der motorischen Aufgabe auf zwei Funktionen: Erstens, die Ratten darauf trainiert, um ihre Achse nach jedem Griff drehen und so ihre Körper neu auszurichten vor der nächsten Pellet Reichweite und erneuern der Körper Ausrichtung und verhindert ständige Bewegung der Ausführung aus dem gleichen Winkel. Zweitens werden die Pellets aus einem vertikalen Pfosten vor dem Käfig geholt. Aufgrund des geringen Durchmessers der Post, Pellets kann leicht erfordern eine genaue Verständnis für eine erfolgreiche Wiederherstellung und p gekicktreventing einfaches Abziehen des Pellets gegenüber dem Tier.
Solche komplexen Verhaltenstests ermöglicht tiefere Einblicke in die Mechanismen des motorischen Lernens zugrunde. Im Vergleich zu Mäusen, Ratten sind überlegen in ihrer Leistung von komplexen Verhaltensaufgaben und somit besser geeignet für komplexe Paradigmen, wie in dieser Studie dargestellt. Angesichts der zunehmenden genetischen Möglichkeiten für Ratten 19,20, die Kombination von präzisen und gut kontrollierte Verhaltenstestverfahren mit genetischen Manipulationen, Imaging und physiologischen Techniken stellt ein leistungsfähiges Tool-Box, um die neurobiologischen Grundlagen des motorischen Lernens und Gedächtnis besser zu verstehen.
Protocol
Representative Results
Discussion
. Die in dieser Studie gezeigt Paradigma aus Buitrago et 18 al angepasst und unterscheidet sich von der klassischen Einzelpellet Erreichen Paradigma 17 vor allem in zwei Punkten:
Zunächst studiert in-session Verbesserung ermöglicht die Analyse des gelernten Aufgabe innerhalb eines Tages, die eine andere Ebene der Informationen, wie Untersuchung des schnellen Lernkomponente im Vergleich zum langsamen Lernkomponente von den durchschnittlichen Tageswert…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde durch Zuschüsse des Schweizerischen Nationalfonds (Projekt 31003A-149315-1 auf MES und Grant IZK0Z3-150809 zu AZ), auf die AZ Heidi Demetriades Foundation, um den Europäischen Forschungsrat ('Nogorise') MES- und finanziert die Christopher und Dana Reeve Foundation (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).
