רכישת גבוהה דיוק מיומן Forelimb ההגעה משימה בחולדות
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
שליטת תנועה היא פונקצית ליבה של מערכת העצבים המרכזית (CNS). Motricity הוא הפלט העיקרי למדידה של תפקוד מערכת העצבים המרכזית ואת האפשרות העיקרית ליחידים לאינטראקציה עם העולם החיצוני. הבנת העקרונות של תפקוד מוטורי והמנגנונים העומדים בבסיס הלמידה של משימת מנוע היא כיום אחד האתגרים הגדולים במדעי המוח. שינויים מורפולוגיים, פיסיולוגיים ומולקולריים נמצאו ברכישה של משימת מנוע חדשה. לדוגמא, הצורה ומספר הסינפסות לשנות בתגובה לאימון מוטורי מיומן 1-5, ושינויים פונקציונליים של המכונות הסינפטי נצפו לאחר למידה מוטורית. תגובות Synaptic היו גבוהות יותר בחיבורים של האזור המייצג-forelimb של הקורטקס המוטורי המיומן בהשוואה לחץ הכדור מאומן של אותה החיה או לתגובות מבעלי חיים לא מאומנים 6,7. תצפיות אלקטרו גם מצביעות על כך שהגברה לטווח ארוך (LTP) וארוכהדיכאון -term (בע"מ) כמו מנגנונים יתקיים במהלך הלמידה של מיומנות מוטורית חדשה, וכי הטווח של פעולה הסינפטי, אשר מוגדרת בין גבולות הגבלה של LTP ורוויה בע"מ, הוא שונה 8. יתר על כן, זה כבר הראה כי סמני פעילות ופלסטיות קידום מולקולות כגון C-FOS, GAP-43, או BDNF אלא גם מולקולות מעכבות פלסטיות כגון תפקידים רגולטוריים Nogo-תצוגה לפלסטיות עצבית הקשורות ללמידה 9-16.
התפתחויות הללו להבנה טובה יותר של מנגנוני למידה מוטורית יכולות להיות מושגת בשימוש בפרדיגמות התנהגות המאפשרות שליטה מדויקת של רכישת מיומנות מוטורית חדשה, למשל, להגיע forelimb מיומן בלבד. רק משימה התנהגותיות מובנה היטב מאפשרת לפקח וללכוד שינויי מתאם המתרחשים על למידה וביצוע של המשימה בהתאמה. כאן אנו חזותי להפגין גרסה שונה של forelimb המיומןמשימה להגיע יחידה גלולה בחולדות המותאמות מאל. 17 הפרדיגמה הציגה Buitrago et מאפשרת ניתוח של רכישת תנועה בתוך אימון יומי (בתוך מושב) המייצג את הרכיב למידה המהיר ורכישה ראשונית, כמו גם למידה מוטורית מיומנת מעל מספר מפגשים המייצג את הרכיב האיטי למידה ותחזוקה של המשימה למדה 18 (בין המושב). חשוב לציין, הפרדיגמה התנהגות זו מעלה את דרגת קושי והמורכבות של משימת המיומנות המוטורית בשל שתי תכונות: ראשית, החולדות מאומנות להסתובב צירם לאחר כל אחיזה ובכך ליישר מחדש את גופם לפני הישג יד גלולה הבאה ולחדש הנטייה הגוף, מניעת ביצוע תנועה מתמדת מאותה הזווית. שנית, כדורי אחזור מפוסט אנכי להציב מול הכלוב. בשל הקוטר הקטן של הפוסט, יכולים בקלות להיות בעט כדורים מדורשים אחיזה מדויקת לאחזור ועמ 'מוצלחיםreventing פשוט מושך של גלולה לבעלי החיים.
בדיקות התנהגותיות מורכבות כזה מאפשרת תובנות עמוקות יותר אל תוך מנגנוני למידה מוטורית. בהשוואה לעכברים, חולדות הן מעולים בביצועיהם של משימות התנהגותיות מורכבות ולכן מתאימים יותר לפרדיגמות מורכבות כפי שהוצגו במחקר זה. בהתחשב באפשרויות הגנטיות הגדלת זמינה לחולדות 19,20, השילוב של שיטות בדיקת התנהגות מדויקות ומבוקרות היטב עם מניפולציות גנטיות, הדמיה וטכניקות פיסיולוגיות מייצג ארגז כלים רבי עוצמה כדי להבין את הבסיס הנוירו-הביולוגי של למידה מוטורית וזיכרון טוב יותר.
Protocol
Representative Results
Discussion
הפרדיגמה שמוצגת במחקר זה מותאם Buitrago et al 18 ושונה מהגלולה אחת הקלסית להגיע הפרדיגמה 17 בעיקר בשני היבטים.:
ראשית, לימוד שיפור במושב מאפשר ניתוח של המשימה למדה תוך יום אחד, אשר יכול לספק רמת המידע שונה כגון חקירה של הר?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו מומנה על ידי תרומות של קרן המדע הלאומית השוויצרית (גרנט 31003A-149,315-1 לMES וגרנט IZK0Z3-150809 לAZ), לAZ היידי Demetriades הקרן, לMES מועצת המחקר האירופי ("Nogorise ') ו כריסטופר ודן ריב קרן (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).
