Erhvervelse af en Høj præcision Faglært forben Nå Task i rotter
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
Bevægelse kontrol er en central funktion i centralnervesystemet (CNS). Motricity er den vigtigste målelige produktion af CNS-funktion og den vigtigste mulighed for enkeltpersoner at interagere med den ydre verden. Forstå principperne for motorisk funktion og de mekanismer, der ligger til grund for indlæring af en opgave motor er i øjeblikket en af de store udfordringer i neurovidenskab. Blev fundet ved erhvervelse af en ny motor opgave morfologiske, fysiologiske og molekylære forandringer. For eksempel, formen og antallet af synapser ændring i respons på faglært motor træning 1-5, og funktionelle ændringer i den synaptiske maskiner blev observeret efter motorisk læring. Synaptiske reaktioner var højere i de forbindelser af forben-repræsenterer region af uddannede motoriske hjernebark sammenlignet med utrænede halvkugle af det samme dyr eller svar fra utrænede dyr 6,7. Elektrofysiologiske observationer også foreslå, at langsigtet (LTP) og lang-term depression (LTD) ligesom mekanismer finde sted i løbet indlæring af en ny motor dygtighed, og at udvalget af synaptisk operation, som er defineret mellem de begrænsende grænser LTP og LTD mætning, er modificeret 8. Desuden er det blevet vist, at aktiviteten markører og plasticitet fremmer molekyler såsom c-fos, GAP-43, eller BDNF men også plasticitet hæmmende molekyler såsom Nogo-A display regulatoriske roller for læring-relaterede neuronal plasticitet 9-16.
Disse fremskridt i retning af en bedre forståelse af de mekanismer, der ligger til grund motorisk læring kunne kun opnås ved brug af adfærdsmæssige paradigmer, der tillader præcis kontrol med erhvervelse af en ny motor dygtighed, f.eks faglært forben vidtrækkende. Kun en velstruktureret adfærdsmæssige opgave gør det muligt at overvåge og fange korrelative ændringer, som opstår ved indlæring og udførelse af de respektive opgaver. Her visuelt demonstrere en modificeret version af den faglærte forbensingle-pellet nå opgave i rotter tilpasset fra Buitrago et al. 17 Den præsenterede paradigme tillader analyse af erhvervelse bevægelighed inden en daglig træning (inden-session), der repræsenterer den hurtige læring komponent og primær erhvervelse samt dygtige motorisk læring over flere sessioner (mellem-session), der repræsenterer den langsomme læring komponent og vedligeholdelse af den lærde opgave 18. Vigtigere er det, denne adfærdsmæssige paradigme øger sværhedsgrad og kompleksitet motorik opgave på grund af to funktioner: For det første er de rotter trænet til at vende omkring deres akse efter hvert greb og dermed at justere deres krop før næste pellet rækkevidde og forny kroppen orientering, forhindrer konstant udførelse bevægelse fra samme vinkel. Sekund, hentes pellets fra en vertikal stilling anbringes foran buret. På grund af den lille diameter af post, kan pellets let blive indledt kræver en præcis forståelse for vellykket hentning og preventing simpelt træk i pelleten mod dyret.
En sådan kompleks adfærdsmæssige test giver dybere indsigt i de mekanismer, der ligger til grund motorisk læring. Sammenlignet med mus, rotter er overlegne i deres ydeevne af komplekse adfærdsmæssige opgaver og dermed bedre egnet til komplekse paradigmer som præsenteret i denne undersøgelse. I betragtning af de stigende genetiske muligheder til rådighed for rotter 19,20, kombinationen af præcise og velkontrollerede adfærdsmæssige testmetoder med genetiske manipulationer, billedbehandling og fysiologiske teknikker udgør en kraftfuld værktøjskasse til bedre at forstå neurobiologiske grundlag for motorisk indlæring og hukommelse.
Protocol
Representative Results
Discussion
Det i denne undersøgelse paradigme er tilpasset fra Buitrago et al 18 og adskiller sig fra den klassiske single pellet nå paradigme 17 hovedsageligt i to aspekter.:
Først studerer inden-session forbedring tillader analyse af den lærde opgave inden for en enkelt dag, som kan give et andet niveau af oplysninger, såsom undersøgelse af hurtige læring komponent i forhold til den langsomme læring komponent repræsenteret ved de gennemsnitlige daglige værdier…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev finansieret af tilskud fra den schweiziske National Science Foundation (Grant 31003A-149315-1 til MES og Grant IZK0Z3-150809 til AZ), til AZ Heidi Demetriades Foundation, at MES Det Europæiske Forskningsråd (Nogorise «) og Christopher og 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).
