Verwerving van een High-precision Geschoolde voorpoot bereiken Task bij 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
Beweging controle is een kernfunctie van het centrale zenuwstelsel (CNS). Motoriek is de belangrijkste uitgangsignaal van CNS-functie en de belangrijkste mogelijkheden voor mensen om te communiceren met de buitenwereld. Het begrijpen van de principes van de motorische functie en de mechanismen die ten grondslag liggen aan het leren van een motorische taak is momenteel een van de grote uitdagingen in de neurowetenschappen. Morfologische, fysiologische en moleculaire veranderingen werden gevonden bij de overname van een nieuwe motor taak. Bijvoorbeeld, de vorm en het aantal synapsen veranderen als reactie op mobiliteitsfuncties training 1-5 en functionele veranderingen van de synaptische systeem waargenomen na motorisch leren. Synaptic was hoger in de aansluitingen van de voorpoot die regio de getrainde motorische cortex vergeleken met de ongeoefende halfrond van hetzelfde dier of antwoorden van ongetrainde dieren 6,7. Elektrofysiologische waarnemingen suggereren ook dat langetermijnpotentiëring (LTP) en lange-termijn depressie (LTD) zoals mechanismen plaatsvinden tijdens het leren van een nieuw motorische vaardigheden en dat het bereik van synaptische operatie, die wordt gedefinieerd tussen de beperkende grenzen van LTP en LTD verzadiging wordt gewijzigd 8. Bovendien is aangetoond dat de activiteit merkers en plasticiteit bevorderen moleculen zoals c-fos, GAP-43, of BDNF maar plasticiteit remmende moleculen zoals Nogo-Weergeefinrichting regelgevingsrollen voor leergerelateerde neuronale plasticiteit 9-16.
Deze voorschotten op weg naar een beter begrip van de mechanismen die ten grondslag liggen aan het motorisch leren kon alleen worden bereikt met het gebruik van behavioral paradigma's die een nauwkeurige controle op de verwerving van een nieuwe motorische vaardigheden, bijvoorbeeld, geschoolde voorpoot verstrekkende mogelijk te maken. Slechts een gestructureerde gedragstaak maakt het bewaken en vastleggen van correlatieve veranderingen die optreden op het leren en uitvoeren van de respectievelijke taak. Here we visueel een gewijzigde versie van de geschoolde voorpoot tonensingle-pellet bereiken taak bij ratten aangepast van Buitrago et al. 17 De gepresenteerde paradigma laat de analyse van de beweging overname binnen een dagelijkse training (binnen-sessie) die de snel leren component en primaire acquisitie evenals geschoolde motorisch leren over verschillende sessies (tussen-sessie) die de langzame leren component en het onderhoud van de geleerde taak 18. Belangrijk is dat deze behavioral paradigma verhoogt de moeilijkheidsgraad en complexiteit van de motorische taak vanwege twee kenmerken: Ten eerste, worden de ratten getraind om te draaien rond hun as na elke greep en zo hun lichaam opnieuw uitlijnen voor de volgende pellet bereik en verlengen het lichaam oriëntatie, het voorkomen van constante uitvoering beweging vanuit dezelfde hoek. Ten tweede, worden pellets opgehaald uit een verticale staander geplaatst voor de kooi. Vanwege de kleine diameter van de post, kunnen pellets gemakkelijk worden afgetrapt die een nauwkeurige greep voor een succesvolle ophalen en preventing eenvoudig trekken van de pellet in de richting van het dier.
Dergelijke complexe gedragsproblemen testen laat dieper inzicht in de mechanismen die ten grondslag liggen aan het motorisch leren. In vergelijking met muizen, ratten superieur in hun bij complexe gedragstaken en daardoor beter geschikt voor complexe paradigma zoals gepresenteerd in deze studie. Gezien de toenemende genetische mogelijkheden voor ratten 19,20, de combinatie van nauwkeurige en goed gecontroleerde behavioral testmethoden met genetische manipulaties, beeldvorming en fysiologische technieken vormt een krachtige gereedschapskist om beter inzicht in de neurobiologische basis van motorisch leren en geheugen.
Protocol
Representative Results
Discussion
De in deze studie paradigma is een bewerking van Buitrago et al 18 en verschilt van de klassieke interne korrel bereiken paradigma 17 voornamelijk in twee aspecten.:
Ten eerste, het bestuderen van binnen-sessie verbetering maakt analyse van de geleerde taak binnen één dag, die een ander niveau van de informatie kan verstrekken, zoals onderzoek naar de snelle learning component in vergelijking met de langzame leren component weergegeven door de gemiddelde dage…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gefinancierd door subsidies van de Swiss National Science Foundation (Grant 31003A-149315-1 om MES en Grant IZK0Z3-150809 naar AZ), om AZ de Heidi Demetriades Foundation, aan de European Research Council ('Nogorise'), MES en de Christopher en 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).
