Erverv av en høy presisjon Dyktige forbena Reaching oppgave i Rats
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
Bevegelse kontroll er en kjerne funksjon av sentralnervesystemet (CNS). Motorikk er den viktigste målbare effekt på CNS funksjon og hoved mulighet for enkeltpersoner å samhandle med den ytre verden. Forstå prinsippene for motorikk og mekanismene som ligger til grunn for læring av en motor oppgave er i dag en av de store utfordringene i nevrovitenskap. Morfologiske, fysiologiske og molekylære endringer ble funnet ved anskaffelse av en ny motor oppgave. For eksempel, formen og antallet av synapser endres i respons til dyktig motor trening 1-5, og funksjonelle endringer i den synaptiske maskiner ble observert etter motor læring. Synaptiske responser var høyere i de forbindelser av forbena-som representerer regionen av trenet motor cortex i forhold til utrent halvkule av samme dyr eller svar fra utrent dyr 6,7. Elektro observasjoner tyder også på at langsiktig (LTP) og lang-term depresjon (LTD) som mekanismer finne sted under læring av en ny motor ferdighet, og at omfanget av synaptiske operasjon, som er avgrenset mellom de begrensende kanter av LTP og LTD metning, blir modifisert 8. Videre har det vist seg at aktivitets markører og plastisitet fremme molekyler som c-fos, GAP-43, eller BDNF men også plastisitet hemmende molekyler som Nogo-A visnings regulatoriske roller for læring relaterte neuronal plastisitet 9-16.
Disse fremskritt mot en bedre forståelse av mekanismene bak motorisk læring kan bare oppnås med bruk av atferds paradigmer som tillater presis kontroll av kjøpet av en ny motor ferdighet, f.eks dyktig forbena rekkende. Bare en godt strukturert atferds oppgave gjør det mulig å overvåke og fange trene seg endringene som skjer på læring og gjennomføring av den respektive oppgaven. Her kan vi visuelt viser en modifisert versjon av den dyktige forbenasingle-pellet rekk oppgave hos rotter tilpasset fra Buitrago et al. 17 presenteres paradigmet tillater analyse av bevegelsen oppkjøp innen en daglig treningsøkt (innen-session) som representerer rask læring komponent og primær oppkjøp samt dyktige motorisk læring over flere økter (mellom-session) som representerer den langsomme læring komponent og vedlikehold av lærte oppgave 18. Viktigere, øker dette atferds paradigmet vanskelighetsgraden og kompleksiteten av motoriske ferdigheter oppgave på grunn av to funksjoner: Først blir rottene trent til å snu seg rundt sin egen akse etter hvert grep og dermed å omstille kroppen før neste pellet rekkevidde og fornye legemet orientering, hindrer konstant bevegelse utførelsen fra samme vinkel. For det andre, blir pellets hentet fra en vertikal stolpe plassert foran buret. På grunn av liten diameter av innlegget, kan pellets lett bli sparket av som krever en presis forståelse for vellykket henting og preventing enkel trekking av pelleten mot dyret.
Slike komplekse atferds testing tillater dypere innsikt i mekanismene bak motorisk læring. Sammenlignet med mus, rotter er overlegne i sin utføring av komplekse atferdsmessige oppgaver og således bedre egnet for kompliserte paradigmer som vist i denne studien. Tatt i betraktning den økende genetiske muligheter tilgjengelig for rotter 19,20, representerer en kombinasjon av presise og godt kontrollerte atferdstestmetoder med genetiske manipulasjoner, bildebehandling og fysiologiske teknikker en kraftig verktøykasse for å bedre forstå nevrobiologisk grunnlag av motorisk læring og hukommelse.
Protocol
Representative Results
Discussion
Paradigme vist i denne studien er tilpasset fra Buitrago et al 18 og skiller seg fra de klassiske enkelt pellet rekk paradigme 17 hovedsakelig i to aspekter.:
Først studere innenfor-session forbedring tillater analyse av lærte oppgave innenfor en enkelt dag, som kan gi et annet nivå av informasjon som etterforskningen av rask læring komponent i forhold til den langsomme læring komponent representert ved de gjennomsnittlige daglige verdier (se figur…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble finansiert med tilskudd av den sveitsiske National Science Foundation (Grant 31003A-149315-1 til MES og Grant IZK0Z3-150809 til AZ), til AZ Heidi Demetriades Foundation, til More The European Research Council ('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).
