Приобретение высокоточного квалифицированный передних конечностей идущей задачи у крыс
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
Контроль Движение основных функций центральной нервной системы (ЦНС). Моторики является основным измеримое выход функции ЦНС и главным возможность для людей, чтобы взаимодействовать с внешним миром. Понимание принципов двигательной функции и механизмы, которые лежат в основе изучение двигательной задачи является в настоящее время одним из самых больших проблем в области неврологии. Морфологические, физиологические и молекулярные изменения были найдены при приобретении нового двигателя задачи. Например, форма и число синапсов изменяются в ответ на квалифицированной подготовки 1-5 двигателя, и наблюдались функциональные изменения синаптической техники после изучения двигателя. Synaptic ответы были выше в соединениях передних конечностей, представляющих области тренированного моторной коры по сравнению с неподготовленных полушарии и того же животного или к ответах неподготовленных животных 6,7. Электрофизиологические наблюдения также показывают, что долгосрочное потенцирование (LTP) и долгосрочной-ной депрессия (LTD), как механизмы состоится во время обучения новой двигательного навыка, и что в диапазоне синаптической работы, который определяется между предельными границами LTP и LTD насыщения, изменяется 8. Кроме того, было показано, что маркеры активности и пластичности, способствующие молекулы, такие как С-FOS, GAP-43, или BDNF, но также пластичности ингибирующих молекул, таких как Nogo-дисплея нормативных ролей обучения, связанных с нейронной пластичности 9-16.
Эти достижения в направлении лучшего понимания механизмов, лежащих в основе двигателя обучения может быть достигнута только при использовании поведенческих парадигм, которые позволяют точно контролировать приобретение нового двигательного навыка, например, опытный передней конечности идущего. Только хорошо структурирована поведенческая задача позволяет контролировать и захватить коррелятивные изменения, которые происходят на обучение и выполнение соответствующей задачи. Здесь мы визуально продемонстрировать модифицированную версию опытного передних конечностейодного осадок достижении задача у крыс, адаптированных из Буитраго др. 17 Представленные парадигмы позволяет проводить анализ приобретения движение в ежедневной тренировке (в сессии), представляющий быстрый компонент обучения и первичного приобретения, а также квалифицированную обучения двигателя в течение нескольких сессий (между-сессии), представляющий медленную составляющую обучения и технического обслуживания узнал задачи 18. Важно отметить, что это поведенческая парадигма увеличивает степень сложности и сложности двигательных навыков задачи из-за двух особенностей: во-первых, крысы обучаются развернуться своей оси после каждого хватки и, таким образом, чтобы выровнять свое тело до следующей гранул досягаемости и возобновить Ориентация тела, предотвращая выполнение постоянное движение под тем же углом. Во-вторых, гранулы извлекаются из вертикального столба, помещенного в передней части клетки. Из-за небольшого диаметра сообщению, гранулы могут быть легко стартовал требующих точного понимание для успешного поиска и рreventing просто вытягивать осадку по отношению к животным.
Такой комплекс поведенческих тестирование позволяет глубже понять механизмы, лежащие в основе двигателя обучения. По сравнению с мышами, крысы превосходят в их исполнении сложных поведенческих задач и, таким образом, лучше всего подходит для сложных парадигм, как представлено в данном исследовании. Учитывая возрастающие возможности генетические доступны для крыс 19,20, сочетание точных и хорошо контролируемых методов тестирования поведения с генетическими манипуляциями, изображений и физиологических методов представляет собой мощный набор инструментов, чтобы лучше понять нейробиологические основы двигательной обучения и памяти.
Protocol
Representative Results
Discussion
Парадигма показано в этом исследовании, взята из Буитраго др 18 и отличается от классического одной гранулы достигает парадигму 17 в основном в двух аспектах.:
Во-первых, изучая в течение сеанса улучшение позволяет анализ ученого задачи в один день, которы…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа финансировалась грантами Швейцарского национального научного фонда (грант 31003A-149315-1 МОН и Грант IZK0Z3-150809 к AZ), чтобы AZ Хайди Деметриадес Foundation, МОН Европейский исследовательский совет ('Nogorise') и Кристофер и Дана Рив Фонд (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 | ||
Riferimenti
- 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).
