Estudio Motor Habilidad Aprendizaje por Casa de pellets Tareas Llegar en ratones
Summary
Práctica persistente mejora la precisión de los movimientos coordinados. Aquí se introduce una tarea de llegar a un solo gránulo, que está diseñado para evaluar el aprendizaje y la memoria de la extremidad anterior de habilidad en ratones.
Abstract
El alcanzar para y recuperar objetos requieren movimientos motores precisas y coordinadas en la extremidad anterior. Cuando los ratones están capacitados para comprender y recuperar recompensas de comida situados en una ubicación específica, su rendimiento del motor (que se define como la precisión y la velocidad) mejora progresivamente con el tiempo, y las mesetas después del entrenamiento persistente en varias ocasiones. Una vez que tal habilidad de llegar se domina, su posterior mantenimiento no requiere una práctica constante. Aquí presentamos una tarea de llegar a un solo pellet para estudiar la adquisición y mantenimiento de los movimientos de las extremidades anteriores cualificados en ratones. En este video, lo primero que describen el comportamiento de los ratones que se encuentran comúnmente en el aprendizaje y la memoria paradigma y, a continuación, discutimos cómo clasificar estas conductas y cuantificar los resultados observados. Combinado con la genética del ratón, este paradigma se puede utilizar como una plataforma de comportamiento para explorar las bases anatómicas, las propiedades fisiológicas, y mecanismos moleculares de aprendizaje y la memoria.
Introduction
Entender los mecanismos de aprendizaje subyacente y la memoria es uno de los mayores retos de la neurociencia. En el sistema motor, la adquisición de nuevas habilidades motoras con la práctica se refiere a menudo como el aprendizaje motor, mientras que el mantenimiento de las habilidades motoras aprendidas anteriormente es considerado como la memoria del motor 1. El aprendizaje de una nueva habilidad motora se refleja generalmente en la mejora del rendimiento del motor deseado con el tiempo, hasta un punto en que la habilidad de motor o bien se perfeccionó o satisfactoria consistente. Para la mayoría de los casos, la memoria del motor adquirido puede persistir durante un largo período de tiempo, incluso en la ausencia de la práctica. En los seres humanos, los estudios de neuroimagen mediante tomografía por emisión de positrones (PET) y la resonancia magnética funcional (fMRI) han demostrado que la corteza motora primaria (M1) cambios de actividad durante la fase de adquisición de las habilidades motoras de aprendizaje 2-4, y la interferencia temporal de la actividad por la M1 baja frecuencia de estimulación magnética transcraneal conduce a signinificativamente perjudica la retención de mejoría en el comportamiento del motor 5. Del mismo modo, la formación específica-extremidad anterior en ratas induce plasticidad funcional y anatómica en el M1, ejemplificada por el aumento tanto de la actividad de c-fos y la relación de sinapsis / neurona en el M1 contralateral a la extremidad anterior entrenado durante la última fase de las habilidades motoras de aprendizaje 6. Por otra parte, un paradigma de formación similar que también fortalece la capa 2/3 conexiones horizontales en el contralateral M1 correspondiente a la extremidad anterior entrenado, lo que resulta en una reducción de la potenciación a largo plazo (LTP) y el aumento de la depresión a largo plazo (LTD) después de ratas adquieren las tareas 7. Dicha modificación sináptica, sin embargo, no se observa en las regiones corticales M1 correspondiente a la extremidad anterior no entrenado o miembros posteriores 8. Alternativamente, cuando el M1 se daña por accidente cerebrovascular, hay deficiencias dramáticas en las extremidades anteriores habilidades motoras específicas 9. Mientras que la mayoría de los estudios sobre el comportamiento de motor se han llevado a cabo en los seres humanos, el monos, y las ratas 2-8,10-17, los ratones se convierten en un sistema de modelo atractivo debido a sus potentes genética y bajo costo.
Aquí se presenta un paradigma de aprendizaje motor habilidad forelimb específica: una tarea de llegar a un solo pellet. En este paradigma, los ratones están capacitados para extender sus patas delanteras a través de una estrecha ranura para captar y recuperar bolitas de comida (semillas de mijo) situadas en una ubicación fija, un comportamiento análogo a aprender tiro con arco, dardos lanzar, y pelotas de baloncesto de disparo en humano. Esta tarea de llegar se ha modificado a partir de estudios de ratas anteriores que han mostrado resultados similares entre los ratones y las ratas 18. Utilizando imágenes transcraneal de dos fotones, nuestro trabajo previo ha seguido la dinámica de las espinas dendríticas (estructuras postsinápticas de las sinapsis excitadoras mayoría) en el tiempo durante este entrenamiento. Se encontró que una sola sesión de entrenamiento condujo a un rápido surgimiento de nuevas espinas dendríticas en las neuronas piramidales en la corteza motora contralateral a la extremidad anterior entrenado. Sformación ubsequent de la misma tarea de llegar a estabilizarse preferentemente estas espinas inducida de aprendizaje-, que persistió mucho después de terminada la formación 19. Por otra parte, las espinas que surgieron durante las repeticiones de llegar tarea tendían a agruparse a lo largo de las dendritas, mientras que las espinas que se forman durante la ejecución tándem de alcanzar la tarea y otra tarea motor forelimb específica (es decir, la tarea de manipulación pasta) no se agrupan 20.
En el presente vídeo, se describe paso a paso la instalación de este paradigma del comportamiento, de la privación de alimento inicial para dar forma, y para el entrenamiento motor. También se describen los comportamientos comunes de los ratones durante el proceso de ejecución de este paradigma de comportamiento, y cómo se clasifican y se analizaron estos comportamientos. Por último, se discuten las medidas de precaución necesarias para ejercer tal paradigma de aprendizaje y los problemas que pueden encontrarse durante el análisis de datos.
Protocol
Representative Results
Discussion
Importancia de la fase de conformación:
Debido al aumento de la ansiedad de estar en un entorno desconocido, por lo general es difícil para los ratones para ser capacitados en un ambiente novedoso 21,22. Por lo tanto, el objetivo de la formación es familiarizar a los ratones con la cámara de la formación, el formador (es decir, reducir sus niveles de ansiedad), y los requisitos de la tarea (por ejemplo, para identificar las semillas como fuente de alimento). Ot…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo es apoyado por una beca (1R01MH094449-01A1) del Instituto Nacional de Salud Mental de YZ
Materials
| Training chamber in clear acrylic box | For dimensions, see Fig. 1A |
| Tilted tray for shaping | custom-made from glass slides, see Fig. 1B |
| Food platform for training | For dimensions, see Fig. 1C |
| Millet seeds | filtered from “Wild Bird Food Dove and Quail Blend Wild Bird Food (All Living Things) |
| Forceps | For placing the seeds |
| A weighing scale | For daily body weight measurement |
| A stopwatch | For time measurement during shaping/training sessions |
References
- Schmidt, R. A. Motor Learning Principles for Physical Therapy. Foundations for Physical Therapy. Contemporary Management of Motor Control Problems, Proceedings of the II STEP Conference. , 49-63 (1991).
- Honda, M., Deiber, M. P., Ibanez, V., Pascual-Leone, A., Zhuang, P., Hallett, M. Dynamic cortical involvement in implicit and explicit motor sequence learning. A PET study.. Brain. 121, 2159-2173 (1998).
- Karni, A., Meyer, G., Jezzard, P., Adams, M. M., Turner, R., Ungerleider, L. G. Functional MRI evidence for adult motor cortex plasticity during motor skill learning. Nature. 377, 155-158 (1995).
- Karni, A., et al. The acquisition of skilled motor performance: fast and slow experience-driven changes in primary motor cortex. Proc. Natl Acad. Sci. U.S.A. 95, 861-868 (1998).
- Muellbacher, W., et al. Early consolidation in human primary motor cortex. Nature. 415, 640-644 (2002).
- Kleim, J. A., Hogg, T. M., VandenBerg, P. M., Cooper, N. R., Bruneau, R., Remple, M. Cortical synaptogenesis and motor map reorganization occur during late, but not early, phase of motor skill learning. J. Neurosci. 24, 628-633 (2004).
- 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. Nat. Neurosci. 1, 230-234 (1998).
- Farr, T. D., Whishaw, I. Q. Quantitative and qualitative impairments in skilled reaching in the mouse (Mus musculus) after a focal motor cortex stroke. Stroke J. Cereb. Circ. 33, 1869-1875 (2002).
- Huang, V. S., Haith, A., Mazzoni, P., Krakauer, J. W. Rethinking motor learning and savings in adaptation paradigms: model-free memory for successful actions combines with internal models. Neuron. 70, 787-801 (2011).
- Smith, M. A., Ghazizadeh, A., Shadmehr, R. Interacting adaptive processes with different timescales underlie short-term motor learning. PLoS Biol. 4, (2006).
- Pavlides, C., Miyashita, E., Asanuma, H. Projection from the sensory to the motor cortex is important in learning motor skills in the monkey. J. Neurophysiol. 70, 733-741 (1993).
- Paz, R., Boraud, T., Natan, C., Bergman, H., Vaadia, E. Preparatory activity in motor cortex reflects learning of local visuomotor skills. Nat. Neurosci. 6, 882-890 (2003).
- Paz, R., Vaadia, E. Learning-induced improvement in encoding and decoding of specific movement directions by neurons in the primary motor cortex. PLoS Biol. 2, (2004).
- Plautz, E. J., Milliken, G. W., Nudo, R. J. Effects of repetitive motor training on movement representations in adult squirrel monkeys: role of use versus learning. Neurobiol. Learn. Mem. 74, 27-55 (2000).
- Hosp, J. A., Pekanovic, A., Rioult-Pedotti, M. S., Luft, A. R. Dopaminergic projections from midbrain to primary motor cortex mediate motor skill learning. J. Neurosci. 31, 2481-2487 (2011).
- Adkins, D. L., Boychuk, J., Remple, M. S., Kleim, J. A. Motor training induces experience-specific patterns of plasticity across motor cortex and spinal cord. 101, 1776-1782 (2006).
- Whishaw, I. Q. An endpoint, descriptive, and kinematic comparison of skilled reaching in mice (Mus musculus) with rats (Rattus norvegicus). Behav. Brain Res. 78, 101-111 (1996).
- Xu, T., et al. Rapid formation and selective stabilization of synapses for enduring motor memories. Nature. 462, 915-919 (2009).
- 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).
- Whishaw, I. Q., Whishaw, P., Gorny, B. The structure of skilled forelimb reaching in the rat: a movement rating scale. J .Vis. Exp. , (2008).
- Bailey, K. R., Crawley, J. N. Anxiety-Related Behavior in Mice. In Buccafusco JJ (Ed.) Methods of Behavior Analysis in Neuroscience. Chapter 5, 2nd ed. , (2009).
- Yu, X., Zuo, Y. Spine plasticity in the motor cortex. Curr. Opin. Neurobiol. 21, 169-174 (2011).
- Qian, Y., Chen, M., Forssberg, H., Diaz Heijtz, R. Genetic variation in dopamine-related gene expression influences motor skill learning in mice. Genes Brain Behav. 12, 604-614 (2013).
- MacLellan, C. L., Gyawali, S., Colbourne, F. Skilled reaching impairments follow intrastriatal hemorrhagic stroke in rats. Behav. Brain Res. 175, 82-89 (2006).
- Hong, S. M., et al. Reduced hippocampal neurogenesis and skill reaching performance in adult Emx1 mutant mice. Exp. Neurol. 206, 24-32 (2007).
- Bureau, G., Carrier, M., Lebel, M., Cyr, M. Intrastriatal inhibition of extracellular signal-regulated kinases impaired the consolidation phase of motor skill learning. Neurobiol. Learn. Mem. 94, 107-115 (2010).
- McCormick, D. A., Lavond, D. G., Thompson, R. F. Neuronal responses of the rabbit brainstem during performance of the classically conditioned nictitating membrane (NM)/eyelid response. Brain Res. 271, 73-88 (1983).
- Molinari, M., et al. Cerebellum and procedural learning: evidence from focal cerebellar lesions. Brain. 120, 1753-1762 (1997).
- Willuhn, I., Steiner, H. Motor-skill learning in a novel running-wheel task is dependent on D1 dopamine receptors in the striatum. 신경과학. 153, 249-258 (2008).
