Studie Motor Skicklighet Learning by Single-pellets Nå Uppgifter i möss
Summary
Ihållande praxis förbättrar precisionen i koordinerade rörelser. Här presenterar vi en enda pellet gående uppgift, som är utformad för att utvärdera inlärning och minne av forelimb skicklighet i möss.
Abstract
Nå efter och hämta objekt kräver precisa och samordnade motoriska rörelser i frambenet. När möss upprepade gånger utbildade för att förstå och hämta mat belöningar placerade på en viss plats, deras motorprestanda (definierat som noggrannhet och hastighet) förbättras gradvis över tiden, och platåer efter ihärdig träning. När en sådan nå skicklighet behärskar, gör det ytterligare underhåll som inte kräver ständig övning. Här presenterar vi en enda pellet når uppgift att studera förvärv och underhåll av skickliga forelimb rörelser i möss. I den här videon, vi först beskriva beteenden av möss som vanligen förekommer i denna inlärning och minne paradigm, och sedan diskutera hur man ska kategorisera dessa beteenden och kvantifiera de observerade resultaten. Kombinerat med mus-genetik, kan detta paradigm utnyttjas som en beteende plattform för att utforska de anatomiska underbyggnad, fysiologiska egenskaper och molekylära mekanismer för inlärning och minne.
Introduction
Att förstå mekanismerna bakom inlärning och minne är en av de största utmaningarna i neurovetenskap. I motorsystemet, är förvärvet av nya motoriska färdigheter med praktiken ofta kallat motorisk inlärning, medan lagring av tidigare inlärda motoriska färdigheter betraktas som motorminne 1. Att lära sig en ny motor färdighet brukar återspeglas i förbättring av önskad motorprestanda med tiden, tills en punkt då den motoriska antingen fulländad eller tillfredsställande konsekvent. För de flesta fall kan det förvärvade motor minne kvarstår under en lång tidsperiod, även i frånvaro av praktik. Hos människor har neuroradiologiska studier med positronemissionstomografi (PET) och funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) visat att primära motoriska cortex (M1) aktivitetsändringar under förvärvsfasen av motorisk inlärning 2-4, och tillfällig störning av M1 aktivitet genom lågfrekvent transkraniell magnetisk stimulering leder till betyficantly stört retention av motorns beteende förbättring 5. Likaså forelimb specifik utbildning hos råttor inducerar funktionell och anatomisk plasticitet i M1, exemplifierad av en ökning av både c-fos-aktivitet och synaps / neuron kvoten i M1 kontra till utbildade forelimb under den sena fasen av motorisk inlärning 6. Dessutom, en liknande utbildning paradigm stärker även lager 2/3 horisontella anslutningar i den kontra M1 motsvarar den utbildade forelimb, vilket resulterar i minskad långtidspotentiering (LTP) och förbättrad långsiktig depression (LTD) efter råttor förvärvar uppgifterna 7. Sådan synaptic modifiering dock inte observeras i M1 kortikala regioner som motsvarar otränade forelimb eller bakben 8. Alternativt, när M1 skadas genom slag, det finns dramatiska brister i forelimb specifika motoriska-kompetens 9. Medan de flesta av de motoriska beteendestudier har utförts på människa, apas, och råttor 2-8,10-17, möss blivit ett attraktivt modellsystem på grund av dess kraftfulla genetik och låg kostnad.
Här presenterar vi en forelimb specifik motor-skill lärande paradigm: en enda pellet gående uppgift. I detta paradigm, möss utbildade för att förlänga sina framben genom en smal springa för att förstå och hämta mat pellets (hirs frön) placerade på en fast plats, ett beteende som är analogt med att lära sig bågskytte, dart-kasta, och skytte basketbollar i människa. Detta når uppgift har ändrats från tidigare rått studier som har visat liknande resultat mellan möss och råttor 18. Med hjälp av två-photon transkraniell bildbehandling, har vårt tidigare arbete följt dynamiken i Dendritutskotten (postsynaptiska strukturer för majoritets excitatoriska synapser) över tiden under den här utbildningen. Vi fann att en enda träningspass lett till en snabb framväxt av nya Dendritutskotten på pyramidala nervceller i motoriska cortex kontra till utbildade forelimb. Subsequent utbildning av samma nå uppgiften företrädesvis stabiliserade dessa lärande-inducerad ryggar, som kvarstod långt efter utbildningen avslutas 19. Dessutom ryggar som växte fram under upprepningar av nå uppgift tenderade att samlas längs dendriter, medan ryggar bildade under tandemkörning att nå uppgift och annan forelimb specifika motor uppgift (dvs. pasta hanteringsuppgift) inte kluster 20.
I föreliggande video beskriver vi steg-för-steg vid uppställning av detta beteendeparadigm, från den ursprungliga livsmedelsbrist till att forma, och motorisk träning. Vi beskriver också de vanliga beteenden av möss under processen att verkställa detta beteende paradigm, samt hur dessa beteenden kategoriseras och analyseras. Slutligen diskuterar vi de försiktighetsåtgärder som krävs för att utöva ett sådant lärande paradigm och de problem som kan uppstå under dataanalyser.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vikten av att forma fas:
På grund av ökad oro från att vara i en okänd miljö, är det vanligtvis svårt för möss för att utbildas i en ny miljö 21,22. Därför är målet för formning att bekanta möss med träningskammaren, tränaren (dvs. minska sin ångest nivåer), och de uppgiftskrav (dvs. att identifiera utsädet som föda). Ett annat mål med utformningen är att fastställa de föredragna lemmar individuella möss för framtida utbildning. Under fo…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöds av ett bidrag (1R01MH094449-01A1) från National Institute of Mental Health till 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).
