숙련 된 앞다리가 쥐에서 작업을 도달하는 고정밀의 취득
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
이동 제어는 중추 신경계 (CNS)의 핵심 기능이다. Motricity은 CNS 기능의 주요 측정 출력과 개인이 외부 세계와 상호 작용하기위한 메인 가능성이다. 운동 기능의 원리 및 모터 태스크의 학습은 신경 과학 큰 과제 중 하나이며 기초 메커니즘을 이해. , 형태 학적 생리 학적 및 분자 변화는 새로운 모터 작업의 인수에 발견되었다. 예를 들어, 모양 및 시냅스의 수는 당업자 모터 훈련 1-5에 응답하여 변경하고, 시냅스 기계의 기능 변화는 운동 학습 후에 관찰 하였다. 시냅스 응답은 같은 동물이나 훈련받지 않은 동물 6,7의 응답에 익숙하지 않은 반구에 비해 훈련 운동 피질의 앞다리-대표하는 지역의 연결에서 더 높았다. 전기 생리 관찰은 또한 장기 강화 (LTP) 및 장기 제안메커니즘 같은 -TERM 우울증 (주) 새로운 모터 기술의 학습 동안 자리를 차지할 및 LTP 및 회사 포화의 제한 국경 사이에 정의되어 시냅스 작업의 범위 것을, 8 수정됩니다. 또한,은 등 학습과 관련된 신경 가소성 9-16에 대한 노고 디스플레이 규제 역할로 C-FOS, GAP-43, 또는 BDNF뿐만 아니라 소성 억제 분자로 분자를 촉진하는 활성 마커 및 소성을 보였다.
운동 학습을 기본 메커니즘을 더 잘 이해 향해 이러한 발전은 새로운 모터의 기술, 예를 들어, 당업자는 광범위한 앞다리의 취득의 정밀한 제어를 허용 행동 패러다임의 사용으로 달성 될 수있다. 만 잘 구조화 된 행동 작업을 모니터링하고 학습과 각 작업의 실행시 발생하는 상호 변경을 캡처 할 수 있습니다. 여기서 우리는 시각적 숙련 앞다리의 수정 된 버전을 보여Buitrago 등. 17 제시된 패러다임에서 적응 쥐 단일 펠렛에 도달하는 작업은 여러 세션을 통해 빠른 학습 요소 및 기본 인수를 나타내는 (내 세션) 매일 훈련 세션 내에서 이동 인수의 분석뿐만 아니라 숙련 된 운동 학습을 할 수 있습니다 (사이 세션) 학습 된 작업 (18)의 느린 학습 요소 및 유지 보수를 나타내는. 첫째, 쥐가 각 이해 한 후 자신의 축을 중심으로 설정하고, 따라서 다음 펠릿에 도달하기 전에 자신의 몸을 재편성하고 갱신 훈련 : 중요한 것은,이 행동 패러다임으로 인해 두 기능은 모터 기술 작업의 어려움과 복잡성의 정도를 증가 신체 방향, 동일 각도에서 일정한 운동 실행 방지한다. 둘째, 펠릿은 케이지의 전면에 배치 된 수직 기둥에서 검색됩니다. 때문에 게시물의 작은 직경, 펠릿은 쉽게 성공적인 검색 및 페이지에 대한 정확한 이해를 필요로 쫓겨 될 수있다reventing 간단한 동물을 향해 펠렛의 당기.
이러한 복잡한 행동 테스트는 운동 학습의 기초가되는 메커니즘에 대한 깊은 통찰력을 할 수 있습니다. 본 연구에서 제시된 쥐에 비해 쥐 복잡한 행동 작업의 성능이 우수하므로 더 적합 복잡한 패러다임에 대한 것입니다. 래트 19, 20에 대한 증가하는 유전자를 사용할 가능성 고려 유전 조작, 촬상 생리 기술에 정밀하고 잘 제어 된 행동 테스트 방법의 조합이 더 나은 모터 학습 및 기억의 신경 생물학적 기초를 이해하는 강력한 도구를 나타낸다.
Protocol
Representative Results
Discussion
. 본 연구에서 나타난 패러다임은 Buitrago 등 (18)에서 적응 주로 두 가지 측면에서 패러다임 (17)에 도달하는 고전적인 단일 펠렛 차이가있다 :
먼저, 내부 세션 개선 공부 이러한 평균 값으로 표현 느린 학습 컴포넌트에 비해 빨리 학습 컴포넌트의 조사와 같은 정보의 다른 레벨을 제공 할 수있는 단일 일 이내에 학습 과제의 분석 (도 3 참조 ?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 스위스 국립 과학 재단 (National Science Foundation) (부여 31003A-149315-1 MES 및 AZ에 부여 IZK0Z3-150809에), AZ 하이디 Demetriades 재단, 유럽 연구위원회 ( 'Nogorise')를 MES하고의 보조금에 의해 투자되었다 크리스토퍼와 다나 리브 재단 (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 | ||
Referências
- 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).
