JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

الممارسة المستمرة يحسن الدقة من الحركات المنسقة. ونحن هنا نقدم مهمة التوصل إلى واحد بيليه، الذي يهدف إلى تقييم مهارة التعلم والذاكرة من forelimb في الفئران.

Abstract

التوصل لواسترجاع الأشياء تتطلب حركات الحركية الدقيقة ومنسق في forelimb. عندما يتم تدريب الفئران مرارا وتكرارا لفهم واسترداد المكافآت الطعام المتمركزة في موقع معين، الأداء الحركي لها (كما هو موضح الدقة والسرعة) يحسن تدريجيا مع مرور الوقت، والهضاب بعد التدريب المستمر. بمجرد يتقن هذه المهارة الوصول، كذلك صيانته لا يتطلب الممارسة المستمرة. ونحن هنا نقدم مهمة التوصل إلى واحد بيليه لدراسة واقتناء وصيانة الحركات forelimb المهرة في الفئران. في هذا الفيديو، ونحن تصف السلوكيات الأول من الفئران التي واجهت عادة في هذا التعلم والذاكرة النموذج، ومن ثم مناقشة كيفية تصنيف هذه السلوكيات وقياس النتائج المرصودة. جنبا إلى جنب مع علم الوراثة الماوس، وهذا النموذج يمكن أن تستخدم كمنصة السلوكية لاستكشاف الأسس التشريحية، والخصائص الفسيولوجية، والآليات الجزيئية للتعلم والذاكرة.

Introduction

فهم آليات التعلم والذاكرة الكامنة هي واحدة من أكبر التحديات في علم الأعصاب. في الجهاز الحركي، وغالبا ما يشار إلى اكتساب المهارات الحركية الرواية مع الممارسة التعلم الحركي، في حين يعتبر الاحتفاظ المهارات الحركية تعلمت سابقا باسم الذاكرة الحركية 1. تعلم المهارات الحركية الجديدة عادة ما ينعكس في تحسين الأداء الحركي المطلوب مع مرور الوقت، حتى نقطة عند المهارات الحركية إما الكمال أو متسقة بصورة مرضية. بالنسبة لمعظم الحالات، يمكن للذاكرة الحركية المكتسبة تستمر لفترة طويلة من الزمن، حتى في غياب الممارسة. في البشر، وقد أظهرت الدراسات تصوير الأعصاب باستخدام البوزيترون الطبقي لانبعاثات (PET) والتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) أن القشرة الحركية الأولية (M1) التغييرات النشاط خلال مرحلة اكتساب المهارة الحركية التعلم 2-4، والتدخل مؤقتة من النشاط M1 من قبل التردد المنخفض التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة يؤدي إلى signiتعطلت ficantly الاحتفاظ المحركات تحسنا سلوكيا 5. وبالمثل، والتدريب forelimb محددة في الفئران يدفع اللدونة الوظيفية والتشريحية في M1، والتي تجسدت في زيادة كل من نشاط مكتب الاحصاء الاتحادي ج ونسبة المشبك / الخلايا العصبية في المقابل M1 إلى forelimb تدريب أثناء مرحلة متأخرة من المهارات الحركية التعلم 6. علاوة على ذلك، نموذج تدريب مماثل أيضا يقوي طبقة 2/3 وصلات الأفقية في M1 المقابل المقابلة لforelimb المدربين، مما أدى إلى انخفاض التقوية على المدى الطويل (الكمونية) وتعزيز الاكتئاب على المدى الطويل (LTD) بعد الحصول على الفئران المهام 7. هذا التعديل متشابك، ومع ذلك، لا يتم ملاحظتها في المناطق القشرية M1 الموافق forelimb غير مدربين أو hindlimbs 8. بدلا من ذلك، عندما تلف M1 خلال السكتة الدماغية، وهناك أوجه القصور الكبير في forelimb محددة المحركات المهارات 9. في حين أن معظم الدراسات السلوكية الحركية أجريت على البشر، قردق، والجرذان 2-8،10-17 والفئران تصبح نظاما نموذجا جذابا بسبب الوراثة القوية والتكلفة المنخفضة.

هنا نقدم forelimb محددة التعلم الحركي المهارات النموذج: مهمة التوصل إلى واحد بيليه. في هذا النموذج، ويتم تدريب الفئران على تمديد الأمامية من خلال فتحة ضيقة لفهم واسترجاع الكريات الغذائية (بذور الدخن) وضعه في مكان ثابت، وهو سلوك مماثلة لتعلم الرماية، السهام، الرمي، وكرات السلة اطلاق النار في الإنسان. تم تعديل هذه المهمة تمتد من الدراسات السابقة الفئران التي أظهرت نتائج مماثلة بين الفئران والجرذان 18. باستخدام اثنين من الفوتون التصوير عبر الجمجمة، وقد تابعت عملنا السابق ديناميات العمود الفقري شجيري (هياكل بعد المشبكي لنقاط الاشتباك العصبي مثير الأغلبية) مع مرور الوقت خلال هذا التدريب. وجدنا أن دورة تدريبية واحدة أدى إلى ظهور سريع في العمود الفقري شجيري جديدة على الخلايا العصبية الهرمية في المقابل القشرة الحركية إلى forelimb المدربين. Sالتدريب التي تبعت من نفس مهمة التوصل استقرت هذه تفضيلي العمود الفقري الناجم عن التعلم، والتي استمرت لفترة طويلة بعد إنهاء التدريب 19. علاوة على ذلك، العمود الفقري التي برزت خلال التكرار للوصول إلى المهمة تميل إلى التجمع على طول التشعبات، في حين شكلت العمود الفقري أثناء تنفيذ جنبا إلى جنب للوصول إلى مهمة ومهمة المحركات آخر forelimb محددة (أي مهمة التعامل مع المعكرونة) لم الكتلة 20.

في الفيديو الحاضر، ونحن تصف خطوة بخطوة الإعداد لهذا النموذج السلوكي، من الحرمان من الغذاء الأولي لتشكيل وتدريب الحركية. نحن أيضا تصف السلوكيات المشتركة من الفئران خلال عملية تنفيذ هذا النموذج السلوكي، وكيف يتم تصنيف هذه السلوكيات وتحليلها. أخيرا، نحن مناقشة التدابير الاحترازية اللازمة لممارسة مثل هذا النموذج التعلم والقضايا التي يمكن مواجهتها أثناء تحليل البيانات.

Protocol

وأجريت التجارب الموضحة في هذه المخطوطة وفقا للمبادئ التوجيهية واللوائح التي وضعتها جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز المؤسسية رعاية الحيوان واستخدام اللجنة.

1. الإعداد (انظر ايضا قائمة المواد)

  1. استخدام بذور الدخن كما الكريات الغذاء.
  2. استخدام واضحة غرفة مصنوعة خصيصا التدريب زجاجي (20 سم، 15 سم عمق، و 8.5 سم، يقاس من الخارج، مع سمك زجاجي 0.5 سم) يحتوي على ثلاثة الشقوق العمودية (شق واحد على 'تشكيل' الحافة، واثنين من الشقوق على عكس 'التدريب' الحافة). يجب أن تكون الشقوق العمودية 0.5 سم و 13 سم ويكون موجودا على الجدار الأمامي من مربع: في المركز، على الجانب الأيسر، وعلى الجانب الأيمن (الشكل 1A).
  3. استخدام علبة يميل إلى الاستمرار على البذور التي استخدمت خلال جلسات تشكيل. علبة يمكن صنعت خصيصا من ثلاث شرائح الزجاج (الشكل 1B).
  4. استعداداتإعادة منصة الغذائية (8.5 سم، 4.4 سم، و 0.9 سم). يتم وضع هذا المنبر الغذائية في الجانب الأمامي (التي تواجه المدرب) من غرفة التدريب من خلال دورات تدريبية. هناك نوعان من فتحات ديفت على منصة الغذائية للبذور تحديد المواقع، وفتحة واحدة على اليسار، وفتحة أخرى على الجانب الأيمن. وdivots هي 0.3 سم من الحافة الطويلة، و 2.4 سم من حافة عرض (الشكل 1C). اليسار وفتحات ديفت الحق تتوافق مع الشق الأيمن والأيسر في غرفة التدريب الماوس وتستخدم لتدريب الأمامية المهيمنة. الغرض من وجود هذه الفتحات ديفت هو ضمان أن يتم وضع البذور باستمرار في نفس المكان لكل محاولة الوصول.
  5. خلال الدورات يكون في يد زوج من ملقط، وعلى نطاق وزنها، وساعة توقيت.

2. الغذاء الحرمان (2 يوم)

  1. وزن كل فأر للحصول على وزن الجسم في خط الأساس قبل الحرمان من الطعام.
  2. الغذائية تقييد الفئران لمدة 2 يوما لبدء الجسمالخسارة. كنقطة بداية العام، وتعطى الفئران 0.1 غرام من المواد الغذائية في 1 غرام من وزن الجسم يوميا (مثل الماوس وزنها 15 جم، ونحن عادة ما تبدأ مع 1.5 غرام من المواد الغذائية). ضبط كمية من المواد الغذائية على أساس وزن الجسم الأساسية، فإن معدل فقدان الوزن، أو الجنس، والعمر من الفئران. في حين أن وزن الجسم قد تستمر في الانخفاض أكثر من ذلك بقليل خلال مرحلة تشكيل، مثل خفض وزن الجسم (أي ~ 90٪ من وزن الأساس الأصلي) ينبغي الحفاظ على جميع أنحاء التدريب (أرقام 2A و 2B). كمية من المواد الغذائية اللازمة للحفاظ على وزن الجسم الماوس، هو عادة نفس الكمية المستخدمة في قيود.

3. تشكيل (3-7 أيام)

  1. التأقلم الموائل مجموعة (يوم 1): وضع اثنين من الفئران في غرفة التدريب في نفس الوقت. وضع البذور حوالي 20 / الماوس داخل غرفة لاستهلاكهم. السماح الفئران للبقاء في غرفة لمدة 20 دقيقة ومن ثم وضعها مرة أخرى إلى وطنهمالقفص.
  2. التأقلم الفردية الموائل (يوم 2): نفس الإعداد كما في الخطوة 3.1، ولكن مكان الفئران في غرفة التدريب بشكل فردي. الغرض من المجموعة والتأقلم الموائل الفرد هو الحصول على الفئران مألوفة مع كل من غرفة التدريب وبذور الدخن.
  3. تحديد forelimb هيمنة (يوم 3 و في وقت لاحق): ضع الجانب فتحة واحدة للغرفة التدريب إلى أسفل (الشكل 1D). ملء علبة الطعام مع البذور. اضغط على الغذاء صينية ضد الجدار الأمامي للغرفة التدريب للسماح للبذور في متناول الماوس. وضع الفئران في قفص فردي. إذا كانت مهتمة بما فيه الكفاية في البذور تقع على صينية الطعام، فإنها محراث من خلال شق للحصول على البذور في الداخل. ثم أنها سوف تلتقط البذور وتستهلك منها. 'تشكيل' تعتبر منتهية عندما يتم استيفاء كل من المعايير التالية: 1) الماوس تجري محاولات التوصل إلى 20 في غضون 20 دقيقة، و2) أكثر من 70٪ الروافد هي عerformed مع forelimb واحدة.

الملاحظات:

  1. إذا كان يستخدم الماوس لغتها للحصول على البذور في الغرفة، حرك علبة مرة أخرى من شق قليلا. الزيادة في مسافة تصل يثبط الماوس لاستخدام لغتها للحصول على البذور، وبالتالي تسهل التوصل forelimb لها.
  2. إذا كان الماوس لا يمكن الانتهاء من تشكيل في غضون أسبوع، أسقطه من التجربة.

4. التدريب (8 + يوم)

  1. وضع ضعف الجانب الشق من غرفة التدريب إلى أسفل (الشكل 1E).
  2. وضع الفئران في قفص فردي. وضع البذور الفردية على منصة الطعام في ديفت المقابلة لمخلب المفضل (أي للفأر اليد اليمنى، استخدم فتحة على الجانب الأيمن الماوس،).
  3. مراقبة الماوس السلوك والتوصل يسجل وفقا للفئات التالية:
    1. نجاح: الفأر يصل مع مخلب المفضل، والقبضات صetrieves البذور، ويتغذى عليه في فمه.
    2. إسقاط: الفأر يصل مع مخلب المفضل، القبضات البذور، ولكن يسقط عليه قبل وضعه في فمه.
    3. تفشل: الفأر يصل مع مخلب المفضل نحو البذور، لكنه يفتقد إما البذور أو يقرع تشغيله من لوحة القابضة.
  4. تدريب الفئران لمدة 30 محاولات الوصول على الطرف المفضل أو 20 دقيقة (أيهما يأتي أولا) في اليوم الواحد.
  5. وضع الفئران إلى قفص وطنهم بعد التدريب وتوفير الكم الغذائية اليومية.

الملاحظات:

  1. في بعض الحالات، الفئران تصل حتى عندما لا يكون هناك البذور وضعت على منصة الغذاء. تعتبر هذه الروافد "عبثا الروافد" وليس تحسب نحو إجمالي عدد محاولات الوصول. لثني "عبثا الروافد"، الفئران القطار على السير إلى الطرف الآخر من الغرفة التدريب قبل وضع البذور المقبل. وقد استخدمت استراتيجية مماثلة في الفئرانق لمهمة السلوكية مماثلة 21. الفئران في بعض الأحيان تصل أيضا مع مخلب nonpreferred في وجود البذور. وتعتبر هذه الروافد 'الروافد المقابل "و لا تعد نحو عدد من الروافد سواء.
  2. للحد من التغيرات السلوكية نتيجة للتقلبات في إيقاع الساعة البيولوجية، تنفيذ جميع الدورات التدريبية وتشكيل في نفس الوقت من اليوم، خلال ساعات اليقظة العادية للفئران.
  3. لتجنب التباين السلوكي بسبب المدربين مختلفة، تأكد من أن الشخص نفسه يدرب نفسه الفئران في كافة مراحل التجربة.
  4. انتباه الفئران هو أمر حاسم لهذا الاختبار السلوكية. تدريب الفئران في غرفة منفصلة وهادئة للتقليل من اضطراب البيئة.
  5. يمكن تدريب الفئران مع أكثر من 30 تصل يوميا (على سبيل المثال 50 الروافد). زيادة عدد محاولات التوصل يجعل من الممكن لدراسة تحسين السلوكية داخل الدورة التدريبية نفسها.

5. داتوالكمي

هناك العديد من الطرق لقياس سلوك الماوس بعد التدريب. اثنين من التحليلات الأكثر مباشرة إلى الأمام هي:

  1. نسبة النجاح = الروافد ناجحة أكثر من مجموع محاولات الوصول، كما عرضت النسب المئوية. معدلات التسرب والفشل يمكن رسم بنفس الطريقة.
  2. سرعة نجاح = عدد المحاولات الناجحة مقسوما الوقت، قدم الروافد ناجحة في الدقيقة الواحدة. في معظم الحالات، فإن سرعة النجاح في الزيادة، حتى عندما يبلغ معدل نجاح الهضبة.

النتائج

منحنى التعلم:

التمكن من المهارات الحركية وغالبا ما يتطلب الممارسة المستمرة مع مرور الوقت. يتكون منحنى التعلم المتوسط ​​نموذجية من مرحلتين: مرحلة التي الاستحواذ المبدئية خلال نسبة النجاح يحسن تدريجيا، ومرحلة التوطيد في وقت لاحق ?...

Discussion

أهمية مرحلة تشكيل:

بسبب زيادة القلق من أن تكون في بيئة غير معروف، فإنه عادة ما يكون من الصعب على الفئران لتدريبهم في بيئة الرواية 21،22. وبالتالي، فإن الهدف من تشكيل هو تعريف الفئران مع غرفة التدريب، والمدرب (أي خفض مستويات...

Disclosures

الكتاب تعلن أي تضارب في المصالح.

Acknowledgements

ويدعم هذا العمل من خلال منحة (1R01MH094449-01A1) من المعهد الوطني للصحة العقلية لYZ

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Training chamber in clear acrylic boxFor dimensions, see Figure 1A
Tilted tray for shapingCustom-made from glass slides, see Figure 1B
Food platform for trainingFor dimensions, see Figure 1C
Millet seeds Filtered from “Wild Bird Food Dove and Quail Blend Wild Bird Food” (All Living Things)
ForcepsFor placing the seeds
A weighing scaleFor daily body weight measurement
A stopwatchFor time measurement during shaping/training sessions

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Muellbacher, W., et al. Early consolidation in human primary motor cortex. Nature. 415, 640-644 (2002).
  6. 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).
  7. Rioult-Pedotti, M. S., Friedman, D., Donoghue, J. P. Learning-induced LTP in neocortex. Science. 290, 533-536 (2000).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Smith, M. A., Ghazizadeh, A., Shadmehr, R. Interacting adaptive processes with different timescales underlie short-term motor learning. PLoS Biol. 4, (2006).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Xu, T., et al. Rapid formation and selective stabilization of synapses for enduring motor memories. Nature. 462, 915-919 (2009).
  20. 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).
  21. Whishaw, I. Q., Whishaw, P., Gorny, B. The structure of skilled forelimb reaching in the rat: a movement rating scale. J .Vis. Exp. , (2008).
  22. 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).
  23. Yu, X., Zuo, Y. Spine plasticity in the motor cortex. Curr. Opin. Neurobiol. 21, 169-174 (2011).
  24. 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).
  25. MacLellan, C. L., Gyawali, S., Colbourne, F. Skilled reaching impairments follow intrastriatal hemorrhagic stroke in rats. Behav. Brain Res. 175, 82-89 (2006).
  26. Hong, S. M., et al. Reduced hippocampal neurogenesis and skill reaching performance in adult Emx1 mutant mice. Exp. Neurol. 206, 24-32 (2007).
  27. 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).
  28. 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).
  29. Molinari, M., et al. Cerebellum and procedural learning: evidence from focal cerebellar lesions. Brain. 120, 1753-1762 (1997).
  30. Willuhn, I., Steiner, H. Motor-skill learning in a novel running-wheel task is dependent on D1 dopamine receptors in the striatum. Neuroscience. 153, 249-258 (2008).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

85 forelimb

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved