收购高精度熟练的前肢到达任务大鼠

摘要

A paradigm is presented to analyze the acquisition of a high-precision skilled forelimb reaching task in rats.

摘要

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.

引言

运动控制是中枢神经系统（CNS）的核心功能。 Motricity公司是CNS功能的主要衡量输出和主​​可能性为个人与外部世界进行交互。理解运动功能的原理和背后的电动机任务的学习是目前在神经科学的大挑战之一的机制。购置一台新电机的任务后，形态，生理和分子的变化被发现。例如，形状和突触的数目改变以响应熟练马达训练^1-5，和突触机械的功能改变动作的学习后观察。突触反应是在经训练的运动皮层相比，同样的动物或从未经训练的动物^6,7-响应的未经训练的半球前肢-表示区域的连接更高。电观察也表明，长时程增强（LTP）和长-term抑制（LTD）一样的机制发生了新的运 ​​动技能的学习过程中，那突触操作，这是LTP和LTD。饱和的限制边界之间限定的范围内，被修改^8。此外，已经表明，活性标记和可塑性促进分子如c-fos的GAP-43，或BDNF而且可塑性抑制分子例如为学习相关的神经可塑性^9-16的Nogo-A显示调节作用。

对更好地理解运动学习的基本机制的这些进展只能与使用行为范式，使收购一个新的运 ​​动技能， 比如，熟练前肢深远的精确控制来实现。只有一个结构良好的行为的任务允许监视并捕捉后的学习和执行各自的任务发生的相关变化。在这里，我们在视觉上表明本领域技术前肢的修改后的版本大鼠改编自布伊特拉戈等 ¹⁷所呈现的范例单颗粒到达任务允许移动收购的日常训练（在会议期间）内的分析代表了快速学习成分和主要收购以及熟练的运动学习过几次会议代表所学的任务¹⁸的慢学习成分和维护（之间的会话）。重要的是，这种行为模式增加了难度和复杂的运动技能的任务，因为两个特征的程度:首先，老鼠被训练把握每一个后转身的轴，从而调整其身前的下一个颗粒范围和更新体内取向，从而防止从相同的角度恒定运动执行。第二，小球被检索从一个垂直柱放置在笼子前面。由于小直径的帖子，小球很容易被踢掉需要精确把握成功的检索和preventing简单拉向动物的颗粒。

如此复杂的行为测试可以更深入地了解运动学习的基本机制。相比小鼠，大鼠是在复杂的行为任务的性能优越，因此更适合于复杂的范例如本研究中提出。考虑可用于大鼠^19,20的增加的遗传可能性，精确和良好控制的行为测试方法与遗传操作，成像和生理技术的结合代表了强大的工具箱，以便更好地了解电动机的学习和记忆的神经生物学基础。

研究方案

所有实验均按照苏黎世州，瑞士的兽医办公室的指导进行。

1.动物处理和习惯化

1. 动物处理
   注意:在实验开始前5天，每日执行步骤1.1.1。
   1. 对于行为实验，习惯于在动物实验者。每天有处理会话持久每头牲畜10-15分钟。清洁每只动物的会议结束后的框。
      1. 最初，将实验者的手伸进笼子允许动物的探索和闻到熟悉该项实验者。
      2. 接着，轻轻抓住前端和后爪允许进一步熟悉的大鼠身上解除用实验者的手以安全的方式在动物。
   2. 权衡每个动物每天获取食物匮乏前基线体重。
2. 设备和习惯化熟悉食品
   1. 权衡每个动物每天获取食物匮乏前基线体重。
   2. 启动食品剥夺大鼠前3天的在标准实验室的饮食训练前的开始。给大鼠0.05克每人每天1克体重的食物（ 如老鼠体重200克，开始用10克的食物）。确保体重由日常监测体重没有减少，每天超过10％。
      1. 如果几个动物在一个笼子里举行的，显性老鼠可能吃的比少占主导地位的。如果一个动物的减少体重，饲料分别代替组饲喂动物。给自由饮水 。
   3. 到熟悉与把持装置的大鼠，将动物放入训练框（ 图1）。有糖粒料放置在训练箱在接近狭缝开口熟习的食物丸的动物。执行此STEP 10-15分钟每日3天。

2.前培训和运动技能学习

1. 训练前
   1. 熟悉后一天，将动物放入训练箱并紧密放置沉淀的狭缝开口，因此它可以通过动物的舌头到达。在训练前排除检索粒料与动物的前肢
      注:在这个阶段，颗粒检索用舌头是至关重要的，通常是动物的选择方法。小球应该是在没有把握的情况下，前肢直到运动技能学习的第一天，以允许足够的监测了解​​到深远的任务。颗粒与检索在预培训的前肢是排除标准，并在未观察到大多数情况下。
   2. 教老鼠要么跑到笼子的后部，并返回到缝隙打开或退后一步，把绕自身轴线，以接收下一个食物颗粒与舌。允许时间为动物探索笼，运行到后，并返回到狭缝开口。如果动物不能正确执行任务，使用镊子轻轻拍打在笼结束后，赶上了动物的关注。一旦动物是在后方，轻轻拍打在笼子前面到动物引导到狭缝开口。
      注意:一旦动物达到规定的标准值（ 例如，50成功检索颗粒在不到15分钟的舌头），动物资格的运动技能学习阶段。在第1天和2的预培训，学员已经可以从非学生区别开来。非学习者可以从研究中排除在此步骤。这减小期间马达的学习步骤（2.2），其具有高数量的非学习的概率。
   3. 在训练前，剥夺食物在标准实验室老鼠的饮食。给自由饮水 。每天监测体重整个研究。办不使用同一个房间里训练雄性和雌性大鼠。确保动物平静和无噪音的环境。
2. 爪子偏好和运动技能学习的测定
   1. 在运动技能学习的第一次会议，替换在后窗前的幻灯片。将糖颗粒约1.5厘米的距离帖子上的窗口，使动物无法与舌头的颗粒，但只能通过精确的前肢达到和把握运动检索。
      1. 要强制颗粒检索的前肢，使用镊子轻轻将小球接近动物的嘴和收回沉淀而动物尝试用舌头消费。执行这项任务重复，直到动物伸出前肢和掌握颗粒。
   2. 将后中央到对外开放的窗口。为了确定爪子偏好，仔细观察训练日第10次试验的REAC 1.超过70％兴的尝试（ 即，7满分10分）必须具有相同的前肢被执行。如果这不能实现，继续与另一轮的10个试验，直到70％的阈值被达到。
   3. 经过爪子偏好的决心，转向首选的前肢和后中央对齐到窗口开放的边界。优选的爪对准装置后移位违背各自爪子以允许最佳角度为达成（ 图1B中的C）。
   4. 分类试验，定义为一个新的颗粒呈现给动物，为成功（到达，把握，检索和吃小球），降（到达，把握和检索过程中失去颗粒）或失败（敲断沉淀后）。记下你的每片试实验后分析数据。
   5. 执行一个日常会话，包括定义试验次数（ 例如，150）或最大时间（ 例如，1小时）对每只动物。
   6. 调查精度和微调运动用的第一次尝试的分析。第一次尝试通过不中断，犹豫或个人的运动部件的重复在一个单一的整体运动抓沉淀的定义。仔细观察每一个被抓的老鼠。
      1. 如果老鼠犹豫或在达到缩回或企图多次试验，以正确把握颗粒，注意相应的试验是成功，但没有第一次尝试。如果动物成功地掌握在单片前往颗粒，记下各自的审判在你的表中单独列成功的第一次尝试。
   7. 在运动技能的学习，剥夺食物在标准实验室老鼠的饮食。给自由饮水 。每天监测体重整个研究。

结果

成功的运动技能采集只能通过一贯的做法来实现。尽管仔细考虑的所有方面，一些老鼠不学习任务（ 图2）。这些"非学习者的任一缺乏动力导致粒料检索少数或缺席尝试从实验开始或通常失去兴趣达成为领先粒料连续失败的尝试。与此相反，一些动物显示出导致overhasty侵略性和过度激励的行为，并冲抓，导致失败的尝试。不成功的学习者的第三组是那些以高成功率，不要使显著的改?...

讨论

在这项研究中所示的范例适于从布伊特拉戈等人 ¹⁸和不同于经典单粒料达到主要在两个方面的范例^17:

首先，研究内会话的改进允许在一个单一的一天的学习任务，它可以提供一个不同的级别的信息，如快速学习组件的调查相比，由平均每天值表示的慢学习组件的分析（ 见图3和4）。二，行为范式这里提出增加难度和复杂的运动...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Training box			Self Made
Pedestal			Self Made
Sugar pellets	TSE Systems Intl. Group		45 mg dustless precision pellets
Sprague Dawley rats			5-6 week old males
Laptop computer	Hewlett Packard
Stop Watch
Forceps	Fine Science Tools (FST)
Excel	Microsoft
Prism	GraphPad
Weighing scale
Counter