Erwerb eines Hochpräzise Skilled Vorderbein Erreichen Aufgabe in Ratten

Zusammenfassung

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

Zusammenfassung

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.

Einleitung

Bewegungssteuerung ist eine Kernaufgabe des zentralen Nervensystems (ZNS). Motorik ist die Haupt meßbare Ausgabe des ZNS-Funktion und die Haupt Möglichkeit des Individuums mit der externen Welt zu kommunizieren. Das Verständnis der Prinzipien der Motorik und der Mechanismen, die zugrunde liegen, das Erlernen einer motorischen Aufgabe ist derzeit eine der großen Herausforderungen in der Neurowissenschaft. Morphologischen, physiologischen und molekularen Veränderungen wurden beim Erwerb eines neuen Kraft Aufgabe gefunden. Zum Beispiel die Form und die Anzahl der Synapsen verändern als Reaktion auf Fachkraftausbildung ^1-5, und funktionelle Veränderungen der synaptischen Maschinen wurden nach motorischen Lernens beobachtet. Synaptischen Antworten wurden in den Verbindungen der forelimb darstellende Bereich des ausgebildeten motorischen Kortex im Vergleich zum ungeschulten Hemisphäre des gleichen Tier oder Antworten von trainierten Tieren und ^6,7 höher. Elektrophysiologische Beobachtungen legen nahe, dass auch Langzeit-Potenzierung (LTP) und Lang-term Depression (LTD), wie Mechanismen finden während des Erlernens einer neuen motorischen Fertigkeit, und daß im Bereich der synaptischen Betrieb, der zwischen den begrenzenden Grenzen von LTP und LTD Sättigung definiert ist, wird modifiziert ^8. Weiterhin hat es sich gezeigt, dass Aktivität und Plastizität Marker Vermittlermoleküle wie c-fos, GAP-43 oder BDNF auch Plastizität Hemmung Moleküle wie Nogo-Anzeige regulatorische Funktionen für das Lernen bedingten neuronalen Plastizität ^9-16.

Diese Fortschritte zu einem besseren Verständnis der Mechanismen des motorischen Lernens zugrunde liegenden konnte nur mit dem Einsatz von Verhaltensparadigmen, die eine präzise Kontrolle des Erwerbs eines neuen motorischen zB Fach forelimb reich erlauben erreicht werden. Nur eine gut strukturierte Verhaltensaufgabe ermöglicht die Überwachung und Erfassung Korrelat Änderungen, die nach dem Lernen und Ausführung der jeweiligen Aufgabe auftreten. Hier wir visuell eine modifizierte Version des Fach forelimb demonstrierenSingle-Pellet Erreichen Aufgabe bei Ratten von Buitrago et al. ¹⁷ Die vorgestellte Paradigma angepasst erlaubt die Analyse der Bewegungserfassung in einem täglichen Trainingseinheit (max-session), die die schnelle Lernkomponente und Grunderwerb sowie qualifizierte motorische Lernen über mehrere Sitzungen (zwischen den Sitzungen), die die langsamen Lernkomponente und die Wartung der gelernt Aufgabe ^18. Wichtig ist, erhöht diese Verhaltensparadigma den Schwierigkeitsgrad und die Komplexität der motorischen Aufgabe auf zwei Funktionen: Erstens, die Ratten darauf trainiert, um ihre Achse nach jedem Griff drehen und so ihre Körper neu auszurichten vor der nächsten Pellet Reichweite und erneuern der Körper Ausrichtung und verhindert ständige Bewegung der Ausführung aus dem gleichen Winkel. Zweitens werden die Pellets aus einem vertikalen Pfosten vor dem Käfig geholt. Aufgrund des geringen Durchmessers der Post, Pellets kann leicht erfordern eine genaue Verständnis für eine erfolgreiche Wiederherstellung und p gekicktreventing einfaches Abziehen des Pellets gegenüber dem Tier.

Solche komplexen Verhaltenstests ermöglicht tiefere Einblicke in die Mechanismen des motorischen Lernens zugrunde. Im Vergleich zu Mäusen, Ratten sind überlegen in ihrer Leistung von komplexen Verhaltensaufgaben und somit besser geeignet für komplexe Paradigmen, wie in dieser Studie dargestellt. Angesichts der zunehmenden genetischen Möglichkeiten für Ratten ^19,20, die Kombination von präzisen und gut kontrollierte Verhaltenstestverfahren mit genetischen Manipulationen, Imaging und physiologischen Techniken stellt ein leistungsfähiges Tool-Box, um die neurobiologischen Grundlagen des motorischen Lernens und Gedächtnis besser zu verstehen.

Protokoll

Alle Experimente wurden in Übereinstimmung mit den Richtlinien der Veterinäramt des Kantons Zürich, Schweiz durchgeführt.

1. Tier Handhabung und Habituation

1. Tiertransporter
   Hinweis: 5 Tage vor dem Beginn des Experiments, führen Sie Schritt 1.1.1 täglich.
   1. Für Verhaltensexperimente, gewöhnen die Tiere an den Experimentator. Haben täglichen Umgang Stunden à 10-15 Minuten pro Tier. Reinigen Sie die Box nach Sitzung jedes Tieres.
      1. Zunächst legen Sie die Hand des Experimentators in einen Käfig ermöglicht, das Tier zu erforschen und zu riechen vertraut gemacht mit dem Versuchsleiter zu werden.
      2. Als nächstes heben Sie das Tier mit der Hand des Experimentators in einer sicheren Weise durch Ergreifen Körper der Ratte zwischen den Vorder- und Hinterpfoten so dass weitere Einarbeitung.
   2. Wiegen Sie jedes Tier täglich um eine Grundlinie Körpergewicht vor der Nahrungsentzug erhalten.
2. Gerät Habituation und Lebensmittel Familiarization
   1. Wiegen Sie jedes Tier täglich um eine Grundlinie Körpergewicht vor der Nahrungsentzug erhalten.
   2. Beginnen Nahrungs berauben Ratten 3 Tage vor Beginn der Vorausbildung auf einer Standardlabordiät. Geben Ratten 0,05 g Futter pro 1 g Körpergewicht pro Tag (zB eine Ratte mit einem Gewicht von 200 g, beginnen Sie mit 10 g Futter). Stellen Sie sicher, das Körpergewicht um mehr als 10% pro Tag nicht abnehmen durch Überwachung Körpergewicht täglich.
      1. Wenn mehrere Tiere in einem Käfig gehalten, können dominant Ratten mehr als weniger Herrschenden zu essen. Für den Fall, das Körpergewicht eines Tieres ab, das Tier zu füttern, anstatt separat Gruppe Fütterung. Geben Sie Wasser ad libitum.
   3. Um die Ratte mit der Greifvorrichtung bekannt zu machen, legen Sie das Tier in das Trainingsfeld (Abbildung 1). Haben Zuckerpellets in dem Trainingsfeld in der Nähe der schlitzförmigen Öffnung angeordnet, um das Tier mit dem Futterpellets vertraut. Führen Sie diese step 10-15 Minuten täglich über 3 Tage.

2. Pre-Training und Motorik Learning

1. Pre-Training
   1. Einen Tag nach der Einarbeitung, legen Sie das Tier in das Trainingsfeld und legen Sie das Pellet in engem Zusammenhang mit der Schlitzöffnung, damit es durch das Tier Zunge erreicht werden kann. Tiere, die Pellets mit ihren Vorderbein abrufen während der Pre-Training ausschließen
      Hinweis: In diesem Stadium ist Pellet Retrieval mit der Zunge und in der Regel von entscheidender Bedeutung Methode der Wahl des Tieres. Pellets sollte auf keinen Fall mit der Vordergliedmaße erfasst werden, bis der erste Tag des motorischen Lernens, um eine angemessene Überwachung der gelernt Erreichen Aufgabe zu ermöglichen. Pellet Abruf mit dem Vorderbein während der Pre-Training ist ein Ausschlusskriterium und ist in den meisten Fällen nicht beobachtet.
   2. Unterrichten Sie die Ratte entweder auf der Rückseite des Käfigs führen und zum Schlitzöffnung oder einen Schritt zurück und drehen sich um die eigene Achse, um die nächste Futterpellet mit erhaltendie Zunge. Nehmen Sie sich Zeit für das Tier, um den Käfig zu erforschen, führen nach hinten und zur Schlitzöffnung. Wenn das Tier nicht ordnungsgemäß die Aufgabe ausführen, verwenden Sie eine Zange zu klopfen Sie leicht am Ende hinter dem Käfig und fangen die Aufmerksamkeit des Tieres. Sobald das Tier ist an der Rückseite, klopfen Sie leicht an der Käfigvorder, um das Tier zu der Schlitzöffnung zu führen.
      Hinweis: Wenn das Tier eine definierte Standardwert erreicht (zB 50 erfolgreiche Pellet Abfragen mit der Zunge in weniger als 15 min), qualifiziert sich das Tier für den motorischen Lernphase. Am Tag 1 und 2 der vor dem Training können die Lernenden bereits aus Nicht-Lernenden unterschieden werden. Non-Lernende aus der Studie in diesem Schritt ausgeschlossen werden. Dies verringert die Wahrscheinlichkeit, dass eine hohe Anzahl an nicht-Lernenden während des Motorlernschritt (2.2).
   3. Während vor dem Training, Nahrung zu entziehen Ratten auf einem Standard-Labordiät. Geben Sie Wasser ad libitum. Überwachen Körpergewicht täglich während der gesamten Studie. Machennicht verwenden, gleiche Zimmer zu männlichen und weiblichen Ratten zu trainieren. Stellen Sie sicher, einen ruhigen und lärmfreien Umgebung für das Tier.
2. Bestimmung von Paw Vorlieben und Motorik Learning
   1. Während der ersten Sitzung des motorischen Lernens, ersetzen Sie den Schieber vor dem Fenster mit einem Beitrag. Setzen Sie den Zucker Pellet etwa 1,5 cm vom Fenster auf der Post, so dass das Tier das Pellet mit seiner Zunge nicht erreichen, sondern nur abrufen durch eine präzise forelimb Erreichen und Greifen Bewegung.
      1. Um Pellet Abruf durch den Vorderbein durchzusetzen, verwenden Sie eine Zange, um sanft zu bringen das Pellet in der Nähe von Mund des Tieres und Einfahren des Pellets während das Tier versucht Verbrauch mit der Zunge. Diese Aufgabe wiederholt, bis das Tier streckt die Vordergliedmaße und greift ein Pellet.
   2. Legen Sie die Post von zentraler Bedeutung für die Fensteröffnung. Um Pfote Vorlieben bestimmen, genau zu beobachten, die ersten 10 Versuche auf Trainingstag 1. Mehr als 70% der reacHing Versuchen (dh 7 von 10) mit der gleichen forelimb ausgeführt werden. Wenn dies nicht erreicht wird, mit einer weiteren Runde von 10 Studien fort, bis die 70% -Schwelle erreicht.
   3. Nach paw Präferenzkalkulation, verschieben die Post in Richtung der bevorzugten Vorderbein und richten zentralen bis zur Grenze der Fensteröffnung. Bevorzugte paw Ausrichtung bedeutet, dass der Beitrag wird im Gegensatz zu der jeweiligen Pfote verlagert, um einen optimalen Winkel zu erreichen (Abbildung 1B, C) ​​zu ermöglichen.
   4. Klassifizieren eine Studie definiert als eine neue Pellet an das Tier präsentiert, so erfolgreich (zu erreichen, zu erfassen, abrufen und essen das Pellet), Tropfen (zu erreichen, Verständnis und Pellet zu verlieren während Retrieval) oder nicht (Knock-Pellet von der Post). Notieren Sie sich jede Prüfung in Ihrem Blatt und die Daten nach dem Versuch zu analysieren.
   5. Führen einer täglichen Sitzung aus einer festgelegten Anzahl von Versuchen (beispielsweise 150) oder einer maximalen Zeit (beispielsweise 1 Stunde) für jedes Tier.
   6. Untersuchen Präzision und Feinabstimmungder Bewegung mit ersten Versuch Analyse. Ein erster Versuch wird durch das Greifen des Pellets in einem einzigen monolithischen Bewegung ohne Unterbrechung, Zögern oder Wiederholung der einzelnen Bewegungskomponenten definiert. Beachten Sie sorgfältig jedes Verständnis von der Ratte.
      1. Wenn die Ratte zögert oder fährt während einer Reichweite oder versucht mehrere Versuche, um das Pellet vollständig zu erfassen, beachten Sie die entsprechenden Studie als Erfolg jedoch nicht erste Versuch. Wenn das Tier des Pellets in einem einzigen monolithischen Reichweite erfolgreich ergreift, notieren Sie die jeweilige Studie als erfolgreich erster Versuch in einer separaten Spalte in Ihrem Blatt.
   7. Während der motorischen Lernens, Nahrung zu entziehen Ratten auf einem Standard-Labordiät. Geben Sie Wasser ad libitum. Überwachen Körpergewicht täglich während der gesamten Studie.

Ergebnisse

Erfolgreiche Motor Erwerb von Fähigkeiten ist nur durch konsequente Praxis erreicht. Trotz sorgfältiger Prüfung aller Aspekte, einige Ratten fehlschlagen, um die Aufgabe (Abbildung 2) zu lernen. Diese "Nicht-Lernenden entweder Motivation fehlt, was zu einigen oder nicht vorhanden Versuche der Pellet Abruf aus dem Beginn des Experiments oder allgemein zu verlieren Interesse an der Griff nach den Pellets, die zu kontinuierlichen Fehlversuchen. Dagegen zeigen einige Tiere aggressiv und über motivi...

Diskussion

. Die in dieser Studie gezeigt Paradigma aus Buitrago et ¹⁸ al angepasst und unterscheidet sich von der klassischen Einzelpellet Erreichen Paradigma ¹⁷ vor allem in zwei Punkten:

Zunächst studiert in-session Verbesserung ermöglicht die Analyse des gelernten Aufgabe innerhalb eines Tages, die eine andere Ebene der Informationen, wie Untersuchung des schnellen Lernkomponente im Vergleich zum langsamen Lernkomponente von den durchschnittlichen Tageswert...

Materialien

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
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