Studio Skill Motor Learning by Single-pellet attività Raggiungere in topi

Riepilogo

Persistente pratica migliora la precisione dei movimenti coordinati. Qui vi presentiamo un compito raggiungendo singolo pellet, che è stato progettato per valutare l'abilità di apprendimento e la memoria di forelimb nei topi.

Abstract

Raggiungere e recuperare gli oggetti richiedono movimenti precisi e coordinati motore nella zampa anteriore. Quando i topi sono ripetutamente addestrati a cogliere e recuperare le ricompense alimentari posizionate in un luogo specifico, le loro prestazioni motore (definita come precisione e velocità) migliora progressivamente nel tempo, e altipiani dopo l'allenamento persistente. Una volta che tale abilità di raggiungere è padroneggiata, la sua successiva manutenzione non richiede una pratica costante. Qui vi presentiamo un compito di raggiungere single-pellet per studiare l'acquisizione e il mantenimento dei movimenti degli arti anteriori specializzati nei topi. In questo video vengono descritti i comportamenti dei topi che si incontrano comunemente in questo paradigma di apprendimento e memoria, e poi discutere su come classificare questi comportamenti e quantificare i risultati osservati. In combinazione con la genetica del mouse, questo paradigma può essere utilizzato come una piattaforma comportamentale per esplorare le basi anatomiche, fisiologiche, proprietà e meccanismi molecolari di apprendimento e memoria.

Introduzione

La comprensione dei meccanismi dell'apprendimento e della memoria di base è una delle più grandi sfide nel campo delle neuroscienze. Nel sistema del motore, l'acquisizione delle abilità motorie romanzo con la pratica è spesso definito come apprendimento motorio, mentre il mantenimento delle abilità motorie apprese in precedenza è considerato come la memoria motore ^1. Imparare una nuova abilità motoria è di solito riflette nel miglioramento delle prestazioni del motore desiderato nel tempo, fino a un punto in cui l'abilità del motore o è perfezionato o soddisfacente coerente. Per la maggior parte dei casi, la memoria motoria acquisita può persistere per un lungo periodo di tempo, anche in assenza di pratica. Negli esseri umani, studi di neuroimaging utilizzando la tomografia a emissione di positroni (PET) e la risonanza magnetica funzionale (fMRI) hanno dimostrato che la corteccia primaria del motore (M1) cambi di attività durante la fase di acquisizione di abilità apprendimento motorio ^2-4, e l'interferenza temporaneo delle attività della M1 da stimolazione magnetica transcranica a bassa frequenza porta a significantly interrotto mantenimento di miglioramento comportamentale motore ^5. Allo stesso modo, formazione specifica degli arti anteriori nel ratto induce plasticità funzionale e anatomica nella M1, esemplificato dalla crescita delle attività sia c-fos e rapporto sinapsi / neurone del controlaterale M1 alla zampa anteriore addestrati durante la fase tardiva di abilità motoria di apprendimento ^6. Inoltre, un paradigma di formazione simile rafforza anche livello 2/3 collegamenti orizzontali nel controlaterale M1 corrispondente alla zampa anteriore addestrato, con conseguente riduzione del potenziamento a lungo termine (LTP) e una maggiore depressione a lungo termine (LTD) dopo i ratti ad acquisire le attività ^7. Tale modifica sinaptica, tuttavia, non si osserva nelle regioni corticali M1 corrispondenti a forelimb inesperto o arti posteriori ^8. In alternativa, quando la M1 è danneggiato attraverso ictus, ci sono carenze drammatiche arti anteriori specifiche abilità ^motorie-9. Mentre la maggior parte degli studi comportamentali del motore sono stati condotti sugli esseri umani, scimmias, e ratti ^2-8,10-17, i topi diventano un sistema modello attraente a causa dei suoi potenti genetica e basso costo.

Qui vi presentiamo una zampa anteriore specifico apprendimento motorio-skill paradigma: un compito di raggiungere single-pellet. In questo paradigma, i topi sono addestrati a estendere le loro arti anteriori attraverso una stretta fessura di cogliere e recuperare pellets alimentari (semi di miglio) posizionate in un luogo fisso, un comportamento analogo a imparare tiro con l'arco, freccette-lancio, palloni da basket e tiro in umana. Questo compito di raggiungere è stato modificato da studi effettuati su ratti precedenti che hanno mostrato risultati simili tra i topi e ratti ^18. Utilizzo di due fotoni di imaging transcranica, il nostro lavoro precedente ha seguito le dinamiche di spine dendritiche (strutture post-sinaptici per sinapsi eccitatorie maggioranza) nel corso del tempo durante questa formazione. Abbiamo scoperto che una singola sessione di allenamento ha portato a un rapido emergere di nuove spine dendritiche sui neuroni piramidali della corteccia motoria controlaterale alla zampa anteriore addestrato. Subsequent formazione dello stesso compito di raggiungere preferenzialmente stabilizzato queste spine di apprendimento indotti, che persisteva a lungo dopo l'allenamento terminato ^19. Inoltre, spine che sono emerse durante le ripetizioni di raggiungere compito tendevano a raggrupparsi lungo dendriti, mentre spine formatisi durante l'esecuzione in tandem di raggiungere compito e un altro compito motorio specifico zampa anteriore (cioè il compito manipolazione pasta) non raggruppano ^20.

Nel presente video, descriviamo passo-passo la configurazione di questo paradigma comportamentale, dalla privazione di cibo iniziale per formatura, e alla formazione motore. Abbiamo anche descrivono i comportamenti più comuni dei topi durante il processo di esecuzione di questo paradigma comportamentale, e di come questi comportamenti sono suddivisi in categorie e analizzato. Infine, discuteremo le misure precauzionali necessarie per praticare tale paradigma di apprendimento e le problematiche che si possono incontrare durante l'analisi dei dati.

Protocollo

Esperimenti descritti in questo manoscritto sono stati eseguiti in conformità con le linee guida e regolamenti stabiliti dall'Università di California, Santa Cruz Istituzionale cura degli animali e del Comitato Usa.

1. Setup (vedi anche Materials List)

1. Usare semi di miglio come pellet cibo.
2. Utilizzare una chiara camera di plexiglas formazione su misura (altezza 20 cm profondità 15 cm e larghezza 8,5 cm, misurata dall'esterno, con lo spessore del plexiglas 0,5 centimetri) che contiene tre feritoie verticali (una fessura sul bordo 'plasmare', e due feritoie sul bordo opposto 'formazione'). Le fessure verticali devono essere larga 0,5 cm e altezza 13 cm e contengono essere situato sulla parete anteriore della scatola: nel centro, sul lato sinistro, e sul lato destro (Figura 1A).
3. Utilizzare un vassoio inclinato per contenere i semi utilizzati durante le sessioni di plasmare. Il vassoio può essere su misura da tre lastre di vetro (Figura 1B).
4. Prepare una piattaforma alimentare (lungo 8,5 centimetri, larga 4,4 centimetri e 0,9 centimetri di altezza). Questa piattaforma cibo è collocato nella parte anteriore (rivolta verso l'allenatore) della camera di formazione durante gli allenamenti. Ci sono due slot divot sulla piattaforma cibo per i semi di posizionamento, uno slot a sinistra, e l'altro alloggiamento sul lato destro. Le zolle sono di 0.3 cm dal bordo lungo, e 2,4 cm dal bordo larghezza (Figura 1C). La sinistra e slot divot giuste corrispondono alla fessura sinistra e destra nella camera di formazione del mouse e sono utilizzati per la formazione di arti anteriori dominanti. Lo scopo di avere questi slot divot è garantire che il seme è posto costantemente nello stesso luogo per ogni tentativo di raggiungere.
5. Durante le sessioni hanno in mano un paio di pinze, bilancia e cronometro.

2. Alimenti Deprivazione (2 giorni)

1. Pesare ogni mouse per ottenere un peso corporeo di base prima di privazione di cibo.
2. Food-limitare topi per 2 giorni per avviare peso corporeoperdita. Come punto di partenza generale, mouse sono dati 0,1 g di alimento per 1 g di peso corporeo al giorno (ad esempio un mouse pesa 15 g, di solito inizia con 1,5 g di cibo). Regolare la quantità di cibo in base al peso corporeo basale, il tasso di perdita di peso, sesso ed età di topi. Mentre il peso corporeo può continuare a diminuire un po 'durante la fase di sagomatura, tale riduzione del peso corporeo (cioè ~ 90% del peso originale di base) deve essere mantenuta durante la formazione (Figure 2A e 2B). La quantità di cibo necessario per mantenere il peso corporeo del topo è tipicamente uguale alla quantità utilizzata in restrizione.

3. Shaping (3-7 giorni)

1. Habitat gruppo acclimatazione (giorno 1): mettere due topi nella camera di formazione allo stesso tempo. Mettere circa 20 semi / mouse all'interno della camera per il loro consumo. Lasciare i topi a rimanere in camera per 20 minuti e poi rimessi nella loro casagabbia.
2. Persona di acclimatazione habitat (Day 2): la stessa configurazione come al punto 3.1, ma posto topi nella camera di formazione individuale. Lo scopo del gruppo e del singolo acclimatazione habitat è quello di ottenere i topi familiarità sia con la camera di formazione e dei semi di miglio.
3. Determinazione del forelimb dominanza (Day 3 e successive): Posizionare il singolo lato fessura della camera di formazione rivolto verso il basso (Figura 1D). Riempire la vaschetta di cibo con i semi. Premere il cibo bacinella contro la parete frontale della camera di formazione per consentire i semi accessibili al mouse. Mettere i topi in gabbia individualmente. Se sono sufficientemente interessati nei semi posti sul vassoio di cibo, avrebbero aratro attraverso la fessura per ottenere il seme all'interno. Saranno poi raccogliere i semi e li consumano. 'Shaping' è considerata conclusa quando entrambi i seguenti criteri sono soddisfatti: 1) il mouse conduce 20 tentativi di raggiungere entro 20 minuti, e 2) oltre il 70% raggiunge sono performed con una zampa anteriore.

Note:

1. Se il mouse usa la sua lingua per ottenere i semi nella camera, spostare il vassoio dalla fessura leggermente. L'aumento della distanza raggiungendo scoraggia il mouse per utilizzare la lingua per acquisire il seme e quindi facilita il suo forelimb raggiungere.
2. Se il mouse non può finire plasmare entro una settimana, cadere dall'esperimento.

4. Formazione (8 + Giorni)

1. Posizionare il lato della doppia fenditura della camera di formazione rivolto verso il basso (Figura 1E).
2. Posizionare il mouse nella gabbia singolarmente. Mettere semi individuali sulla piattaforma cibo in zolla corrispondente alla zampa preferita (vale a dire per la mano destra del mouse, usare la fessura sul lato destro del mouse).
3. Osservare il comportamento raggiungendo il mouse e il punteggio secondo le seguenti categorie:
   1. Successo: Il mouse raggiunge con la zampa preferita, afferra e retrieves il seme, e alimenta nella sua bocca.
   2. Goccia: Il mouse raggiunge con la zampa preferita, afferra il seme, ma scende prima di metterlo in bocca.
   3. Fail: Il mouse raggiunge con la zampa preferita verso il seme, ma neanche manca il seme o bussa fuori dalla lamiera di fissaggio.
4. Addestrare i topi per 30 raggiungendo tentativi da parte preferita o 20 min (quello che viene prima) al giorno.
5. Mettere i topi al loro gabbia a casa dopo l'allenamento e fornire quotidianamente cibo quantum.

Note:

1. In alcuni casi, i topi raggiungono anche quando non c'è seme posto sulla piattaforma cibo. Tali estensioni sono considerati "raggiunge in-invano" e non sono conteggiati ai fini del numero totale dei tentativi di raggiungere. Per scoraggiare "raggiunge in-invano", i topi treno per ritornare a piedi l'altra estremità della camera di formazione prima di posizionare il prossimo seme. Una strategia simile è stata utilizzata nel rattos per un'attività comportamentale simile ^21. I topi a volte raggiungono anche con la zampa non preferita in presenza del seme. Queste estensioni sono considerati "raggiunge controlaterale" e non contano ai fini del numero totale di raggiunge neanche.
2. Per limitare le variazioni di comportamento dovuti alle fluttuazioni del ritmo circadiano, eseguire tutte le sessioni di formatura e di formazione allo stesso tempo della giornata, durante le normali ore di veglia per i topi.
3. Per evitare la variazione comportamentale a causa di diversi allenatori, assicurarsi che la stessa persona si allena lo stesso topi tutto l'esperimento.
4. Attenzione dei topi è fondamentale per questa prova comportamentale. Addestrare i topi in una stanza separata e tranquillo per ridurre al minimo perturbazione ambientale.
5. I topi possono essere addestrati con più di 30 raggiunge ogni giorno (ad esempio da 50 portate). Aumentando il numero di tentativi raggiungono permette di esaminare miglioramento comportamentale all'interno della stessa seduta di allenamento.

5. Datuna quantificazione

Ci sono molti modi per quantificare il comportamento del mouse dopo l'allenamento. Due analisi più straight-forward sono:

1. Tasso di successo = raggiunge successo sul totale tentativi di raggiungere, presentati come percentuali. I tassi di abbandono e di insuccesso possono essere tracciati allo stesso modo.
2. Velocità di successo = numero di tentativi riusciti divise da tempo, ha presentato raggiunge come successo al minuto. Nella maggior parte dei casi, la velocità di successo continua ad aumentare, anche quando il tasso di successo raggiunge il plateau.

Risultati

Curva di apprendimento:

La padronanza di un'abilità motoria spesso richiede pratica persistente nel tempo. Una tipica curva di apprendimento media si compone di due fasi: una fase di acquisizione iniziale in cui il tasso di successo migliora progressivamente, e una fase di consolidamento dopo, quando il tasso di successo raggiunge il plateau (Figura 2C). Va notato le curve di apprendimento dei singoli topi vari; diversi topi hanno un diverso numero di giorni per raggiunger...

Discussione

L'importanza della fase di formatura:

A causa di aumento di ansia di essere in un ambiente sconosciuto, di solito è difficile per topi per essere addestrati in un ambiente romanzo ^21,22. Pertanto, l'obiettivo di sagomatura è quello di familiarizzare i topi con la camera di formazione, l'allenatore (cioè ridurre i loro livelli di ansia), e le richieste del compito (cioè di identificare seme come fonte di cibo). Un altro obiettivo della sagomatura è d...

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
Training chamber in clear acrylic box			For dimensions, see Figure 1A
Tilted tray for shaping			Custom-made from glass slides, see Figure 1B
Food platform for training			For dimensions, see Figure 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