Acquisizione di un alta precisione specializzata arti anteriori Raggiungere Task in Rats

Riepilogo

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.

Introduzione

Controllo del movimento è una funzione fondamentale del sistema nervoso centrale (CNS). Motricità è il principale uscita misurabile della funzione CNS e la principale possibilità per gli individui di interagire con il mondo esterno. Comprendere i principi di funzionamento del motore e dei meccanismi che sono alla base l'apprendimento di un compito motorio è attualmente una delle grandi sfide nel campo delle neuroscienze. Cambiamenti morfologici, fisiologici e molecolari sono stati trovati al momento dell'acquisto di un nuovo compito motorio. Ad esempio, la forma e il numero di sinapsi cambiano in risposta alla formazione qualificata motore ^1-5, e cambiamenti funzionali della macchina sinaptica sono stati osservati dopo apprendimento motorio. Risposte sinaptiche erano più elevati nei collegamenti della regione forelimb rappresenta della corteccia motoria addestrato rispetto all'emisfero inesperto dello stesso animale o risposte da animali non allenati ^6,7. Osservazioni elettrofisiologiche suggeriscono anche che il potenziamento a lungo termine (LTP) e lungadepressione-termine (LTD) come meccanismi si svolgono durante l'apprendimento di una nuova abilità motoria, e che il raggio d'azione sinaptica, che è definito tra i confini limitanti di LTP e LTD saturazione, viene modificato ^8. Inoltre, è stato dimostrato che i marker di attività e plasticità che promuovono molecole come c-fos, GAP-43, o BDNF ma anche plasticità molecole inibitrici, come Nogo-A di visualizzazione ruoli normativi per l'apprendimento correlati neuronali plasticità ^9-16.

Questi progressi verso una migliore comprensione dei meccanismi alla base dell'apprendimento motorio potrebbe essere raggiunto solo con l'uso di paradigmi comportamentali che permettono un controllo preciso della acquisizione di una nuova capacità motorie, ad esempio, abile zampa anteriore portata. Solo un compito comportamentale ben strutturata permette di monitorare e catturare i cambiamenti che si verificano correlative su apprendimento e l'esecuzione dei rispettivi compiti. Qui mostriamo visivamente una versione modificata del forelimb qualificatisingolo-pellet compito di raggiungere nei ratti adattati da Buitrago et al. ¹⁷ Il paradigma presentato consente l'analisi dell'acquisizione movimento all'interno di una sessione di allenamento al giorno (entro sessione) che rappresenta la componente di apprendimento veloce e acquisizione primaria così come l'apprendimento motorio qualificato in diverse sessioni (tra-session) che rappresenta la componente di apprendimento lenta e manutenzione del compito imparato ^18. È importante sottolineare che questo paradigma comportamentale aumenta il grado di difficoltà e la complessità del compito abilità motoria a causa di due caratteristiche: in primo luogo, i ratti sono addestrati a girare intorno al proprio asse dopo ogni comprensione e quindi di riallineare il proprio corpo prima del prossimo pellet portata e rinnovare l'orientamento del corpo, impedendo l'esecuzione costante movimento dalla stessa angolazione. In secondo luogo, pellets vengono recuperati da un palo verticale posto davanti alla gabbia. A causa del piccolo diametro del palo, pellet possono essere facilmente dato il via richiede una comprensione precisa per il recupero di successo e preventing semplice trazione del pellet verso l'animale.

Tale test comportamentali complesso permette una maggiore comprensione dei meccanismi alla base dell'apprendimento motorio. Rispetto ai topi, ratti sono superiori nella loro esecuzione dei compiti comportamentali complessi e quindi più adatto per paradigmi complessi come presentato in questo studio. Considerando le crescenti possibilità genetici disponibili per i ratti ^19,20, la combinazione di metodi di analisi comportamentale precisi e ben controllati con manipolazioni genetiche, l'imaging e tecniche fisiologiche rappresenta una potente cassetta degli attrezzi per capire meglio le basi neurobiologiche di apprendimento motorio e della memoria.

Protocollo

Tutti gli esperimenti sono stati eseguiti in conformità con le linee guida del veterinario del Cantone di Zurigo, Svizzera.

1. Manipolazione di animali e assuefazione

1. Manipolazione di animali
   Nota: 5 giorni prima dell'inizio dell'esperimento, eseguire il passaggio 1.1.1 giornaliera.
   1. Per gli esperimenti comportamentali, abituare gli animali allo sperimentatore. Hanno quotidiana gestione sessioni della durata di 10-15 minuti per ogni animale. Pulire la scatola dopo la sessione di ogni animale.
      1. Inizialmente, mettere la mano dello sperimentatore in una gabbia che permette all'animale di esplorare e sentire l'odore di diventare familiarizzato con lo sperimentatore.
      2. Successivamente, sollevare delicatamente l'animale con la mano dello sperimentatore in modo sicuro afferrando il corpo del topo tra le zampe anteriori e posteriori che consentano una ulteriore familiarizzazione.
   2. Pesare ogni animale al giorno per ottenere un peso corporeo di base prima di privazione di cibo.
2. Apparato assuefazione e familiarizzazione alimentare
   1. Pesare ogni animale al giorno per ottenere un peso corporeo di base prima di privazione di cibo.
   2. Inizia cibo privando ratti 3 giorni prima l'inizio del pre-allenamento su una dieta standard di laboratorio. Dare ratti 0,05 g di alimento per 1 g di peso corporeo al giorno (per esempio, un ratto peso 200 g, iniziare con 10 g di cibo). Assicurarsi peso corporeo di non diminuire di più del 10% al giorno monitorando peso corporeo al giorno.
      1. Se più animali vengono tenuti in una gabbia, i ratti dominanti possono mangiare più di quelli meno dominanti. Nel caso in cui il peso di un animale diminuisce, nutrire l'animale separatamente invece di gruppo di alimentazione. Dare acqua ad libitum.
   3. Per conoscere il topo con l'apparato di presa, collocare l'animale nella scatola di formazione (Figura 1). Avere pellets zucchero immessi nella casella di formazione in prossimità dell'apertura della fessura per conoscere l'animale con i pellet cibo. Eseguire questo step 10-15 minuti al giorno per 3 giorni.

2. Pre-allenamento e abilità di apprendimento Motor

1. Pre-training
   1. Un giorno dopo familiarizzazione, posizionare l'animale nella scatola formazione e posizionare il pellet strettamente per l'apertura a fessura in modo che possa essere raggiunto dalla linguetta dell'animale. Escludere gli animali che recuperano pellet con loro arti anteriori durante la pre-formazione
      Nota: In questa fase, il recupero pellet con la lingua è cruciale e solito metodo dell'animale di scelta. Pellet devono essere in nessun caso colto con la zampa anteriore fino al primo giorno di apprendimento delle capacità motorie per consentire un adeguato monitoraggio del compito di raggiungere imparato. Recupero pellet con la zampa anteriore durante la pre-formazione è un criterio di esclusione e in molti casi non osservate.
   2. Insegna il ratto o correre sul retro della gabbia e tornare alla apertura a fessura o passo indietro e girare attorno al proprio asse per ricevere il cibo successiva pellet conla lingua. Attendere che l'animale per esplorare la gabbia, eseguire verso la parte posteriore e tornare alla apertura a fessura. Se l'animale non esegue correttamente il compito, utilizzare una pinza a picchiettare delicatamente sul retro fine della gabbia e catturare l'attenzione dell'animale. Una volta che l'animale è sul retro, toccare delicatamente nella parte anteriore della gabbia per guidare l'animale per l'apertura a fessura.
      Nota: Una volta che l'animale raggiunge un valore standard (ad esempio, 50 recuperi pellet di successo con la lingua in meno di 15 minuti), l'animale si qualifica per la fase di apprendimento delle capacità motorie. Il giorno 1 e 2 di pre-formazione, gli studenti possono già essere distinti da non discenti. Non gli studenti possono essere esclusi dallo studio in questa fase. Questo diminuisce la probabilità di avere un alto numero di non studenti durante la fase di apprendimento del motore (2.2).
   3. Durante la pre-formazione, cibo privare i ratti su una dieta standard di laboratorio. Dare acqua ad libitum. Monitorare peso corporeo al giorno nel corso dello studio. FareNon usare lo stesso spazio per allenarsi ratti maschi e femmine. Garantire un ambiente tranquillo e privo di rumore per l'animale.
2. Determinazione del Preference Paw e Skill Learning Motor
   1. Durante la prima sessione di apprendimento delle capacità motorie, sostituire la diapositiva davanti alla finestra con un post. Posizionare il pellet zucchero circa 1,5 cm di distanza dalla finestra sul montante in modo che l'animale non può raggiungere il pellet con la lingua ma solo recuperare da un forelimb preciso di raggiungere e afferrare il movimento.
      1. Per applicare il recupero pellet dalla zampa anteriore, utilizzare una pinza per portare delicatamente il pellet vicino alla bocca dell'animale e ritirare il pellet mentre l'animale tenta consumo con la lingua. Effettuare questa operazione ripetutamente fino a quando l'animale si allunga la zampa anteriore e afferra un pellet.
   2. Posizionare il montante centrale per l'apertura della finestra. Per determinare la zampa preferenza, osservare con attenzione le prime 10 prove in giornata di formazione 1. Più del 70% del REACtentativi hing (cioè 7 su 10) devono essere eseguiti con la stessa arti anteriori. Se ciò non viene raggiunto, proseguire con un altro ciclo di 10 prove fino al raggiungimento della soglia del 70%.
   3. Dopo la determinazione della zampa preferenza, spostare la posta verso la zampa anteriore preferito e allineare centrale al confine con l'apertura della finestra. Allineamento paw preferita significa il post viene spostato contrario alla rispettiva zampa per consentire un angolo ottimale per raggiungere (Figura 1B, C).
   4. Classificare un processo, definito come un nuovo pellet presentato all'animale, come successo (raggiungere, afferrare, recuperare e mangiare il pellet), goccia (raggiungere, afferrare e perdere pellet durante il recupero) o non (battere pellet il palo). Annota ogni prova nel foglio e analizzare i dati dopo l'esperimento.
   5. Effettuare una sessione giornaliera costituito da un numero definito di prove (ad esempio, 150) o un tempo massimo (ad esempio, 1 ora) per ciascun animale.
   6. Indagare precisione e messa a puntodel movimento utilizzando prima analisi tentativo. Un primo tentativo è definita afferrando il precipitato in un unico movimento monolitico senza interruzioni, esitazione o ripetizione di singoli componenti del movimento. Osservare attentamente ogni presa dal topo.
      1. Se il ratto esita o si ritrae durante una portata o tenta diverse prove di cogliere correttamente la pallina, annotare il relativo processo come il successo, ma non è il primo tentativo. Se l'animale afferra con successo il pellet in un'unica portata monolitico, annotare il relativo processo come successo il primo tentativo in una colonna separata nel foglio.
   7. Durante l'apprendimento delle capacità motorie, cibo privare i ratti su una dieta standard di laboratorio. Dare acqua ad libitum. Monitorare peso corporeo al giorno nel corso dello studio.

Risultati

Acquisizione di abilità motoria di successo si ottiene solo attraverso la pratica costante. Nonostante un attento esame di tutti gli aspetti, alcuni ratti riescono a imparare il compito (Figura 2). Questi "non discenti o mancanza di motivazione conseguente pochi o assenti tentativi di recupero pellet dall'inizio dell'esperimento o in generale perdono interesse nel raggiungere per il pellet che portano alla riuscita continuamente tentativi. Al contrario, alcuni animali mostrano un comportam...

Discussione

Il paradigma mostrato in questo studio è adattato da Buitrago et al ¹⁸ e differisce dal classico singolo pellet raggiungendo paradigma ¹⁷ principalmente in due aspetti.:

In primo luogo, lo studio miglioramento entro sessione permette l'analisi del compito imparato in un solo giorno, che può fornire un diverso livello di informazioni, come ricerca del componente di apprendimento veloce rispetto al componente di apprendimento lenta rappresentati dai valori ...

Materiali

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
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