ラットでのタスクに到達高精度熟練前肢の取得

要約

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

要約

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.

概要

移動制御は、中枢神経系（CNS）の主要機能です。 MotricityはCNS機能の主な測定可能な出力や個人が外部世界と対話するための主要な可能性です。運動機能の原理および運動課題の学習は現在、神経科学における大きな課題の一つである根底にあるメカニズムを理解します。 、形態学的生理学的および分子の変化は、新たな運動課題の取得時発見されました。例えば、形状やシナプスの数は、熟練した運動トレーニング^1-5に応じて変化し、シナプスの機械の機能的変化は、運動学習の後に観察されました。シナプス応答は、同じ動物の訓練を受けていない半球に、または訓練を受けていない動物からの応答^6,7と比較して、訓練を受けた運動野の前肢を表現領域の接続に高かったです。電気生理学的観察はまた、長期増強（LTP）と長期を提案しますメカニズムなど-term抑圧（LTD）は、新しい運動技能の学習中に行われ、LTPとLTD飽和の制限国境の間に形成されるシナプス動作の範囲は^、8修正されていること。さらに、その活動マーカーおよび可塑性は、C-FOS、GAP-43、またはBDNFなどの分子を促進するだけでなく、可塑性は、学習に関連する神経可塑性^9-16のためのNogo-ディスプレイ調節的役割のような分子を阻害することが示されています。

運動学習のメカニズムのより良い理解に向けたこれらの進歩は、新しい運動技能、 例えば、熟練した前肢は、到達の取得の正確な制御を可能にする行動パラダイムを使用して達成することができます。唯一の適切な構造の行動タスクは、学習と各タスクの実行時に発生する相関の変化を監視し、キャプチャすることができます。ここでは、視覚的に熟練した前肢の修正版を実証しますBuitrago ら ¹⁷提示パラダイムから適合ラットにおける単一のペレット到達タスクでは、いくつかのセッションを超える高速な学習コンポーネントおよび一次取得を表す（セッション内）毎日のトレーニングセッション内での移動獲得の分析だけでなく、熟練した運動学習を可能にします（セッション間の）学習したタスク¹⁸の遅い学習コンポーネントとメンテナンスを表します。まず、ラットをそれぞれ把握した後、それらの軸を中心に回転するので、次のペレット到達する前に自分の体を再編成し、更新するために訓練されている。重要なことに、この行動パラダイムが原因には2つの機能は運動技能タスクの難しさと複雑さの度合いを増加させます体の向き、同じ角度からの一定の動きの実行を防止することができます。次に、ペレットをケージの前面に配置された垂直ポストから取り出されます。によるポストの小径に、ペレットが容易に成功した検索およびpの正確な把握を必要とキックオフすることができますreventing単純な動物に向けてペレットを引っ張ります。

このような複雑な行動試験は、運動学習のメカニズムをより深く洞察することができます。マウスと比較して、ラットは、複雑な行動タスクのその性能に優れ、本研究で提示されるような複雑なパラダイムのためにこのように適しています。ラット^19,20のために利用可能な増加の遺伝的可能性を考慮すると、遺伝子操作、イメージングおよび生理学的な技術と正確かつ十分に制御行動試験方法の組み合わせは、より良い運動学習および記憶の神経生物学的基礎を理解するための強力なツールボックスを表します。

プロトコル

全ての実験は、カントンチューリッヒ、スイスの獣医局のガイドラインに従って行いました。

1.動物の取り扱いおよび馴化

1. 動物の取り扱い
   注：5日実験開始前に、毎日のステップ1.1.1を実行します。
   1. 行動実験では、実験者に動物を慣らします。毎日の動物当たり10〜15分を持続セッションを処理しています。各動物のセッションの後にボックスを清掃してください。
      1. 最初は、動物が実験に慣れになることを探求し、臭いできるようにケージに実験者の手を置きます。
      2. 次に、静かにさらに習熟を可能にするフロントと後足の間、ラットの体をつかんで安全な方法で実験者の手で動物を持ち上げます。
   2. 絶食前のベースライン体重を得るために、毎日、各動物を秤量します。
   3. 装置馴化·食品ファミリア
      1. 絶食前のベースライン体重を得るために、毎日、各動物を秤量します。
      2. 標準的な実験食の事前研修の先頭に3日前、ラットを奪う食べ物を開始します。 （食品の10グラムで開始、 例えば、200グラムの重さのラット）ラット日あたりの食品1グラムあたりの体重の0.05グラムを与えます。毎日体重を監視することにより、一日あたり10％以上減少しないために体重を確認してください。
         1. いくつかの動物は1ケージに保持されている場合は、支配的なラットは少ない支配的なもの以上のものを食べることができます。動物は減少の体重場合、動物を別々の代わりにグループ給餌を養います。水を自由に与えます。
      3. 把持装置でラットを知らせるために、（ 図1）トレーニングボックスに動物を配置します。食物ペレットを動物に習熟するためにスリット開口部に近​​接してトレーニング箱に入れ、砂糖ペレットを持っています。このSTを実行します3日間毎日EP 10-15分。

   2.事前トレーニングや運動スキル学習

   1. 事前トレーニング
      1. ある日習熟した後、トレーニングボックスに動物を配置し、それが動物の舌によって達することができるように、スリット開口部に近​​接したペレットを配置します。プレトレーニング中に自分の前肢でペレットを取り出し、動物を除外
         注：この段階で、舌でペレットの取得が重要と選択の通常動物の方法です。運動技能の学習の最初の日が学習到達タスクの適切な監視を可能にするためにまで、ペレットは前肢で把握いかなる場合でなければなりません。プレトレーニング中に前肢を有するペレット検索は除外基準であり、ほとんどの場合に観察されません。
      2. ケージの後方に実行して、スリット開口に戻るか、バックステップとして、次の食品ペレットを受信するために、自身の軸を好転するか、ラットを教えます舌。動物は、ケージを探る後方に実行して、スリット開口部に戻すための時間を確保します。動物は正しくタスクを実行しない場合は、ゆっくりケージの端部背面にタップして、動物の注意をキャッチするために鉗子を使用しています。動物が背面になると、静かにスリット開口に動物を導くために、ケージの前面にタップします。
         注：動物が定義された標準値に達すると（ 例えば、15分未満で舌50の成功ペレット回収の）は、動物が運動技能の学習段階の資格。 1日目と事前研修の2には、学習者がすでに非学習者と区別することができます。非学習者は、この段階での研究から除外することができます。これは、運動学習ステップ（2.2）中に非学習者の高い数を有する確率を低下させます。
      3. プレトレーニング中、食品は、標準的な実験用飼料でラットを奪います。水を自由に与えます。研究を通して毎日の体重を監視します。行います雌雄ラットを訓練するために同じ部屋を使用していません。動物のための穏やかで、ノイズのない環境を確保します。
   2. 足の好みや運動スキル学習の決意
      1. 運動技能の学習の最初のセッション中に、ポストにウィンドウの前のスライドを交換してください。動物がその舌でペレットに達するだけに達すると動きを把握正確な前肢によってそれを取得できないように約1.5cm離れた後のウィンドウから砂糖ペレットを配置します。
         1. 動物が舌で消費をしようとしながら、静かにペレットを動物の口の近くにペレットを持参し、後退させるように鉗子を使用し、前肢によってペレットの取得を強制します。動物が前足を伸ばし、ペレットを把握するまで繰り返し、このタスクを実行します。
      2. 窓の開口部の中心ポストを配置します。足の嗜好を判断するには、慎重に訓練日の最初の10試行REACの1の70％以上を観測興試みは（ すなわち、10のうち7）は同じ前肢で実行する必要があります。これが達成されない場合、70％の閾値に達するまで、10の試験の別のラウンドを続けます。
      3. 足の嗜好決意した後、好適な前肢に向けてポストをシフトし、窓の開口部の境界に中央揃えます。好適な足の位置合わせは、ポストが（ 図1B、C）に到達するための最適な角度を可能にするために、それぞれの足に反してシフトしていることを意味します。
      4. 成功したように、動物に提示新しいペレットとして定義されて裁判を、分類（ペレットを取り出し、食べて、把握に達する）、（ポストからペレットをノック）ドロップ（、把握に到達し、検索時にペレットを失う）か、失敗します。あなたのシート内のすべての裁判を書き留め、実験後のデータを分析します。
      5. 試験の定義された数（ 例えば、150）または各動物の最大時間（ 例えば、1時間）からなる1日1回のセッションを行います。
      6. 精度と微調整を調査運動の最初の試みの分析を使用して。最初の試みは、個々の移動部品の崩壊、ためらいまたは反復することなく、単一のモノリシック運動のペレットの把握によって定義されます。慎重にラットによってそれぞれ把握を観察します。
         1. ラットの躊躇やリーチ中に引っ込むか、正しくペレットを把握するために、いくつかの試験をしようとすると、成功ではなく、最初の試みとして、それぞれの裁判に注意してください。動物が正常に単一のモノリシックリーチでペレットを把握した場合、あなたのシートに別の列で成功した最初の試みとして、各試行を書き留め。
      7. 運動技能学習中は、食べ物は、標準的な実験用飼料でラットを奪います。水を自由に与えます。研究を通して毎日の体重を監視します。

結果

成功した運動技能の獲得のみ一貫した練習によって達成されます。すべての側面を慎重に検討にもかかわらず、いくつかのラットは、タスク（ 図2）を習得することができません。これらの「非学習者は 'のいずれかの実験を開始してからペレット検索のいくつかまたは存在しない試みをもたらす動機を欠いているか、一般的に連続して試行の失敗につながるペレットに手を伸...

ディスカッション

。本研究で示したパラダイムは、Buitrago ら ¹⁸から適応、主に二つの側面でのパラダイム^17に到達^し 、古典的な単一のペレットとは異なるされています。

まず、セッション内の改善を検討することは、毎日の平均値で表さ遅い学習コンポーネントに比べて高速な学習コンポーネントの調査などの情報を異なるレベルを提供することができ、?...

資料

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
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