Estudo Motor Habilidade Aprendizagem por Single-pelota Tarefas atingindo em Ratos

Resumo

Prática persistente melhora a precisão dos movimentos coordenados. Aqui apresentamos uma tarefa de chegar single-pellet, que foi concebido para avaliar a habilidade de aprendizado e memória do membro anterior em camundongos.

Resumo

Alcance para e recuperar objetos requerem movimentos motores precisos e coordenados no membro anterior. Quando os ratos são repetidamente treinado para captar e obter recompensas do alimento posicionados em um local específico, seu desempenho motor (definida como precisão e velocidade) melhora progressivamente ao longo do tempo, e planaltos após o treinamento persistente. Uma vez que tal habilidade de chegar é dominado, o seu posterior de manutenção não requer prática constante. Aqui apresentamos uma tarefa de chegar single-pellet para estudar a aquisição e manutenção de movimentos forelimb qualificados em camundongos. Neste vídeo, primeiro descrever o comportamento dos ratos que são comumente encontradas nesta aprendizagem e memória paradigma e, em seguida, discutir como categorizar estes comportamentos e quantificar os resultados observados. Combinado com a genética do rato, este paradigma pode ser utilizado como uma plataforma de comportamento para explorar as bases anatômicas, propriedades fisiológicas e mecanismos moleculares de aprendizagem e memória.

Introdução

Compreender os mecanismos de aprendizagem e memória subjacente é um dos maiores desafios da neurociência. No sistema motor, a aquisição de novas habilidades motoras com a prática é muitas vezes referida como a aprendizagem motora, enquanto que a retenção de habilidades motoras aprendidas anteriormente é considerada como memória motor ^1. Aprender uma nova habilidade motora é geralmente refletida na melhoria do desempenho motor desejado ao longo do tempo, até um ponto em que a habilidade motora ou é aperfeiçoado ou satisfatoriamente consistente. Para a maioria dos casos, a memória motora adquirida pode persistir durante um longo período de tempo, mesmo na ausência de prática. Em humanos, estudos de neuroimagem usando tomografia por emissão de pósitrons (PET) e ressonância magnética funcional (fMRI) mostraram que o córtex primário do motor (M1) mudanças de actividade durante a fase de aquisição da habilidade motora aprendendo ^2-4, ea interferência temporária de actividade por M1 baixa freqüência de estimulação magnética transcraniana leva a signicativamente interrompido retenção de melhoria de comportamento motor ^5. Da mesma forma, a formação específica do membro anterior em ratos induz a plasticidade anatômica e funcional na M1, exemplificado pelo aumento tanto da atividade c-fos e relação sinapse / neurônio no contralateral M1 ao membro anterior treinado durante a fase tardia da habilidade motora de aprendizagem ^6. Além disso, um paradigma de formação semelhante também reforça a camada de 2/3 ligações horizontais no M1 contralateral correspondentes ao membro anterior treinados, resultando na redução da potenciação de longo prazo (LTP) e reforçada a depressão de longo prazo (LTD), depois os ratos adquirem as tarefas ^7. Tal modificação sináptica, no entanto, não é observada nas regiões corticais M1 correspondentes ao membro anterior não treinado ou ⁸ membros posteriores. Alternativamente, quando o M1 está danificado através acidente vascular cerebral, existem deficiências dramáticas em membros anteriores específicos motor-habilidades ^9. Enquanto a maioria dos estudos de comportamento do motor foram realizados em seres humanos, macacos, e ratos ^2-8,10-17, os ratos tornam-se um sistema modelo atraente por causa de sua genética poderosos e de baixo custo.

Aqui apresentamos um membro anterior de aprendizagem específica motor-habilidade paradigma: a atingir tarefa única pelota. Neste paradigma, os ratos são treinados para estender suas patas dianteiras através de uma fenda estreita para apreender e recuperar pelotas do alimento (sementes de milheto) posicionados em um local fixo, um comportamento análogo ao aprendizado de arco e flecha, arremesso de dardo, e bolas de basquete tiro no humano. Esta tarefa atingindo tenha sido modificado a partir de estudos com ratos anteriores que mostraram resultados semelhantes entre ratos e camundongos ^18. Usando dois fótons transcraniana de imagem, o nosso trabalho anterior seguiu a dinâmica das espinhas dendríticas (estruturas pós-sinápticos para sinapses excitatórias maioria) ao longo do tempo durante o treinamento. Descobrimos que uma sessão de treinamento único levou a rápida emergência de novas espinhas dendríticas em neurônios piramidais no córtex motor contralateral ao membro anterior treinado. Sformação ubsequent da mesma tarefa atingindo preferencialmente estabilizado estes espinhos induzido-learning, que persistiu por muito tempo após o treinamento terminou ^19. Além disso, as espinhas que surgiram durante repetições de chegar a tarefa tendem a se aglomerar junto dendrites, enquanto espinhos, formada durante a execução do conjunto de chegar a tarefa e outra tarefa motora específica do membro anterior (ou seja, a tarefa de movimentação de massas) não agrupar ^20.

No presente vídeo, descrevemos passo-a-passo a configuração deste paradigma comportamental, da privação de alimento inicial para moldar, e a formação do motor. Nós também descrevem os comportamentos comuns de ratos durante o processo de execução deste paradigma comportamental, e como estes comportamentos são categorizados e analisados. Finalmente, discutimos as medidas de precaução necessárias para a prática de tal paradigma de aprendizagem e os problemas que podem ser encontrados durante a análise dos dados.

Protocolo

Experimentos descritos neste manuscrito foram realizados de acordo com as diretrizes e regulamentos estabelecidos pela Universidade da Califórnia, Santa Cruz Institutional Animal Care e do Comitê Use.

1. Setup (Veja também Lista de Materiais)

1. Use sementes de milheto como pelotas de alimentos.
2. Use uma clara câmara de Plexiglas formação feito por encomenda (20 cm de altura, a 15 cm de profundidade, e 8,5 cm de largura, medida a partir do lado de fora, com a espessura de 0,5 centímetros a plexiglas) que contém três ranhuras verticais (uma fenda em 'moldar' borda, e duas fendas na borda oposta "formação"). As fendas verticais devem ser de 0,5 cm de largura e 13 cm de altura e ser localizado na parede da frente da caixa: no centro, do lado esquerdo, e no lado direito (Figura 1A).
3. Use uma bandeja inclinada para manter as sementes utilizadas durante as sessões de moldar. A bandeja pode ser feito por encomenda a partir de três lâminas de vidro (Figura 1B).
4. Prepare uma plataforma de alimentos (8,5 cm de comprimento, 4,4 centímetros de largura, e 0,9 cm de altura). Esta plataforma de alimentos é colocado no lado da frente (de frente para o formador) da câmara de formação durante os treinos. Há dois slots torrão na plataforma comida para sementes de posicionamento, um slot à esquerda, eo outro slot na lateral direita. Os torrões são 0,3 centímetros a partir da borda longa e 2,4 cm da borda de largura (Figura 1C). Os slots torrão esquerdo e correspondem à fenda esquerda e direita na câmara de formação do mouse e são usados ​​para o treinamento de membros superiores dominantes. A finalidade de ter estas ranhuras torrão é para garantir que a semente é colocada de forma consistente, no mesmo local de cada tentativa de alcançar.
5. Durante as sessões de ter em mãos um par de fórceps, balança e cronômetro.

2. Privação de Alimentos (2 Dias)

1. Pesar cada mouse para obter um peso corporal de base antes da privação de alimento.
2. Food-restringir ratos por 2 dias para iniciar o peso corporalperda. Como ponto de partida geral, os ratos recebem 0,1 g de peso corporal de alimentos por 1 g por dia (por exemplo, um rato pesando 15 g, que geralmente começam com 1,5 g de alimentos). Para ajustar a quantidade de alimentos com base no peso do corpo de linha de base, a taxa de perda de peso, o sexo, a idade e de ratinhos. Embora o peso corporal, pode continuar a diminuir um pouco mais durante a fase de moldagem, tal redução do peso corporal (ou seja, a 90% do peso de linha de base original) deve ser mantida durante toda a formação (Figuras 2A e 2B). A quantidade de alimento necessária para manter o peso do corpo do rato é geralmente a mesma que a quantidade utilizada na restrição.

3. Shaping (3-7 dias)

1. Aclimatação habitat Group (Dia 1): Coloque dois ratos na câmara de treinamento ao mesmo tempo. Coloque cerca de 20 sementes / mouse dentro da câmara para o seu consumo. Permita que os ratos para ficar na câmara por 20 min e, em seguida, colocá-los de volta para a sua casagaiola.
2. Climatização individual habitat (Dia 2): A mesma configuração como no passo 3.1, mas colocar os ratos na câmara de treinamento individualmente. O objetivo do grupo e aclimatação habitat indivíduo é obter os ratos familiarizado tanto com a câmara de formação e as sementes de milheto.
3. Determinação de dominância membro anterior (dia 3 e posterior): Coloque o lado de fenda única da câmara de formação voltada para baixo (Figura 1D). Encha a bandeja de comida com as sementes. Pressionar a bandeja de alimentos contra a parede frontal da câmara de formação para permitir que as sementes acessíveis para o rato. Coloque os ratos na gaiola individualmente. Se eles são suficientemente interessados ​​nas sementes localizados na bandeja de comida, eles arado através da fenda para conseguir a semente dentro. Eles, então, pegar as sementes e consumi-los. "Configurar" é considerada concluída quando ambas as seguintes critérios forem atendidos: 1) o mouse realiza 20 tentativas atingindo dentro de 20 min, e 2) mais de 70% alcances são performed com um membro anterior.

Notas:

1. Se o mouse usa a sua língua para obter as sementes para a câmara, coloque a bandeja de volta da fenda ligeiramente. O aumento no alcance distância desencoraja o mouse para usar sua língua para adquirir a semente e, portanto, facilita a sua pata dianteira alcançar.
2. Se o mouse não pode terminar moldar dentro de uma semana, solte-o a partir da experiência.

4. Treinamento (8 + Dias)

1. Coloque o lado da dupla fenda da câmara de formação voltada para baixo (Figura 1E).
2. Colocar os ratos individualmente na gaiola. Coloque sementes individuais na plataforma alimentos no torrão correspondente à pata preferido (ou seja, para o mouse com a mão direita, use a fenda no lado direito do mouse).
3. Observar o comportamento do mouse, atingindo pontuação de acordo com as seguintes categorias:
   1. Sucesso: O rato chega com a pata preferido, agarra e retrieves a semente, e alimenta-lo em sua boca.
   2. Drop: O mouse alcança com a pata preferido, agarra a semente, mas cai antes de colocá-lo em sua boca.
   3. Falha: O rato chega com a pata preferido para a semente, mas ele quer perde a semente ou de bate-lo a partir da placa de retenção.
4. Treinar os ratos por 30 tentativas atingindo no membro preferido ou 20 min (o que ocorrer primeiro) por dia.
5. Coloque os ratos de volta para sua gaiola após o treinamento e fornecer quantum alimentação diária.

Notas:

1. Em alguns casos, os ratos atingir mesmo quando não existe uma semente colocada sobre a plataforma de alimentação. Tais alcances são considerados "chega em-vão" e não são contabilizados para o número total de tentativas atingindo. Para desencorajar "chega em-vão", ratos de trem para andar de volta para a outra extremidade da câmara de treinamento, antes de colocar a próxima semente. Uma estratégia semelhante foi utilizada no ratos para uma tarefa comportamental semelhante ^21. Os ratinhos, por vezes, também alcançar com a pata nonpreferred na presença das sementes. Estes alcances são considerados 'chega contralateral' e não contam para o número total de alcances também.
2. Para limitar as variações comportamentais devidos às flutuações do ritmo circadiano, realizar todas as sessões de modelagem e formação ao mesmo tempo do dia, durante o horário normal de vigília para camundongos.
3. Para evitar a variação comportamental devido a diferentes treinadores, certifique-se da mesma pessoa treina o mesmo camundongos durante todo o experimento.
4. Atenção dos ratos é fundamental para este teste comportamental. Treinar os ratos em uma sala separada e tranquilidade para minimizar a perturbação ambiental.
5. Os ratos podem ser treinados com mais de 30 atinge diariamente (por exemplo, 50 alcances). Aumentar o número de tentativas atingindo torna possível examinar melhoria comportamental dentro da mesma sessão de treinamento.

5. Datuma quantificação

Há muitas formas de quantificar o comportamento do mouse após o treinamento. Duas análises mais direto são:

1. Taxa de sucesso = alcances mais bem-sucedidas tentativas totais atingindo, apresentadas como porcentagens. Taxas de abandono e de insucesso podem ser plotados da mesma maneira.
2. Velocidade de sucesso = número de tentativas bem sucedidas dividido pelo tempo, apresentou alcances tão bem-sucedidas por minuto. Na maioria dos casos, a velocidade de sucesso continua a aumentar, mesmo quando a taxa de sucesso alcança o patamar.

Resultados

Curva de aprendizado:

O domínio de uma habilidade motora, muitas vezes requer prática persistente ao longo do tempo. Uma curva típica média de aprendizagem é composto por duas fases: uma primeira fase de aquisição durante o qual a taxa de sucesso aumenta progressivamente, e uma fase de consolidação mais tarde, quando a taxa de sucesso alcança o patamar (Figura 2C). Deve-se observar as curvas de aprendizagem de ratos individuais variam, diferentes ratos tomar diferente...

Discussão

Importância da fase de formação:

Por causa do aumento da ansiedade de estar em um ambiente desconhecido, geralmente é difícil para os ratos para ser treinado em um romance ambiente ^21,22. Portanto, o objetivo da formação é familiarizar os ratos com a câmara de treinamento, o treinador (ou seja, reduzir seus níveis de ansiedade) e as exigências da tarefa (ou seja, a identificação de sementes como fonte de alimento). Outro objetivo da formação é determ...

Materiais

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