يتم تقديم نموذج لتحليل اكتساب مهمة وصول الأطراف الأمامية الماهرة عالية الدقة في الفئران.
يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية
مقالة منهجية
الاستحواذ على الدقة التي تتطلب مهارات عالية Forelimb الوصول إلى العمل في الجرذان
* These authors contributed equally
في هذه المقالة
ملخص
الملخص
الحركات هي الناتج الرئيسي القابل للقياس لوظيفة الجهاز العصبي المركزي. يعد تطوير النماذج السلوكية التي تسمح بالتحليل التفصيلي للتعلم الحركي والتنفيذ أمرا بالغ الأهمية من أجل فهم المبادئ والعمليات التي تقوم عليها الوظيفة الحركية. نقدم هنا نموذجا لدراسة اكتساب الحركة ضمن جلسة يومية من التدريب (داخل الجلسة) تمثل مكون التعلم السريع والاكتساب الأولي بالإضافة إلى التعلم الحركي الماهر على مدار عدة جلسات تدريبية (بين الجلسات) تمثل مكون التعلم البطيء وتوحيد المهمة المكتسبة. يزيد هذا النموذج السلوكي من درجة صعوبة وتعقيد مهمة المهارة الحركية بسبب ميزتين: أولا ، يعيد تنظيم جسمه قبل كل استرجاع للحبيبات مما يجبر على تجدد التوجيه ويمنع تنفيذ الحركة من نفس الزاوية. ثانيا, يتم الإمساك بالكريات من عمود عمودي يتناسب مع قطر الحبيبات ويوضع أمام القفص. يتطلب ذلك فهما دقيقا لاستعادة الحبيبات بنجاح وبالتالي يمنع السحب البسيط للحبيبات نحو. بالاقتران مع تقنيات الوراثة والتصوير والفيزيولوجيا الكهربية الجديدة ، ستساعد هذه الطريقة السلوكية في فهم الأسس المورفولوجية والتشريحية والجزيئية للتعلم الحركي والذاكرة.
المقدمة
مراقبة الحركة هي الوظيفة الأساسية للجهاز العصبي المركزي (CNS). قدرة التحرك هو الإخراج قياس الرئيسي من وظيفة الجهاز العصبي المركزي وإمكانية الرئيسية للأفراد للتفاعل مع العالم الخارجي. فهم المبادئ وظيفة الحركة والآليات التي تكمن وراء التعلم من مهمة المحرك هو حاليا واحدة من التحديات الكبرى في علم الأعصاب. تم العثور على التغيرات المورفولوجية والفسيولوجية والجزيئية على الاستحواذ على المهمة السيارات الجديدة. على سبيل المثال، وشكل وعدد من نقاط الاشتباك العصبي تتغير استجابة لتدريب المحرك المهرة 1-5، ووحظت تغييرات وظيفية للأجهزة متشابك بعد التعلم الحركي. وكانت ردود متشابك العليا في الاتصالات في المنطقة التي تمثل forelimb من القشرة الحركية تدريب بالمقارنة مع نصف الكرة غير مدربين من نفس الحيوان أو ردود من الحيوانات غير المدربة 6،7. الملاحظات الكهربية أيضا تشير إلى أن التقوية على المدى الطويل (LTP) ومنذ فترة طويلةالاكتئاب الاجل (LTD) مثل آليات تجري خلال التعلم من المهارات الحركية الجديدة، وأن مجموعة من العملية متشابك، والذي يعرف بين حدود الحد من LTP وLTD التشبع، يتم تعديل 8. وعلاوة على ذلك، فقد تبين أن علامات النشاط واللدونة تعزيز الجزيئات مثل c-منظمات المزارعين، GAP-43، أو BDNF ولكن أيضا اللدونة الجزيئات تمنع مثل الأدوار التنظيمية Nogo-A العرض للذات الصلة التعلم العصبية اللدونة 9-16.
ويمكن تحقيق هذا التقدم نحو فهم أفضل للآليات الكامنة وراء التعلم الحركي فقط مع استخدام النماذج السلوكية التي تسمح بالتحكم الدقيق في الاستحواذ على المهارات الحركية الجديدة، على سبيل المثال، المهرة forelimb-تصل. فقط مهمة السلوكية منظم بشكل جيد يسمح لرصد والتقاط التغيرات المترابطة التي تحدث على التعلم وتنفيذ المهمة منها. نحن هنا لشرح بصريا نسخة معدلة من forelimb المهرةواحد بيليه مهمة التوصل في الفئران مقتبس من بويتراغو وآخرون. (17) نموذج عرض يسمح للتحليل اكتساب الحركة داخل دورة تدريبية اليومية (في الدورة) الذي يمثل عنصر التعلم السريع واكتساب الأساسي فضلا عن التعلم الحركي المهرة على مدى عدة جلسات (بين الدورة) التي تمثل المكون بطء التعلم وصيانة المهمة المستفادة 18. الأهم من ذلك، هذا النموذج السلوكي يزيد من درجة صعوبة وتعقيد المهمة المهارات الحركية بسبب ميزتين: أولا، يتم تدريب الفئران على الالتفاف محور بهم بعد كل فهم، وبالتالي إلى إعادة تنظيم الجسم قبل وصول بيليه القادم وتجديد التوجه الجسم، ومنع تنفيذ حركة مستمرة من نفس الزاوية. ثانيا، يتم استرداد الكريات من وظيفة العمودية وضعت أمام القفص. نظرا لقطرها صغير من آخر، والكريات يمكن بسهولة انطلقت تتطلب فهم دقيق لاسترجاع ناجحة وصreventing سحب بسيطة من بيليه تجاه الحيوانات.
هذا الاختبار السلوكي معقد يسمح سبر اغوار الآليات الكامنة وراء التعلم الحركي. بالمقارنة مع الفئران والجرذان هي متفوقة في أدائها للمهام سلوكية معقدة، وبالتالي أكثر ملاءمة للنماذج معقدة كما وردت في هذه الدراسة. وبالنظر إلى الاحتمالات الوراثية المتزايدة المتاحة للفئران 19،20، فإن الجمع بين طرق الاختبار السلوكي دقيقة وتسيطر عليها بشكل جيد مع التلاعب الجيني والتصوير وتقنيات الفسيولوجية يمثل مجموعة أدوات قوية لفهم أفضل للأساس العصبية الحيوية من التعلم الحركي والذاكرة.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
البروتوكول
تم تنفيذ جميع التجارب وفقا للمبادئ التوجيهية لمكتب البيطرية في كانتون زيورخ، سويسرا.
1. التعامل مع الحيوان والتعويد
- التعامل مع الحيوان
ملاحظة: 5 أيام قبل بداية التجربة، نفذ الخطوة 1.1.1 يوميا.- للتجارب سلوكية، تعويد الحيوانات على المجرب. وقد يوميا التعامل مع جلسات 10-15 دقيقة لكل حيوان دائم. تنظيف منطقة الجزاء بعد كل جلسة يعقدها الحيوان.
- في البداية، وضع يد المجرب لفي قفص والسماح للحيوان لاستكشاف ورائحة لتأقلم مع المجرب.
- وبعد ذلك، رفع بلطف الحيوان مع يد المجرب بطريقة آمنة من خلال استيعاب جسم فأر بين الكفوف الأمامية والخلفية السماح للمزيد من التعريف.
- تزن كل حيوان يوميا للحصول على وزن الجسم الأساسي قبل الحرمان من الطعام.
- جهاز التعويد والتعريف الغذاء
- تزن كل حيوان يوميا للحصول على وزن الجسم الأساسي قبل الحرمان من الطعام.
- بدء الطعام حرمان الفئران 3 أيام قبل بداية التدريب المسبق على نظام غذائي المختبر القياسية. إعطاء الفئران 0.05 غرام من المواد الغذائية لكل 1 غرام من وزن الجسم يوميا (على سبيل المثال، الفئران وزنها 200 غرام، وتبدأ مع 10 غرام من المواد الغذائية). ضمان وزن الجسم لولا تنقص أكثر من 10٪ في اليوم الواحد من خلال مراقبة وزن الجسم يوميا.
- إذا تم عقد العديد من الحيوانات في قفص واحد، قد الفئران المهيمنة يأكلون أكثر من تلك الأقل المهيمنة. في حالة وزن الجسم لانخفاض الحيوان، وإطعام حيوان على حدة بدلا من تغذية المجموعات. إعطاء بالمال وبالشهرة أيضا المياه الإعلانية.
- لتعريف الفئران مع الجهاز استيعاب، ووضع الحيوان في مربع تدريب (الشكل 1). لدينا الكريات السكر وضعها في خانة التدريب في القرب من فتح فتحة لتعريف الحيوان مع الغذاء الكريات. تنفيذ هذا الواحدالجيش الشعبي 10-15 دقيقة يوميا لمدة 3 أيام.
2. ما قبل التدريب والمهارة للسيارات التعلم
- التدريب قبل
- بعد يوم واحد من التعريف، وضع الحيوان في المربع التدريب ووضع بيليه ارتباطا وثيقا فتح شق بحيث يمكن الوصول إليها عن طريق اللسان الحيوان. استبعاد الحيوانات التي استرداد الكريات مع forelimb أثناء مرحلة ما قبل التدريب
ملاحظة: في هذه المرحلة، بيليه استرجاع باللسان أمر بالغ الأهمية، وعادة ما طريقة الحيوان في الاختيار. يجب أن تكون الكريات في أي حال من الأحوال اغتنامها مع forelimb حتى اليوم الأول من تعلم المهارات الحركية للسماح رصد مناسب للمهمة الوصول المستفادة. استرجاع بيليه مع forelimb خلال مرحلة ما قبل التدريب هو معيار الاستبعاد، وهي في معظم الحالات لم يلاحظ. - تعليم الفئران إما تشغيل إلى الجزء الخلفي من القفص والعودة إلى فتح شق أو خطوة الى الوراء والدوران حول محورها الخاص من أجل الحصول على الغذاء بيليه القادم معاللسان. إتاحة الوقت للحيوان لاستكشاف القفص، تشغيل إلى الخلف والعودة إلى افتتاح الشق. إذا لم يكن الحيوان تنفيذ المهمة بشكل صحيح، واستخدام ملقط للاستفادة بلطف في العمق نهاية القفص وجذب انتباه الحيوان. وبمجرد أن الحيوان هو في العمق، اضغط بلطف في واجهة القفص لتوجيه الحيوان إلى افتتاح الشق.
ملاحظة: عندما يصل الحيوان قيمة معيارية محددة (على سبيل المثال، 50 استرجاع بيليه ناجحة مع اللسان في أقل من 15 دقيقة)، ويؤهل هذا الحيوان للمرحلة تعلم المهارات الحركية. في يوم 1 و 2 من قبل التدريب، يمكن للمتعلمين بالفعل تمييزها عن غير المتعلمين. غير المتعلمين يمكن استبعادها من الدراسة في هذه الخطوة. هذا يقلل من احتمال وجود عدد كبير من غير المتعلمين خلال الخطوة التعلم الحركي (2.2). - خلال مرحلة ما قبل التدريب والغذاء حرمان الفئران على اتباع نظام غذائي المختبر القياسية. إعطاء بالمال وبالشهرة أيضا المياه الإعلانية. مراقبة وزن الجسم يوميا طوال فترة الدراسة. فعللا تستخدم نفس الغرفة لتدريب الذكور والإناث الفئران. ضمان بيئة هادئة وخالية من الضوضاء للحيوان.
- بعد يوم واحد من التعريف، وضع الحيوان في المربع التدريب ووضع بيليه ارتباطا وثيقا فتح شق بحيث يمكن الوصول إليها عن طريق اللسان الحيوان. استبعاد الحيوانات التي استرداد الكريات مع forelimb أثناء مرحلة ما قبل التدريب
- تقرير الأفضلية باو وموتور المهارة التعلم
- خلال الدورة الأولى من تعلم المهارات الحركية، استبدال الشريحة أمام النافذة مع وظيفة. وضع بيليه السكر حوالي 1.5 سم بعيدا عن نافذة على آخر بحيث الحيوان لا يمكن أن تصل إلى بيليه مع لغتها ولكن فقط استرجاعها من قبل forelimb الدقيق الوصول واستيعاب الحركة.
- لفرض استرجاع بيليه من قبل forelimb، واستخدام ملقط لجلب بلطف بيليه بالقرب من فم الحيوان وسحب بيليه بينما يحاول الحيوان الاستهلاك باللسان. قيام بهذه المهمة بشكل متكرر حتى تمتد الحيوان خارج forelimb والقبضات بيليه.
- وضع آخر المركزية لفتح نافذة. لتحديد الأفضلية مخلب، ومراقبة بعناية المحاكمات أول 10 يوم تدريب 1. أكثر من 70٪ من REACمحاولات هينج (أي 7 من أصل 10) يجب أن يتم تنفيذه بنفس forelimb. إذا لم يتحقق ذلك، تواصل مع جولة أخرى من 10 محاكمات حتى يتم الوصول إلى عتبة 70٪.
- بعد تحديد تفضيل مخلب، وتحول هذا المنصب نحو forelimb المفضل ومحاذاة وسط من الحدود لفتح النافذة. يفضل المواءمة مخلب تعني يتم إزاحة آخر يتعارض مع مخلب المعنية للسماح زاوية المثلى للوصول إلى (الشكل 1B، C).
- تصنيف محاكمة، يعرف بأنه بيليه الجديد المقدم للحيوان، كما نجحت (الوصول إليها، فهم واسترجاع وأكل بيليه)، وانخفاض (الوصول إليها، فهم وتفقد بيليه خلال استرجاع) أو تفشل (طرق بيليه بالقائم). يدون كل محاكمة في الورقة وتحليل البيانات بعد التجربة.
- أداء جلسة يومية واحدة تتكون من عدد محدد من التجارب (على سبيل المثال، 150) أو الحد الأقصى للوقت (على سبيل المثال، 1 ساعة) لكل حيوان.
- تحقيق الدقة والضبط الدقيقالحركة باستخدام تحليل المحاولة الأولى. يتم تعريف المحاولة الأولى من خلال استيعاب من بيليه في حركة متجانسة واحدة دون انقطاع، تردد أو تكرار مكونات الحركة الفردية. مراقبة بعناية كل فهم من قبل الفئران.
- إذا يتردد الفئران أو تتراجع خلال الوصول أو يحاول العديد من التجارب لفهم بيليه بشكل صحيح، لاحظ محاكمة كل من النجاح ولكن ليس المحاولة الأولى. إذا كان الحيوان القبضات بنجاح بيليه في متناول متجانسة واحدة، لاحظ أسفل محاكمة كل كما الناجحة أول محاولة في عمود منفصل في الورقة.
- أثناء تعلم المهارات الحركية والغذاء تحرم الفئران على اتباع نظام غذائي المختبر القياسية. إعطاء بالمال وبالشهرة أيضا المياه الإعلانية. مراقبة وزن الجسم يوميا طوال فترة الدراسة.
- خلال الدورة الأولى من تعلم المهارات الحركية، استبدال الشريحة أمام النافذة مع وظيفة. وضع بيليه السكر حوالي 1.5 سم بعيدا عن نافذة على آخر بحيث الحيوان لا يمكن أن تصل إلى بيليه مع لغتها ولكن فقط استرجاعها من قبل forelimb الدقيق الوصول واستيعاب الحركة.
- للتجارب سلوكية، تعويد الحيوانات على المجرب. وقد يوميا التعامل مع جلسات 10-15 دقيقة لكل حيوان دائم. تنظيف منطقة الجزاء بعد كل جلسة يعقدها الحيوان.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
النتائج
ويتحقق النجاح اكتساب المهارات الحركية إلا من خلال ممارسة ثابتة. على الرغم من دراسة متأنية لجميع الجوانب، تفشل بعض الفئران لمعرفة المهمة (الشكل 2). هذه "غير متعلمين" إما تفتقر الدافع مما أدى إلى بعض أو غائبة محاولات استرجاع بيليه من بداية التجربة أو عموما يفقد الاهتمام في التوصل لكريات الرائدة باستمرار لمحاولات فاشلة. على النقيض من ذلك، تظهر بعض الحيوانات السلوك العدواني والإفراط في دوافع مما أدى إلى متعجل وهرعت استيعاب المحاولات التي تؤدي إلى الفشل. وهنا...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المناقشة
ويتم تكييف النموذج هو مبين في هذه الدراسة من بويتراغو وآخرون 18 ويختلف عن بيليه واحد الكلاسيكية الوصول إلى نموذج 17 أساسا في جانبين:
أولا، ودراسة تحسين في الدورة يسمح تحليل المهمة المستفادة في غضون يوم واحد، والتي يمكن أن توفر مستوى مختلفا من المعلومات مثل التحقيق في عنصر التعلم بسرعة بالمقارنة مع المكون بطء التعلم ممثلة في القيم اليومية متوسط (انظر الشكلين
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
الإفصاحات
ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه
شكر وتقدير
وقد تم تمويل هذا العمل من المنح المقدمة من مؤسسة العلوم الوطنية السويسرية (المنحة 31003A-149315-1 لMES ومنح IZK0Z3-150809 الألف إلى الياء)، إلى AZ مؤسسة هايدي Demetriades، لميس في المجلس الأوروبي للبحوث ('Nogorise') و كريستوفر ودانا ريف مؤسسة (CDRF).
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المواد
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| صندوق | التمثال | ||
| الصنع كريات السكر | TSE Systems Intl. المجموعة | 45 مجم الكريات الدقيقة بدون غبار | |
| Sprague Dawley الفئران | 5-6 أسابيع الذكور | ||
| كمبيوتر محمول | Hewlett Packard | ||
| Stop Watch | |||
| الدقيقة الملقط | (FST) | ||
| Excel | Microsoft | ||
| Prism | GraphPad | ||
| مقياس الوزن | |||
| العداد |
المراجع
- Fu, M., Yu, X., Lu, J., Zuo, Y. Repetitive motor learning induces coordinated formation of clustered dendritic spines in vivo. Nature. 483, 92-95 (2012).
- Fu, M., Zuo, Y. Experience-dependent structural plasticity in the cortex. Trends in neurosciences. 34, 177-187 (2011).
- Holtmaat, A., Svoboda, K. Experience-dependent structural synaptic plasticity in the mammalian brain. Nature reviews. Neuroscience. 10, 647-658 (2009).
- Xu, T., et al. Rapid formation and selective stabilization of synapses for enduring motor memories. Nature. 462, 915-919 (2009).
- Yu, X., Zuo, Y. Spine plasticity in the motor cortex. Current opinion in neurobiology. 21, 169-174 (2011).
- Rioult-Pedotti, M. S., Friedman, D., Donoghue, J. P. Learning-induced LTP in neocortex. Science. 290, 533-536 (2000).
- Rioult-Pedotti, M. S., Friedman, D., Hess, G., Donoghue, J. P. Strengthening of horizontal cortical connections following skill learning. Nature neuroscience. 1, 230-234 (1998).
- Rioult-Pedotti, M. S., Donoghue, J. P., Dunaevsky, A. Plasticity of the synaptic modification range. Journal of neurophysiology. 98, 3688-3695 (2007).
- Fritsch, B., et al. Direct current stimulation promotes BDNF-dependent synaptic plasticity: potential implications for motor learning. Neuron. 66, 198-204 (2010).
- Ghiani, C. A., Ying, Z., de Vellis, J., Gomez-Pinilla, F. Exercise decreases myelin-associated glycoprotein expression in the spinal cord and positively modulates neuronal growth. Glia. 55, 966-975 (2007).
- Josephson, A., et al. Activity-induced and developmental downregulation of the Nogo receptor. Cell and tissue research. 311, 333-342 (2003).
- Karlen, A., et al. Nogo receptor 1 regulates formation of lasting memories. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 106, 20476-20481 (2009).
- Kleim, J. A., Lussnig, E., Schwarz, E. R., Comery, T. A., Greenough, W. T. Synaptogenesis and Fos expression in the motor cortex of the adult rat after motor skill learning. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 16, 4529-4535 (1996).
- Mironova, Y. A., Giger, R. J. Where no synapses go: gatekeepers of circuit remodeling and synaptic strength. Trends in neurosciences. 14, 7-23 (2013).
- Park, H., Poo, M. M. Neurotrophin regulation of neural circuit development and function. Nature reviews. Neuroscience. 14, 7-23 (2013).
- Zemmar, A., et al. Neutralization of Nogo-A enhances synaptic plasticity in the rodent motor cortex and improves motor learning in vivo. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 34, 8685-8698 (2014).
- Whishaw, I. Q., Pellis, S. M. The structure of skilled forelimb reaching in the rat: a proximally driven movement with a single distal rotatory component. Behavioural brain research. 41, 49-59 (1990).
- Buitrago, M. M., Ringer, T., Schulz, J. B., Dichgans, J., Luft, A. R. Characterization of motor skill and instrumental learning time scales in a skilled reaching task in rat. Behavioural brain research. 155, 249-256 (2004).
- Geurts, A. M., et al. Knockout rats via embryo microinjection of zinc-finger nucleases. Science. 325, 433(2009).
- Tews, B., et al. Synthetic microRNA-mediated downregulation of Nogo-A in transgenic rats reveals its role as regulator of synaptic plasticity and cognitive function. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. , (2013).
- Li, D., et al. Heritable gene targeting in the mouse and rat using a CRISPR-Cas system. Nature. 31, 681-683 (2013).
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
إعادة الطباعة والأذونات
الوسوم
