Introduction
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。
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Protocol
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
- 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。- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 装置馴化·食品ファミリア
- 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。
- 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。
- 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。
- 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
- 事前トレーニング
- 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。 - 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。 - 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。
- 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
- 足の好みや運動スキル学習の決意
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
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Representative Results
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ばすに興味を失います。これとは対照的に、いくつかの動物は早計で得られた積極的なオーバー動機付け行動を示し、失敗につながる試みを把握殺到しました。失敗した学習者の第3のグループは、高い成功率で始まり、停滞、さらには学習曲線の減少につながる重要な改善をしないそれらの動物です。
成功した運動技能の学習は、2つのフェーズで構成されています。高速学習コンポーネントは、通常、セッション内運動トレーニング（の最初の日以内に観察され、一次取得を表します。
毎日のセッション（セッション内分析）中のパフォーマンスを分析するために、25トライアルビンに試行の総数を分割（ 例えば、150試験の6ビン）。実験後、それぞれの日に試行の合計数で、それぞれのビンに成功数を割ることによって各ビンの成功を把握ペレットの割合を計算します。
これは、運動技能の獲得は、個々の動物の間で変化し得ることを考慮すべきです。別のラットは、プラトーレベルに到達する日の異なる数を必要としています。このように、個々の学習曲線は、通常のありますLYの平均学習曲線のように滑らかではありません。
成功した運動学習の別の表現を微調整運動学習の分析です。この側面を評価するために、我々は、すべての測定に成功ペレット（ 図5）と比較して、躊躇や中断のないモノリシック移動中に、最初の試行で把握ペレットの数を測定しました。
図2の例- 図5は、6日間にわたって150把握ペレット/日の学習曲線を示します。 1日目は、運動学習の最初の日を指します。
図1：ラットトレーニングボックスのデザイン（A）、そのそれぞれの寸法のトレーニングボックス。ボックス内の失われたペレットの回収を回避するために、訓練室の接地は、金属棒で作られています 、これを通して失われたペレットが落ちます。 （B）スリット開口部とポストのクローズビュー。スリット開口部の中心位置合わせポストの位置に注意してください。 （C）の例は、ラットの正常スリット開口部を介してペレットを把握します。シフト後の位置と動物の好適な前肢（この場合は右）に向けて、得られた角度に注意してください。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。
図2：6日間にわたって運動技能の取得に成功を示さなかった動物の例は、成功率は、さらに訓練の改善なしで約20％に停滞します。
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図3と同じ実施例の内日間分析成功率は単一の毎日のセッションを通じて運動学習の改善を示した25のペレット6個のビンに分割され、図4に示すように 。 図4のそれぞれの日の平均成功率だけでなく、 図4に比べて1日目と2内の一般的な改善と比較して、最初の2日の最初の25試験中に最初の成功率に注意してください。
図4：6日間にわたって、典型的な、成功した学習曲線を持つ動物の例は、正常に把握し、ペレット（成功率）の割合は、最初の3日間に増加し、残りの日の間にプラトーに達します。
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Discussion
。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、一日以内に学んだ課題の分析は（ 図3を参照してくださいことができますおよび4）。第二に、ここで紹介する行動パラダイムは、運動技能のタスクの難しさと複雑さの度合いを増加させます。動物は、その体を再編成することを強制し、前各ペレットの取得に向きに達しています。これは、同じ角度から、単純な反復運動の実行を防止し、深遠な空間配向を必要とします。また、ペレットは目の前に配置される薄い垂直柱から取り出されますEケージとは、このように成功した検索のための正確な把握を必要とし、動物に向けてペレットの引き上げ単純防止ペレットの直径に一致します。
重要なステップは、ケージの後方に実行して、事前にトレーニング中にスリット開口に戻るには、動物を教えています。鉗子を使用して、ゆっくりと作業を理解するために、ケージの背面パネル助剤で動物をタップして目的の場所にラットをほのめかし。 overtappingがあまりにも多くのノイズを生成し、動物を刺激するように実験者は慎重に、このツールを使用する必要があります。ラットがケージの前面に戻った後、ペレットの味、香りと場所慣れるために動物のためのスリット開口部に複数の糖ペレットを配置します。もう一つの重要なステップは、運動学習の最初の日に前肢とペレットの取得です。動物は、多くの場合、事前にトレーニング中に学習として舌でペレットを取得しようとする試みを続けています。そっと目を持って来るために鉗子を使用して舌で動物の試み消費が成功したペレットを取得するための前肢を伸ばすために、ラットを強制ながら電子ペレット動物の口の近くに、ペレットの後退。目標は、動物が前肢を使用して鉗子からペレットを把握し、その口に砂糖ペレットを取得できるようにすることです。これが達成された後、ペレットを後に配置することができ、足の嗜好決意を評価することができます。これらの2つのステップは、実験全体の中で最も重要な部分であり、慎重な動物へのアプローチだけでなく、実験者の忍耐を必要とします。
それは（私たちの観察に応じて株（男性は女性18よりも遅い学ぶ）学習の違いは個々の動物の間と性別の間に存在することに留意することが重要であり、本研究とロングエバンスラットで使用するSDラットは、と比較して優れた学習を見せます例えば、ルイスラット）。したがって、満たすために挑戦が必要タスクのメントは、成功率は性別や株に依存パラダイムの変更が必要な場合があります。分散を低く維持するために、一連の実験で株および性別を混在させないでください。
よく構造化された制御可能な行動パラダイムは、病理学的および生理学的行動のメカニズムの基礎となる細胞性相関を調査研究のために極めて重要です。ラットはマウスの上にラットの重要な利点を表して学ぶことが可能であり、より複雑な行動のタスク。ラットにおける遺伝子操作のための技術の継続的な進歩は、これまでマウス19-21でのみ可能であったラットで実験を行うことは非常に近い将来にできるようになります。神経回路の対象と操作を可能にする新たなイメージング技術と技術との組み合わせでは、ラットでの行動パラダイムは、神経系の機能の生理学的および病理学的原理の理解に向けた新たな道を開く可能性があります。
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Acknowledgments
この作品は、スイス国立科学財団（助成31003A-149315から1 MESおよびAZにグラントIZK0Z3-150809に）、AZハイジデメトリアデス財団に 、欧州研究会議（ 'Nogorise'）をMESするとの補助金によって賄われていましたクリストファーとダナ·リーブ財団（CDRF）。
Materials
| 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 | |||
| Counter |
References
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