Erverv av en høy presisjon Dyktige forbena Reaching oppgave i Rats

Introduction

Bevegelse kontroll er en kjerne funksjon av sentralnervesystemet (CNS). Motorikk er den viktigste målbare effekt på CNS funksjon og hoved mulighet for enkeltpersoner å samhandle med den ytre verden. Forstå prinsippene for motorikk og mekanismene som ligger til grunn for læring av en motor oppgave er i dag en av de store utfordringene i nevrovitenskap. Morfologiske, fysiologiske og molekylære endringer ble funnet ved anskaffelse av en ny motor oppgave. For eksempel, formen og antallet av synapser endres i respons til dyktig motor trening ^1-5, og funksjonelle endringer i den synaptiske maskiner ble observert etter motor læring. Synaptiske responser var høyere i de forbindelser av forbena-som representerer regionen av trenet motor cortex i forhold til utrent halvkule av samme dyr eller svar fra utrent dyr ^6,7. Elektro observasjoner tyder også på at langsiktig (LTP) og lang-term depresjon (LTD) som mekanismer finne sted under læring av en ny motor ferdighet, og at omfanget av synaptiske operasjon, som er avgrenset mellom de begrensende kanter av LTP og LTD metning, blir modifisert ^8. Videre har det vist seg at aktivitets markører og plastisitet fremme molekyler som c-fos, GAP-43, eller BDNF men også plastisitet hemmende molekyler som Nogo-A visnings regulatoriske roller for læring relaterte neuronal plastisitet ^9-16.

Disse fremskritt mot en bedre forståelse av mekanismene bak motorisk læring kan bare oppnås med bruk av atferds paradigmer som tillater presis kontroll av kjøpet av en ny motor ferdighet, f.eks dyktig forbena rekkende. Bare en godt strukturert atferds oppgave gjør det mulig å overvåke og fange trene seg endringene som skjer på læring og gjennomføring av den respektive oppgaven. Her kan vi visuelt viser en modifisert versjon av den dyktige forbenasingle-pellet rekk oppgave hos rotter tilpasset fra Buitrago et al. ¹⁷ presenteres paradigmet tillater analyse av bevegelsen oppkjøp innen en daglig treningsøkt (innen-session) som representerer rask læring komponent og primær oppkjøp samt dyktige motorisk læring over flere økter (mellom-session) som representerer den langsomme læring komponent og vedlikehold av lærte oppgave ^18. Viktigere, øker dette atferds paradigmet vanskelighetsgraden og kompleksiteten av motoriske ferdigheter oppgave på grunn av to funksjoner: Først blir rottene trent til å snu seg rundt sin egen akse etter hvert grep og dermed å omstille kroppen før neste pellet rekkevidde og fornye legemet orientering, hindrer konstant bevegelse utførelsen fra samme vinkel. For det andre, blir pellets hentet fra en vertikal stolpe plassert foran buret. På grunn av liten diameter av innlegget, kan pellets lett bli sparket av som krever en presis forståelse for vellykket henting og preventing enkel trekking av pelleten mot dyret.

Slike komplekse atferds testing tillater dypere innsikt i mekanismene bak motorisk læring. Sammenlignet med mus, rotter er overlegne i sin utføring av komplekse atferdsmessige oppgaver og således bedre egnet for kompliserte paradigmer som vist i denne studien. Tatt i betraktning den økende genetiske muligheter tilgjengelig for rotter ^19,20, representerer en kombinasjon av presise og godt kontrollerte atferdstestmetoder med genetiske manipulasjoner, bildebehandling og fysiologiske teknikker en kraftig verktøykasse for å bedre forstå nevrobiologisk grunnlag av motorisk læring og hukommelse.

Protocol

Alle forsøkene ble utført i samsvar med retningslinjene for Veterinary Office of Canton Zürich, Sveits.

1. Animal Håndtering og Tilvenning

1. Animal Håndtering
   NB: fem dager før starten av forsøket, utfører trinn 1.1.1 daglig.
   1. For atferdseksperimenter, venne dyrene til eksperimentator. Har daglig håndtering økter som varer 10-15 minutter per dyr. Rengjør boksen etter hvert dyr sesjon.
      1. Først plasserer eksperimentator hånd inn i buret slik at dyret til å utforske og lukter å bli kjent med eksperimentator.
      2. Deretter forsiktig løfte dyret med eksperimentator hånd på en sikker måte ved å ta tak i rotte kropp mellom front- og bakpotene tillater ytterligere familiarisering.
   2. Veie hvert dyr daglig for å få en baseline kroppsvekt før mat deprivasjon.
   3. Apparat Tilvenning og matdepartementet familiarise
      1. Veie hvert dyr daglig for å få en baseline kroppsvekt før mat deprivasjon.
      2. Begynn mat frata rotter 3 dager før begynnelsen av pre-trening på en standard laboratorium kosthold. Gi rotter 0,05 g mat per 1 g kroppsvekt per dag (for eksempel en rotte som veier 200 g, start med 10 g av mat). Sørg for kroppsvekt å ikke redusere mer enn 10% per dag ved å overvåke kroppsvekt daglig.
         1. Dersom flere dyr blir holdt i ett bur, kan dominante rotter spiser mer enn mindre dominerende seg. Dersom vekten av et dyr avtar, mate dyret separat i stedet for gruppen foring. Gi vann ad libitum.
      3. Å sette rotte med gripeapparat, plasserer dyret inn i opplæringen (Figur 1). Har sukker pellets plassert i opplærings boksen i tilknytning til åpningen til slissen kjent dyret med mat-pellets. Utfør denne step 10-15 min daglig i 3 dager.

   2. Pre-trening og Motor Skill Learning

   1. Pre-trening
      1. En dag etter tilvenning, plasserer dyret inn i trening boksen og plasser pellet tett til splitt slik at den kan nås med dyrets tunge. Utelukke dyr som henter pellets med sine forbena under pre-trening
         Merk: I denne fasen er avgjørende, og vanligvis dyrets metoden for valg pellet henting med tungen. Pellets bør være i noe tilfelle grep med forbena før den første dagen av motoriske ferdigheter læring for å tillate tilstrekkelig overvåking av lært nå oppgaven. Pellet henting med forbena under pre-trening er et eksklusjonskriterium, og er i de fleste tilfeller ikke observert.
      2. Lær rotta å enten kjøre til baksiden av buret og gå tilbake til splitt eller gå tilbake og snu rundt sin egen akse for å motta neste mat pellet medtungen. Gi tid for dyret å utforske buret, kjører bakover og returnere til spalteåpningen. Dersom dyret ikke riktig utføre oppgaven, å bruke en tang til å banke forsiktig på slutten iden av buret og å fange dyret oppmerksomhet. Når dyret er på baksiden, banke forsiktig på buret foran å lede dyret til spalteåpningen.
         Merk: Når dyret når en definert standard verdi (for eksempel 50 vellykkede pellet hentes med tungen på mindre enn 15 min), kvalifiserer dyret for motorisk læring scenen. På dag 1 og 2 av pre-trening, kan elevene allerede skilles fra ikke-elever. Ikke-elever kan bli ekskludert fra studien på dette trinnet. Dette reduserer sannsynligheten for å ha et høyt antall ikke-elever i motorisk læring trinn (2.2).
      3. Under pre-trening, mat frata rotter på en standard laboratorium kosthold. Gi vann ad libitum. Overvåke kroppsvekt daglig gjennom hele studien. GjøreIkke bruk samme rom for å trene hann- og hunnrotter. Sikre en rolig og støyfritt miljø for dyret.
   2. Fastsettelse av Paw Preference og Motor Skill Learning
      1. I løpet av første sesjon av motoriske ferdigheter læring, erstatte raset foran vinduet med et innlegg. Plasser sukker pellet ca 1,5 cm vekk fra vinduet på innlegget, slik at dyret ikke kan nå pellet med sin tunge, men bare hente det ved en presis forbena nå og fatte bevegelse.
         1. Å håndheve pellet gjenfinning av forbena, bruke en pinsett til å forsiktig bringe pellet nær dyrets munn og trekke pellet mens dyret forsøker forbruket med tungen. Utføre denne oppgaven gjentagelser før dyret strekker ut forbena og griper en pellet.
      2. Plasser innlegget sentral i vindusåpningen. For å bestemme labben preferanse, må du følge de 10 første forsøkene på trening dag 1. Mer enn 70% av REACHING forsøk (dvs. 7 av 10) må utføres med samme forbena. Dersom dette ikke oppnås, fortsett med en ny runde av 10 forsøk til 70% grensen er nådd.
      3. Etter labben preferanse besluttsomhet, skifte innlegg mot den foretrukne forbena og justere sentralt til grensen av vindusåpningen. Trekkes labb innrettingsanordning i stolpen forskyves i motsetning til den respektive labb for å tillate en optimal vinkel for å nå (figur 1 B, C).
      4. Klassifisere en rettssak, definert som en ny pellet presentert for dyr, så vellykket (nå, forståelse, hente og spiser pellets), slipp (nå, forståelse og mister pellet under henting) eller mislykkes (slå pellet av stolpen). Skriv ned alle prøvelser i ark og analysere dataene etter forsøket.
      5. Utføre en daglig sesjon som består av et definert antall prøver (f.eks, 150) eller en maksimal tid (for eksempel en time) for hvert dyr.
      6. Undersøke presisjon og finjusteringav bevegelsen ved hjelp av første forsøk analyse. Et første forsøk defineres ved å ta tak av pelleten i en enkelt monolittisk bevegelse uten avbrudd, nøling eller repetisjon av de enkelte bevegelseskomponenter. Observere nøye hver forståelse av rotter.
         1. Hvis rotta nøler eller trekkes under en rekkevidde eller forsøker flere forsøk for å riktig forstå pellet, merk den aktuelle rettssaken som suksess, men ikke første forsøk. Hvis dyret hell griper pellet i et enkelt monolittisk rekkevidde, noterer ned de respektive rettssaken så vellykket første forsøk i en egen kolonne i arket.
      7. Under motoriske ferdigheter læring, mat frata rotter på en standard laboratorium kosthold. Gi vann ad libitum. Overvåke kroppsvekt daglig gjennom hele studien.

Representative Results

Vellykket motoriske ferdigheter oppkjøpet er bare oppnås gjennom konsekvent praksis. Til tross for nøye vurdering av alle sider, noen rotter ikke klarer å lære seg oppgaven (figur 2). Disse "ikke-elevenes mangler enten motivasjon resulterer i få eller manglende forsøk på pellet henting fra starten av forsøket eller generelt miste interessen for å nå for pellets som fører til stadig mislykkede forsøk. Derimot, noen dyr viser aggressiv og over motivert atferd som resulterer i overhasty og stormet fatte forsøk som fører til feil. En tredje gruppe mislykkede elever er de dyrene som starter med høy suksessrate og ikke gjør betydelig forbedring som fører til stagnere eller redusert læringskurver.

Vellykket motorisk læring består av to faser: En rask læring komponent som representerer primær oppkjøpet vanligvis observert i løpet av første dagen av motor trening (innen-session; figur 4) som representerer den langsomme læring komponent og konsolidering av lært oppgaven. Mellom-session læring kurver er preget av bratte læringskurver under dager 1-3 og et platå i løpet av de siste dagene av læring.

For å analysere resultatene i løpet av hver daglige økten (innen-session analyse), dele den totale antall forsøk i 25 prøvebeholdere (f.eks 6 binger for 150 studier). Etter forsøket beregne prosentandelen av hell fattes pellets for hver binge ved å dividere antallet av suksesser i den respektive kasse med det totale antallet forsøk på respektive dagen.

Det bør tas i betraktning at motoriske ferdigheter oppkjøp kan variere mellom enkeltdyr. Ulike rotter trenger forskjellig antall dager å nå platå. Dermed individuelle læringskurver er vanligly ikke så glatt som den gjennomsnittlige lærekurve.

Et annet uttrykk for vellykket motorisk læring er analysen av finjustert motorisk læring. For å vurdere dette aspektet, målte vi antallet pellets fattes på første forsøk i løpet av en monolittisk bevegelse uten nøling eller forstyrrelse i sammenligning med alle vellykket målte pellets (figur 5).

Eksemplene i Figur 2-5 viser læringskurvene til 150 gripes pellets / dag i løpet av 6 dager. Dag 1 refererer til den første dagen av motor læring.

Figur 1: Design av rotte trening boksen (A) Treningen boksen med sine respektive dimensjoner.. For å unngå gjenfinning av pellets som gikk tapt inne i boksen, blir bakken av opplæringen kammer laget av metallstenger , Der tapte pellets falle. (B) Lukk visning av splitt og stolpen. Legg merke til plasseringen av stolpen innrettet sentralt i spalteåpningen. (C) Eksempel på en rotte med hell fatte en pellet gjennom spalteåpningen. Legg merke til skiftet innlegg stilling og den resulterende vinkelen mot dyrets foretrukne forbena (i dette tilfellet til høyre). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Fig. 2: Eksempel på et dyr som ikke oppviser vellykket anskaffelsen av motorisk i løpet av 6 dager suksessraten stagnerer rundt 20% uten ytterligere forbedring på opplæring.

ad / 53010 / 53010fig3.jpg "/>
Figur 3: I-dagers analyse av det samme eksempel som er vist i figur 4. Den suksessraten er delt opp i seks hyller av 25 pellets illustrerer forbedringen i motoren læring gjennom en enkelt daglig økt. Legg merke til den første suksessraten i løpet av de første 25 forsøk i de første to dager, sammenlignet med den gjennomsnittlige suksessrate på de respektive dagene i figur 4, i tillegg til generell forbedring innenfor dag 1 og 2 i forhold til figur 4.

Figur 4:. Eksempel på et dyr med en typisk vellykket læringskurve i løpet av seks dager Andelen vellykket fattes pellets (suksess rate) øker i løpet av de første tre dagene, og når et platå i løpet av de resterende dagene.

Figur 5: Vellykket første forsøk er vist i forhold til det totale antall av fullstendig gripes pellets som et mål for finjustert bevegelse læring.

Discussion

Paradigme vist i denne studien er tilpasset fra Buitrago et al ¹⁸ og skiller seg fra de klassiske enkelt pellet rekk paradigme ¹⁷ hovedsakelig i to aspekter.:

Først studere innenfor-session forbedring tillater analyse av lærte oppgave innenfor en enkelt dag, som kan gi et annet nivå av informasjon som etterforskningen av rask læring komponent i forhold til den langsomme læring komponent representert ved de gjennomsnittlige daglige verdier (se figur 3 og 4). For det andre atferds paradigmet som presenteres her øker vanskelighetsgraden og kompleksiteten av motoriske ferdigheter oppgave. Dyret blir tvunget til å omstille sin kropp og strekker orientering før hver pellet gjenfinning. Dette hindrer enkle repeterende bevegelser utførelsen fra samme vinkel og krever dyp romlig orientering. Videre er pelletene hentes fra en tynn vertikal stolpe som er plassert i front av the bur og samsvarer med diameteren av pelleten og krever således en presis forståelse for vellykket innhenting og hindre enkel trekking av pelleten mot dyret.

Et viktig skritt lærer dyret å løpe på baksiden av buret og gå tilbake til spalteåpningen under pre-trening. Hinter rotte til ønsket posisjon ved hjelp av en pinsett og forsiktig trykke på buret bakpanel hjelpemidler dyret til å forstå oppgaven. Eksperimentator bør bruke dette verktøyet nøye som overtapping produserer for mye støy og irriterer dyret. Når rotten har returnert til forsiden av buret, plassere flere sukkerpellets ved slissen åpning for dyret til å venne seg til smak, lukt og plassering av pelleten. Et annet kritisk punkt er pellet henting med forbena på den første dagen av motorisk læring. Dyret fortsetter ofte forsøk på å hente pelleten med tungen som lært i løpet av pre-trening. Ved hjelp av en pinsett for å forsiktig bringe the pellet i nærheten av dyrets munn og tilbaketrekking av pelleten mens dyret forsøk forbruket med tungen håndhever rat for å strekke ut forbena for vellykket pellet gjenfinning. Målet er å la dyret til å forstå pellet fra tang bruker forbena og hente sukker pellet til sin munn. Når dette er oppnådd, kan pelletene anbringes på innlegget og pote preferanse bestemmelse kan evalueres. Disse to trinnene er de mest sentrale deler av hele forsøket, og krever en forsiktig tilnærming til dyret, samt eksperimentators tålmodighet.

Det er viktig å merke seg at forskjellene i lærings eksisterer mellom enkeltdyr og mellom kjønn (menn lære tregere enn hunner ¹⁸⁾ og belastning (i henhold til vår observasjon, Sprague-Dawley rotter brukt i denne studien, og Long-Evans rotter viser overlegen læring i forhold til for eksempel Lewis-rotter). Således, for å møte de krevende krevermenter av oppgaven, suksess priser kan kreve modifikasjoner av paradigmet avhengig av kjønn og belastning. For å holde variansen lav, ikke bland stammer og kjønn i en eksperimentell serie.

Velstrukturert og kontrollerbare atferds paradigmer er av avgjørende betydning for studier som undersøker cellulære korrelater underliggende mekanismene for patologisk og fysiologisk atferd. De mer komplekse atferdsmessige oppgaver som rotter er i stand til å lære representere en viktig fordel hos rotter i løpet av mus. De pågående fremskritt i teknologi for genetiske manipulasjoner i rotte vil tillate i svært nær fremtid for å utføre eksperimenter på rotter som var så langt bare mulig i mus ^19-21. I kombinasjon med nye bildeteknologier og teknikker slik at målrettet manipulering av nevrale kretser, kan atferds paradigmer i rotter åpne nye veier mot forståelse av fysiologiske og patologiske prinsippene i nervesystemet fungerer.

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