פרדיגמה מוצגת כדי לנתח את הרכישה של משימת הגעה לגפיים קדמיות מיומנות ברמת דיוק גבוהה בחולדות.
הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.
מאמר שיטה
רכישת גבוהה דיוק מיומן Forelimb ההגעה משימה בחולדות
* These authors contributed equally
במאמר זה
סיכום
תקציר
תנועות הן התפוקה העיקרית הניתנת למדידה של תפקוד מערכת העצבים המרכזית. פיתוח פרדיגמות התנהגותיות המאפשרות ניתוח מפורט של למידה וביצוע מוטורי הוא בעל חשיבות קריטית על מנת להבין את העקרונות והתהליכים העומדים בבסיס התפקוד המוטורי. כאן אנו מציגים פרדיגמה לחקר רכישת תנועה בתוך מפגש יומי של אימון (בתוך מפגש) המייצג את מרכיב הלמידה המהירה והרכישה הראשונית, כמו גם למידה מוטורית מיומנת על פני מספר מפגשי אימון (בין מפגשים) המייצגת את מרכיב הלמידה האיטית וגיבוש המשימה הנלמדת. פרדיגמה התנהגותית זו מגדילה את דרגת הקושי והמורכבות של משימת המיומנות המוטורית בשל שני מאפיינים: ראשית, בעל החיים מיישר מחדש את גופו לפני כל שליפת כדור, מה שמאלץ התמצאות מחודשת ומונע ביצוע תנועה מאותה זווית. שנית, כדורים נתפסים מעמוד אנכי התואם את קוטר הגלולה ומונח מול הכלוב. זה דורש אחיזה מדויקת לשליפה מוצלחת של הכדור ובכך מונע משיכה פשוטה של הכדור לעבר החיה. בשילוב עם גנטיקה, הדמיה וטכנולוגיות אלקטרופיזיולוגיות חדשניות, שיטה התנהגותית זו תסייע בהבנת היסודות המורפולוגיים, האנטומיים והמולקולריים של למידה מוטורית וזיכרון.
מבוא
שליטת תנועה היא פונקצית ליבה של מערכת העצבים המרכזית (CNS). Motricity הוא הפלט העיקרי למדידה של תפקוד מערכת העצבים המרכזית ואת האפשרות העיקרית ליחידים לאינטראקציה עם העולם החיצוני. הבנת העקרונות של תפקוד מוטורי והמנגנונים העומדים בבסיס הלמידה של משימת מנוע היא כיום אחד האתגרים הגדולים במדעי המוח. שינויים מורפולוגיים, פיסיולוגיים ומולקולריים נמצאו ברכישה של משימת מנוע חדשה. לדוגמא, הצורה ומספר הסינפסות לשנות בתגובה לאימון מוטורי מיומן 1-5, ושינויים פונקציונליים של המכונות הסינפטי נצפו לאחר למידה מוטורית. תגובות Synaptic היו גבוהות יותר בחיבורים של האזור המייצג-forelimb של הקורטקס המוטורי המיומן בהשוואה לחץ הכדור מאומן של אותה החיה או לתגובות מבעלי חיים לא מאומנים 6,7. תצפיות אלקטרו גם מצביעות על כך שהגברה לטווח ארוך (LTP) וארוכהדיכאון -term (בע"מ) כמו מנגנונים יתקיים במהלך הלמידה של מיומנות מוטורית חדשה, וכי הטווח של פעולה הסינפטי, אשר מוגדרת בין גבולות הגבלה של LTP ורוויה בע"מ, הוא שונה 8. יתר על כן, זה כבר הראה כי סמני פעילות ופלסטיות קידום מולקולות כגון C-FOS, GAP-43, או BDNF אלא גם מולקולות מעכבות פלסטיות כגון תפקידים רגולטוריים Nogo-תצוגה לפלסטיות עצבית הקשורות ללמידה 9-16.
התפתחויות הללו להבנה טובה יותר של מנגנוני למידה מוטורית יכולות להיות מושגת בשימוש בפרדיגמות התנהגות המאפשרות שליטה מדויקת של רכישת מיומנות מוטורית חדשה, למשל, להגיע forelimb מיומן בלבד. רק משימה התנהגותיות מובנה היטב מאפשרת לפקח וללכוד שינויי מתאם המתרחשים על למידה וביצוע של המשימה בהתאמה. כאן אנו חזותי להפגין גרסה שונה של forelimb המיומןמשימה להגיע יחידה גלולה בחולדות המותאמות מאל. 17 הפרדיגמה הציגה Buitrago et מאפשרת ניתוח של רכישת תנועה בתוך אימון יומי (בתוך מושב) המייצג את הרכיב למידה המהיר ורכישה ראשונית, כמו גם למידה מוטורית מיומנת מעל מספר מפגשים המייצג את הרכיב האיטי למידה ותחזוקה של המשימה למדה 18 (בין המושב). חשוב לציין, הפרדיגמה התנהגות זו מעלה את דרגת קושי והמורכבות של משימת המיומנות המוטורית בשל שתי תכונות: ראשית, החולדות מאומנות להסתובב צירם לאחר כל אחיזה ובכך ליישר מחדש את גופם לפני הישג יד גלולה הבאה ולחדש הנטייה הגוף, מניעת ביצוע תנועה מתמדת מאותה הזווית. שנית, כדורי אחזור מפוסט אנכי להציב מול הכלוב. בשל הקוטר הקטן של הפוסט, יכולים בקלות להיות בעט כדורים מדורשים אחיזה מדויקת לאחזור ועמ 'מוצלחיםreventing פשוט מושך של גלולה לבעלי החיים.
בדיקות התנהגותיות מורכבות כזה מאפשרת תובנות עמוקות יותר אל תוך מנגנוני למידה מוטורית. בהשוואה לעכברים, חולדות הן מעולים בביצועיהם של משימות התנהגותיות מורכבות ולכן מתאימים יותר לפרדיגמות מורכבות כפי שהוצגו במחקר זה. בהתחשב באפשרויות הגנטיות הגדלת זמינה לחולדות 19,20, השילוב של שיטות בדיקת התנהגות מדויקות ומבוקרות היטב עם מניפולציות גנטיות, הדמיה וטכניקות פיסיולוגיות מייצג ארגז כלים רבי עוצמה כדי להבין את הבסיס הנוירו-הביולוגי של למידה מוטורית וזיכרון טוב יותר.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
פרוטוקול
כל הניסויים בוצעו בהתאם להנחיות של לשכת הווטרינרית של קנטון ציריך, שווייץ.
1. טיפול בבעלי חיים והרגלה
- טיפול בבעלי חיים
הערה: 5 ימים לפני תחילת הניסוי, לבצע צעד 1.1.1 יומי.- לניסויים התנהגותיים, להרגיל את בעלי החיים לניסוי. יום האם טיפול הפעלות נמשכות 10-15 דקות לכל בעל חיים. נקה את התיבה לאחר הפגישה של כל בעלי חיים.
- בתחילה, למקם את ידו של הנסיין לכלוב המאפשר לבעלי החיים לחקור ולהריח להפוך להכיר את הניסוי.
- בשלב הבא, בעדינות להרים את החיה עם היד של הנסיין בצורה בטוחה על ידי אחיזה בגופו של העכברוש בין כפות הקדמיות ואחוריות המאפשרות היכרות נוספת.
- לשקול כל חיה יומית כדי להשיג משקל גוף בסיסי לפני מניעת מזון.
- לניסויים התנהגותיים, להרגיל את בעלי החיים לניסוי. יום האם טיפול הפעלות נמשכות 10-15 דקות לכל בעל חיים. נקה את התיבה לאחר הפגישה של כל בעלי חיים.
- מנגנון הרגלה והיכרות מזון
- לשקול כל חיה יומית כדי להשיג משקל גוף בסיסי לפני מניעת מזון.
- התחל מזון לשלול חולדות 3 ימים לפני תחילת מראש אימונים בדיאטת מעבדה סטנדרטית. תן חולדות 0.05 גרם של מזון למשקל גוף 1 גרם ליום (לדוגמא, חולדה במשקל 200 גרם, להתחיל עם 10 גרם של מזון). ודא משקל גוף לא להקטין יותר מ -10% ליום על ידי ניטור משקל גוף ביום.
- אם מספר בעלי חיים מוחזקים בכלוב אחד, חולדות דומיננטיות עלולות לאכול יותר מפחות דומיננטי. במקרה של משקל גוף ירידות חיה, להאכיל את החיה בנפרד במקום האכלת קבוצה. תן כרצונך מים.
- להכיר את העכברוש עם מנגנון האחיזה, למקם את בעל החיים לתוך תיבת האימונים (איור 1). יש כדורי סוכר הניחו בתיבת האימון בסמוך לפתיחת החריץ לקרא את החיה עם כדורי מזון. בצע רח זהEP יומי דקות 10-15 במשך 3 ימים.
2. טרום אימון ולמידה מיומנות מוטורית
- טרום אימון
- יום אחד לאחר ההיכרות, למקם את בעל החיים לתוך תיבת ההכשרה ולמקם את הכדור מקרוב לפתיחת החריץ כך ניתן להגיע אליו על ידי לשונו של בעל החיים. תכלול בעלי חיים שלאחזר כדורים עם forelimb במהלך אימון מראש
הערה: בשלב זה, אחזור גלולה עם הלשון הוא קריטי ובדרך כלל שיטתו של בעל החיים של בחירה. פלטות צריכה להיות בכל מקרה לא הבין עם forelimb עד ליום הראשון של למידת מיומנות מוטורית לאפשר ניטור נאות של המשימה להגיע למדה. אחזור גלולה עם forelimb במהלך טרום הכשרה הוא קריטריון הדרה והיא ברוב המקרים לא נצפו. - ללמד את החולדה לרוץ או לחלקו האחורי של הכלוב ולחזור לפתיחת הסדק או הצעד אחורה ולהסתובב הציר שלה על מנת לקבל את כדור המזון הבא עםהלשון. לאפשר זמן לבעלי החיים כדי לחקור את הכלוב, לרוץ לאחורי ולחזור לפתיחת הסדק. אם בעלי החיים לא נכון לבצע את המשימה, להשתמש במלקחיים כדי לטפוח בעדינות בחלקו האחורי סוף הכלוב ולתפוס את תשומת לבו של בעל החיים. ברגע שבעלי החיים הוא בחלקו האחורי, לטפוח בעדינות בחזית הכלוב כדי להנחות את בעלי החיים לפתיחת הסדק.
הערה: לאחר החיה מגיעה לערך סטנדרטי מוגדר (למשל, 50 אחזורים גלולה מוצלחים עם הלשון בפחות מ -15 דקות), בעלי החיים כשיר לשלב למידת מיומנות המוטורית. ביום 1 ו -2 של טרום-אימונים, יכולים כבר להבחין לומדים מאינם לומדים. ניתן לשלול ללא לומדים מהמחקר בשלב זה. זה מקטין את ההסתברות שיש מספר גבוה של אי-לומדים במהלך שלב הלמידה המוטורית (2.2). - במהלך קדם-אימון, מזון לשלול חולדות בדיאטת מעבדה סטנדרטית. תן כרצונך מים. לפקח על משקל גוף יומי לאורך כל תקופת המחקר. האםלא להשתמש באותו חדר לאמן חולדות זכרים ונקבה. להבטיח סביבה רגועה ונטול רעש לבעלי החיים.
- יום אחד לאחר ההיכרות, למקם את בעל החיים לתוך תיבת ההכשרה ולמקם את הכדור מקרוב לפתיחת החריץ כך ניתן להגיע אליו על ידי לשונו של בעל החיים. תכלול בעלי חיים שלאחזר כדורים עם forelimb במהלך אימון מראש
- קביעת העדפות Paw והלמידה מיומנות מוטורית
- במהלך הפגישה הראשונה של למידת מיומנות מוטורית, להחליף את השקופית מול החלון עם הודעה. מניחים את כדור הסוכר כ -1.5 סנטימטרים מהחלון על הפוסט, כך שבעלי החיים לא יכולים להגיע לכדור עם הלשון שלה אלא רק להחזיר אותו על ידי forelimb מדויק להגיע ולתפוס תנועה.
- לאכוף אחזור גלולה ידי forelimb, להשתמש במלקחיים כדי להביא בעדינות את הכדור הקרוב לפה של החיה ולחזור גלולה בעוד החיה מנסה הצריכה עם הלשון. לבצע משימה זו שוב ושוב עד שהחיה משתרעת forelimb ותופסת גלולה.
- מניחים את הפוסט המרכזי לפתיחת החלון. כדי לקבוע העדפת כפה, להתבונן הראשונים 10 ניסויים בזהירות על יום אימונים 1. יותר מ -70% מreacניסיונות הינג (כלומר, 7 מתוך 10) צריכים להיות מוצאים להורג באותו forelimb. אם זה לא יושג, להמשיך עם סיבוב של 10 מחקרים אחר עד שהגיע לסף של 70%.
- לאחר קביעת העדפת הכפה, להעביר את ההודעה לforelimb המועדף וליישר מרכזיים לגבול של פתיחת החלון. יישור כף העדיף פירוש ההודעה מוסטת בניגוד לכפת בהתאמה לאפשר זווית אופטימלית להשגת (איור 1, ג).
- לסווג משפט, מוגדר כגלולה חדשה שהוצגה לבעלי החיים, כמוצלח (להגיע, אחיזה, לאחזר ולאכול גלולה), ירידה (להגיע, אחיזה ולאבד גלולה במהלך אחזור) או להיכשל (לדפוק גלולה מהקורה). רשום כל משפט בגיליון שלך ולנתח את הנתונים לאחר הניסוי.
- בצע פגישה יומית אחת בהיקף של מספר מוגדר של ניסויים (למשל, 150) או זמן מרבי (לדוגמא, שעה 1) עבור כל חיה.
- לחקור דיוק וכוונון עדיןהתנועה באמצעות ניתוח ניסיון ראשון. ניסיון ראשון מוגדר על ידי אחיזה של גלולה בתנועה מונוליתית אחת ללא הפרעה, היסוס או חזרה על מרכיבי תנועה בודדים. להתבונן בזהירות כל אחיזה בחולדה.
- אם החולדה מהססת או חזר בהישג יד או מנסה כמה ניסויים כדי לתפוס את הכדור בצורה נכונה, שים לב למשפט המתאים כהצלחה, אך לא הניסיון ראשון. אם בעלי החיים תופסים את הכדור ביד אחת מונוליטי בהצלחה, לרשום את המשפט המתאים כניסיון ראשון מוצלח בטור נפרד בגיליון שלך.
- במהלך למידת מיומנות מוטורית, מזון לשלול חולדות בדיאטת מעבדה סטנדרטית. תן כרצונך מים. לפקח על משקל גוף יומי לאורך כל תקופת המחקר.
- במהלך הפגישה הראשונה של למידת מיומנות מוטורית, להחליף את השקופית מול החלון עם הודעה. מניחים את כדור הסוכר כ -1.5 סנטימטרים מהחלון על הפוסט, כך שבעלי החיים לא יכולים להגיע לכדור עם הלשון שלה אלא רק להחזיר אותו על ידי forelimb מדויק להגיע ולתפוס תנועה.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
תוצאות
רכישת מיומנות המוטורית מוצלחת מושגת רק באמצעות תרגול עקבי. למרות שיקול זהיר של כל ההיבטים, כמה חולדות לא מצליחות ללמוד את המשימה (איור 2). אלה 'שאינם לומדים' או חסרי מוטיבציה וכתוצאה מכמה או נעדרו ניסיונות של אחזור גלולה מתחילת הניסוי או בדרך כלל לאבד עניין בהגעה לכדורים שהובילו לנכשלו ברציפות ניסיונות. לעומת זאת, חלק מבעלי החיים מראים התנהגות תוקפנית ועל-מוטיבציה וכתוצאה מכך מהיר מדי ומיהרו לתפוס ניסיונות שמובילים לכישלונות. קבוצה שלישית של לומדים לא מוצל...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
דיון
הפרדיגמה שמוצגת במחקר זה מותאם Buitrago et al 18 ושונה מהגלולה אחת הקלסית להגיע הפרדיגמה 17 בעיקר בשני היבטים.:
ראשית, לימוד שיפור במושב מאפשר ניתוח של המשימה למדה תוך יום אחד, אשר יכול לספק רמת המידע שונה כגון חקירה של הרכיב למידה המהיר בהשוואה לרכיב למידה האיטי מיוצג על ידי הערכים היומיים הממוצע (ראה איורים 3 ו -4). שנית, את הפרדיגמה ההתנהגות שהוצ...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
גילויים
למחברים אין מה לחשוף
תודות
עבודה זו מומנה על ידי תרומות של קרן המדע הלאומית השוויצרית (גרנט 31003A-149,315-1 לMES וגרנט IZK0Z3-150809 לAZ), לAZ היידי Demetriades הקרן, לMES מועצת המחקר האירופי ("Nogorise ') ו כריסטופר ודן ריב קרן (CDRF).
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
חומרים
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| אימונים | |||
| מתוצרת עצמית כדורי סוכר מתוצרת | |||
| עצמית | TSE Systems Intl. קבוצה | 45 מ"ג כדורי דיוק ללא אבק | |
| Sprague Dawley חולדות | 5-6 שבועות זכרים | ||
| נייד | Hewlett Packard | ||
| Stop Watch | |||
| מלקחיים | Fine Science Tools (FST) | ||
| Excel | Microsoft | ||
| Prism | GraphPad | ||
| מונה | |||
| משקל |
מקורות
- 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).
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
הדפסות חוזרות והרשאות
תגיות
