Er wordt een paradigma gepresenteerd om de verwerving van een hoogprecisie geschoolde voorpoot-reiktaak bij ratten te analyseren.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Verwerving van een High-precision Geschoolde voorpoot bereiken Task bij ratten
* These authors contributed equally
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Bewegingen zijn het belangrijkste meetbare resultaat van de functie van het centrale zenuwstelsel. Het ontwikkelen van gedragsparadigma's die een gedetailleerde analyse van motorisch leren en uitvoering mogelijk maken, is van cruciaal belang om de principes en processen die ten grondslag liggen aan motorische functie te begrijpen. Hier presenteren we een paradigma om bewegingsverwerving te bestuderen binnen een dagelijkse trainingssessie (binnen-sessie) die de snelle leercomponent en primaire verwerving vertegenwoordigt, evenals bekwaam motorisch leren over meerdere trainingssessies (tussen-sessie) die de trage leercomponent en consolidatie van de geleerde taak vertegenwoordigen. Dit gedragsparadigma verhoogt de mate van moeilijkheid en complexiteit van de motorische vaardigheidstask door twee kenmerken: Ten eerste heroriënteert het dier zijn lichaam voorafgaand aan elke pellet-retrieval, waardoor vernieuwde oriëntatie wordt gedwongen en het uitvoeren van bewegingen vanuit dezelfde hoek wordt voorkomen. Ten tweede worden pellets vastgegrepen van een verticale paal die overeenkomt met de diameter van de pellet en die voor de kooi wordt geplaatst. Dit vereist een nauwkeurige greep voor succesvolle pellet-retrieval en voorkomt dus eenvoudig trekken van de pellet naar het dier toe. In combinatie met nieuwe genetica, beeldvorming en elektrofysiologische technologieën zal deze gedragsmethode helpen om de morfologische, anatomische en moleculaire grondslagen van motorisch leren en geheugen te begrijpen.
Inleiding
Beweging controle is een kernfunctie van het centrale zenuwstelsel (CNS). Motoriek is de belangrijkste uitgangsignaal van CNS-functie en de belangrijkste mogelijkheden voor mensen om te communiceren met de buitenwereld. Het begrijpen van de principes van de motorische functie en de mechanismen die ten grondslag liggen aan het leren van een motorische taak is momenteel een van de grote uitdagingen in de neurowetenschappen. Morfologische, fysiologische en moleculaire veranderingen werden gevonden bij de overname van een nieuwe motor taak. Bijvoorbeeld, de vorm en het aantal synapsen veranderen als reactie op mobiliteitsfuncties training 1-5 en functionele veranderingen van de synaptische systeem waargenomen na motorisch leren. Synaptic was hoger in de aansluitingen van de voorpoot die regio de getrainde motorische cortex vergeleken met de ongeoefende halfrond van hetzelfde dier of antwoorden van ongetrainde dieren 6,7. Elektrofysiologische waarnemingen suggereren ook dat langetermijnpotentiëring (LTP) en lange-termijn depressie (LTD) zoals mechanismen plaatsvinden tijdens het leren van een nieuw motorische vaardigheden en dat het bereik van synaptische operatie, die wordt gedefinieerd tussen de beperkende grenzen van LTP en LTD verzadiging wordt gewijzigd 8. Bovendien is aangetoond dat de activiteit merkers en plasticiteit bevorderen moleculen zoals c-fos, GAP-43, of BDNF maar plasticiteit remmende moleculen zoals Nogo-Weergeefinrichting regelgevingsrollen voor leergerelateerde neuronale plasticiteit 9-16.
Deze voorschotten op weg naar een beter begrip van de mechanismen die ten grondslag liggen aan het motorisch leren kon alleen worden bereikt met het gebruik van behavioral paradigma's die een nauwkeurige controle op de verwerving van een nieuwe motorische vaardigheden, bijvoorbeeld, geschoolde voorpoot verstrekkende mogelijk te maken. Slechts een gestructureerde gedragstaak maakt het bewaken en vastleggen van correlatieve veranderingen die optreden op het leren en uitvoeren van de respectievelijke taak. Here we visueel een gewijzigde versie van de geschoolde voorpoot tonensingle-pellet bereiken taak bij ratten aangepast van Buitrago et al. 17 De gepresenteerde paradigma laat de analyse van de beweging overname binnen een dagelijkse training (binnen-sessie) die de snel leren component en primaire acquisitie evenals geschoolde motorisch leren over verschillende sessies (tussen-sessie) die de langzame leren component en het onderhoud van de geleerde taak 18. Belangrijk is dat deze behavioral paradigma verhoogt de moeilijkheidsgraad en complexiteit van de motorische taak vanwege twee kenmerken: Ten eerste, worden de ratten getraind om te draaien rond hun as na elke greep en zo hun lichaam opnieuw uitlijnen voor de volgende pellet bereik en verlengen het lichaam oriëntatie, het voorkomen van constante uitvoering beweging vanuit dezelfde hoek. Ten tweede, worden pellets opgehaald uit een verticale staander geplaatst voor de kooi. Vanwege de kleine diameter van de post, kunnen pellets gemakkelijk worden afgetrapt die een nauwkeurige greep voor een succesvolle ophalen en preventing eenvoudig trekken van de pellet in de richting van het dier.
Dergelijke complexe gedragsproblemen testen laat dieper inzicht in de mechanismen die ten grondslag liggen aan het motorisch leren. In vergelijking met muizen, ratten superieur in hun bij complexe gedragstaken en daardoor beter geschikt voor complexe paradigma zoals gepresenteerd in deze studie. Gezien de toenemende genetische mogelijkheden voor ratten 19,20, de combinatie van nauwkeurige en goed gecontroleerde behavioral testmethoden met genetische manipulaties, beeldvorming en fysiologische technieken vormt een krachtige gereedschapskist om beter inzicht in de neurobiologische basis van motorisch leren en geheugen.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
Alle experimenten werden uitgevoerd in overeenstemming met de richtlijnen van het Veterinair Bureau van het kanton Zürich, Zwitserland.
1. Dierlijke Behandeling en Gewenning
- Animal Handling
Opmerking: 5 dagen voor de start van het experiment, stap 1.1.1 voeren dagelijks.- Voor gedragsexperimenten, wennen de dieren naar de experimentator. Heb dagelijkse behandeling sessies van 10-15 minuten per dier. Maak de doos na sessie van elk dier.
- Aanvankelijk plaatst de hand van de experimentator in een kooi, waardoor de dieren om te verkennen en te ruiken aan vertrouwd gemaakt met de experimentator te worden.
- Vervolgens, til het dier met de hand van de experimentator op een veilige manier door grijpen het lichaam van de rat tussen de voor- en achterpoten waardoor verdere kennismaking.
- Weeg elk dier dagelijks in om een basislijn lichaamsgewicht voor het onthouden van voedsel te verkrijgen.
- Voor gedragsexperimenten, wennen de dieren naar de experimentator. Heb dagelijkse behandeling sessies van 10-15 minuten per dier. Maak de doos na sessie van elk dier.
- Apparatuur Gewenning en Voedselkwaliteit Kennismaking
- Weeg elk dier dagelijks in om een basislijn lichaamsgewicht voor het onthouden van voedsel te verkrijgen.
- Start voeding ontnemen ratten 3 dagen voor het begin van pre-training op een standaard laboratorium dieet. Geef ratten 0,05 gram voedsel per 1 gram lichaamsgewicht per dag (bijvoorbeeld een rat met een gewicht van 200 g, beginnen met 10 g voedsel). Zorgen lichaamsgewicht meer dan 10% per dag niet afnemen monitoren lichaamsgewicht per dag.
- Als er meerdere dieren worden gehouden in een kooi, kan dominante ratten meer dan minder dominant degenen eten. In het geval het lichaamsgewicht van een dier afneemt, voer het dier afzonderlijk in plaats van de groep geeft. Geef water ad libitum.
- Om de rat met het grijpen apparaat vertrouwd te maken, plaatst u het dier in de doos training (figuur 1). Hebben suiker pellets in de box geplaatst training in de nabijheid van de ingesneden opening aan het dier met het voedsel pellets vertrouwd. Voer deze step 10-15 minuten per dag gedurende 3 dagen.
2. Pre-training en motorische vaardigheden leren
- Pre-training
- Een dag na gewenning, plaats het dier in het vak training en plaats de pellet nauw samen om de spleet opening, zodat het kan worden bereikt door de tong van het dier. Dieren die pellets met hun voorpoot te halen uit te sluiten tijdens de pre-training
Opmerking: In dit stadium pellet retrieval met de tong cruciaal en meestal voorkeurswerkwijze van het dier. Pellets moeten in geen geval begrepen de voorpoot tot de eerste dag van de motorische vaardigheden leren om adequaat toezicht op de geleerde bereiken taak mogelijk te maken. Pellet ophalen met de voorpoot tijdens de pre-training is een uitsluiting criterium en is in de meeste gevallen niet waargenomen. - Leer de rat om ofwel lopen naar de achterzijde van de kooi en terugkeren naar de ingesneden opening of stap terug en draaien rond zijn eigen as om de volgende voedselpellet ontvangen metde tong. Laat tijd voor het dier naar de kooi te verkennen, lopen aan de achterzijde en terug te keren naar de spleet opening. Wanneer het dier de taak niet goed worden uitgevoerd als, gebruikt een tang om voorzichtig tikken eind achterzijde van de kooi en aandacht vangen van het dier. Zodra het dier aan de achterzijde voorzichtig tikken op de kooi voor het dier leiden naar de spleetopening.
Opmerking: Nadat het dier een gedefinieerde standaard waarde bereikt (bijvoorbeeld, 50 succesvolle pellet opvragingen met de tong in minder dan 15 min), het dier in aanmerking komt voor de motorische vaardigheden leerfase. Op dag 1 en 2 van pre-training kunnen cursisten reeds onderscheiden van niet-leerlingen. Non-leerlingen kan uit het onderzoek bij deze stap worden uitgesloten. Dit vermindert de waarschijnlijkheid van een groot aantal niet-cursisten in de motor leren stap (2.2). - Tijdens de pre-training, voedsel ontnemen ratten op een standaard laboratorium dieet. Geef water ad libitum. Monitor lichaamsgewicht per dag gedurende de studie. DoenGebruik dezelfde kamer aan mannelijke en vrouwelijke ratten trainen. Zorg voor een rustig en ruisvrije omgeving voor het dier.
- Een dag na gewenning, plaats het dier in het vak training en plaats de pellet nauw samen om de spleet opening, zodat het kan worden bereikt door de tong van het dier. Dieren die pellets met hun voorpoot te halen uit te sluiten tijdens de pre-training
- Bepaling van Paw Preference en motorische vaardigheden leren
- Tijdens de eerste zitting van motorische vaardigheden leren, vervangt de schuif aan de voorkant van het venster met een post. Plaats de suiker pellet ongeveer 1,5 cm afstand van het raam op de post, zodat het dier de korrel met zijn tong niet kan bereiken, maar alleen op te halen door een nauwkeurige voorpoot reiken en grijpen beweging.
- Om pellet ophalen dwingen de voorpoot, gebruik een tang om voorzichtig breng de pellet dicht bij de mond van het dier en schuif de pellet, terwijl het dier tracht consumentenproducten onder de tong. Voer deze taak herhaaldelijk totdat het dier strekt zich uit van de voorpoot en grijpt een pellet.
- Plaats de paal centraal in de vensteropening. Om poot voorkeur te bepalen, goed te kijken naar de eerste 10 proeven op training dag 1. Meer dan 70% van de reaching pogingen (dat wil zeggen, 7 van de 10) moeten worden uitgevoerd met dezelfde voorpoot. Indien dit niet wordt bereikt, verder met een andere ronde van 10 proeven tot 70% wordt bereikt.
- Na poot voorkeur vastberadenheid, verschuiven de post naar de gewenste voorpoot en lijn centraal aan de rand van de raamopening. Geprefereerde paw uitlijnmiddelen de paal is in strijd verschoven naar de respectievelijke poot een optimale hoek staan voor het bereiken (Figuur 1B, C).
- Classificeren een proef, gedefinieerd als een nieuwe pellet gepresenteerd aan het dier, zo succesvol (te bereiken, greep, ophalen en eet de korrel), drop (te bereiken, greep en verliest pellet tijdens retrieval) of niet (knock pellet de paal). Noteer elke beproeving in je vel en analyseren van de gegevens na het experiment.
- Voer een dagelijkse sessie bestaat uit een bepaald aantal studies (bv 150) of een maximale tijd (bijvoorbeeld 1 uur) voor elk dier.
- Onderzoek precisie en fine-tuningvan de beweging met behulp van eerste poging analyse. Een eerste poging wordt bepaald door het grijpen van de pellet in een enkele monolithische beweging zonder onderbreking, aarzeling of herhaling van de individuele beweging componenten. Observeren elke greep door de rat voorzichtig.
- Als de rat aarzelt of terugtrekt tijdens een bereik of pogingen verschillende proeven te kunnen begrijpen van de pellet, let op de respectieve proces als succes, maar niet de eerste poging. Als het dier met succes grijpt de pellet in een enkele monolithische bereik, noteer het desbetreffende proces zo succesvol eerste poging in een aparte kolom in uw vel.
- Tijdens motorische vaardigheden leren, voedsel ontnemen ratten op een standaard laboratorium dieet. Geef water ad libitum. Monitor lichaamsgewicht per dag gedurende de studie.
- Tijdens de eerste zitting van motorische vaardigheden leren, vervangt de schuif aan de voorkant van het venster met een post. Plaats de suiker pellet ongeveer 1,5 cm afstand van het raam op de post, zodat het dier de korrel met zijn tong niet kan bereiken, maar alleen op te halen door een nauwkeurige voorpoot reiken en grijpen beweging.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
Succesvolle motorische vaardigheid overname wordt alleen bereikt door de vaste praktijk. Ondanks zorgvuldige afweging van alle aspecten, waarvan sommige ratten niet de taak (figuur 2) leren. Deze "niet-lerende missen ofwel motivatie resulteert in weinig of afwezige pogingen pellets retrieval vanaf de start van het experiment of algemeen verliezen interesse bereiken van de pellets waardoor continu mislukte pogingen. Daarentegen, sommige dieren vertonen agressief en over-gemotiveerd gedrag resulteert...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
De in deze studie paradigma is een bewerking van Buitrago et al 18 en verschilt van de klassieke interne korrel bereiken paradigma 17 voornamelijk in twee aspecten.:
Ten eerste, het bestuderen van binnen-sessie verbetering maakt analyse van de geleerde taak binnen één dag, die een ander niveau van de informatie kan verstrekken, zoals onderzoek naar de snelle learning component in vergelijking met de langzame leren component weergegeven door de gemiddelde dageli...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs hebben niets te onthullen
Dankbetuigingen
Dit werk werd gefinancierd door subsidies van de Swiss National Science Foundation (Grant 31003A-149315-1 om MES en Grant IZK0Z3-150809 naar AZ), om AZ de Heidi Demetriades Foundation, aan de European Research Council ('Nogorise'), MES en de Christopher en Dana Reeve Foundation (CDRF).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| 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 |
Referenties
- 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).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
