Wytrwała praktyka poprawia precyzję skoordynowanych ruchów. Tutaj wprowadzamy zadanie sięgania pojedynczymi kulkami, które ma na celu ocenę uczenia się i zapamiętywania umiejętności kończyn przednich u myszy.
Artykuł metodologiczny
Wytrwała praktyka poprawia precyzję skoordynowanych ruchów. Tutaj wprowadzamy zadanie sięgania pojedynczymi kulkami, które ma na celu ocenę uczenia się i zapamiętywania umiejętności kończyn przednich u myszy.
Sięganie po przedmioty i aportowanie ich wymaga precyzyjnych i skoordynowanych ruchów motorycznych kończyny przedniej. Kiedy myszy są wielokrotnie szkolone w chwytaniu i aportowaniu nagród w postaci pożywienia umieszczonych w określonym miejscu, ich sprawność motoryczna (zdefiniowana jako dokładność i szybkość) poprawia się stopniowo w czasie i utrzymuje się na stałym poziomie po wytrwałym treningu. Po opanowaniu takiej umiejętności sięgania, jej dalsze utrzymywanie nie wymaga ciągłej praktyki. Tutaj wprowadzamy zadanie sięgania pojedynczą kulką, aby zbadać nabywanie i utrzymywanie wykwalifikowanych ruchów kończyn przednich u myszy. W tym filmie najpierw opiszemy zachowania myszy, które są powszechnie spotykane w tym paradygmacie uczenia się i pamięci, a następnie omówimy, jak kategoryzować te zachowania i określić ilościowo obserwowane wyniki. W połączeniu z genetyką myszy, paradygmat ten może być wykorzystany jako platforma behawioralna do badania anatomicznych podstaw, właściwości fizjologicznych oraz molekularnych mechanizmów uczenia się i pamięci.
Zrozumienie mechanizmów leżących u podstaw uczenia się i pamięci jest jednym z największych wyzwań w neurobiologii. W układzie motorycznym nabywanie nowych umiejętności motorycznych wraz z praktyką jest często określane jako uczenie się motoryczne, podczas gdy zachowanie wcześniej nabytych umiejętności motorycznych jest uważaneza pamięć motoryczną1. Uczenie się nowej umiejętności motorycznej zwykle odzwierciedla się w poprawie pożądanej sprawności motorycznej w czasie, aż do momentu, gdy umiejętność motoryczna jest albo doskonalona, albo zadowalająco spójna. W większości przypadków nabyta pamięć motoryczna może utrzymywać się przez długi czas, nawet przy braku praktyki. U ludzi badania neuroobrazowe z wykorzystaniem pozytonowej tomografii emisyjnej (PET) i funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (fMRI) wykazały, że aktywność pierwotnej kory ruchowej (M1) zmienia się podczas fazy nabywania umiejętności motorycznych2-4, a tymczasowa interferencja aktywności M1 przez przezczaszkową stymulację magnetyczną o niskiej częstotliwości prowadzi do znacznego zakłócenia utrzymania poprawy zachowania motorycznego5. Podobnie, trening specyficzny dla kończyn przednich u szczurów indukuje plastyczność funkcjonalną i anatomiczną w M1, czego przykładem jest wzrost zarówno aktywności c-fos, jak i stosunku synaps / neuronów w M1 po przeciwnej stronie do wytrenowanej kończyny przedniej w późnej fazie uczenia się umiejętności motorycznych6. Co więcej, podobny paradygmat treningowy wzmacnia również poziome połączenia warstwy 2/3 w przeciwległym M1 odpowiadającym wytrenowanej kończynie przedniej, co skutkuje zmniejszonym długoterminowym wzmocnieniem (LTP) i zwiększoną długoterminową depresją (LTD) po tym, jak szczury przyswoią sobie zadania7. Takiej modyfikacji synaptycznej nie obserwuje się jednak w obszarach korowych M1 odpowiadających niewyćwiczonym kończynom przednim lub tylnym8. Alternatywnie, gdy M1 jest uszkodzony w wyniku udaru, występują dramatyczne braki w umiejętnościach motorycznych kończyn przednich9. Podczas gdy większość badań behawioralnych przeprowadzono na ludziach, małpach i szczurachw wieku 2-8,10-17 lat, myszy stają się atrakcyjnym systemem modelowym ze względu na potężną genetykę i niski koszt.
Tutaj prezentujemy specyficzny paradygmat uczenia się umiejętności motorycznych kończyn przednich: zadanie sięgania pojedynczym kulką. W tym paradygmacie myszy są szkolone do wysuwania przednich kończyn przez wąską szczelinę, aby chwytać i pobierać granulki pokarmu (nasiona prosa) umieszczone w ustalonym miejscu, zachowanie analogiczne do nauki łucznictwa, rzucania strzałkami i strzelania do koszykówki u ludzi. To zadanie docierania zostało zmodyfikowane w porównaniu z poprzednimi badaniami na szczurach, które wykazały podobne wyniki między myszami i szczurami18. Korzystając z dwufotonowego obrazowania przezczaszkowego, nasza poprzednia praca śledziła dynamikę kolców dendrytycznych (struktur postsynaptycznych dla większości synaps pobudzających) w czasie podczas tego treningu. Odkryliśmy, że pojedyncza sesja treningowa doprowadziła do szybkiego pojawienia się nowych kolców dendrytycznych na neuronach piramidowych w korze ruchowej przeciwlegle do wytrenowanej kończyny przedniej. Późniejsze ćwiczenie tego samego zadania sięgania preferencyjnie stabilizowało te indukowane uczeniem się kolce, które utrzymywały się długopo zakończeniu treningu. Co więcej, kolce, które pojawiły się podczas powtarzania zadania sięgania, miały tendencję do grupowania się wzdłuż dendrytów, podczas gdy kolce powstałe podczas tandemowego wykonywania zadania sięgania i innego zadania motorycznego specyficznego dla kończyn przednich (tj. zadania obchodzenia się z makaronem) nie skupiały się20.
W tym filmie opisujemy krok po kroku konfigurację tego paradygmatu behawioralnego, od początkowej deprywacji jedzenia, przez kształtowanie sylwetki, aż po trening motoryczny. Opisujemy również typowe zachowania myszy podczas procesu realizacji tego paradygmatu behawioralnego oraz sposób, w jaki te zachowania są kategoryzowane i analizowane. Na koniec omawiamy środki ostrożności potrzebne do przećwiczenia takiego paradygmatu uczenia się oraz problemy, które można napotkać podczas analiz danych.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Eksperymenty opisane w tym manuskrypcie zostały przeprowadzone zgodnie z wytycznymi i przepisami określonymi przez University of California, Santa Cruz Institutional Animal Care and Use Committee.
1. Ustawienia (zobacz również listę materiałów)
2. Deprywacja żywności (2 dni)
3. Kształtowanie (3-7 dni)
Uwagi:
4. Szkolenie (8+ dni)
Uwagi:
5. Kwantyfikacja danych
Istnieje wiele sposobów na ilościowe określenie zachowania myszy po treningu. Dwie najprostsze analizy to:
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Krzywa uczenia się:
Opanowanie umiejętności motorycznych często wymaga wytrwałej praktyki w czasie. Typowa uśredniona krzywa uczenia się składa się z dwóch faz: początkowej fazy nabywania, podczas której wskaźnik sukcesu stopniowo się poprawia, oraz późniejszej fazy konsolidacji, gdy wskaźnik sukcesu osiąga plateau (rysunek 2C). Należy zauważyć, że krzywe uczenia się poszczególnych myszy różnią się; Różne myszy potrzebują różnej liczby dni, aby osiągnąć poziom plateau, a indywidu...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Znaczenie fazy kształtowania:
Ze względu na zwiększony lęk związany z przebywaniem w nieznanym środowisku, myszom zwykle trudno jest wyszkolić się w nowym środowisku21,22. Dlatego celem kształtowania jest zapoznanie myszy z komorą treningową, trenerem (tj. zmniejszenie ich poziomu lęku) oraz wymaganiami zadaniowymi (tj. zidentyfikowanie nasion jako źródła pożywienia). Kolejnym celem kształtowania jest określenie preferowanych kończyn poszczególnych myszy do przyszłego...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy deklarują brak konfliktu interesów.
Ta praca jest wspierana przez grant (1R01MH094449-01A1) od Narodowego Instytutu Zdrowia Psychicznego dla Y.Z.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Komora treningowa w przezroczystym pudełku | Aby zapoznać się z wymiarami, patrz Rysunek 1A | ||
| Pochylona taca do kształtowania | Wykonana na zamówienie ze szklanych szkiełek, patrz Rysunek 1B | ||
| Platforma spożywcza do treningu | Aby zapoznać się z wymiarami, patrz Rysunek 1C | ||
| Nasiona prosa | Filtrowane od " Pokarm dla dzikich ptaków Mieszanka gołębi i przepiórek Pokarm dla dzikich ptaków" (Wszystkie żywe istoty) | ||
| Kleszcze | Do umieszczania nasion | ||
| Waga | Do codziennego pomiaru masy ciała | ||
| Stoper | Do pomiaru czasu podczas sesji modelowania/treningu |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie